암과 같은 질병 치료를 위한 RNA 유전자 치료제 개발의 새 가능성이 열렸습니다. 기초과학연구원 RNA 연구단 김빛내리 단장 연구팀과 노성훈 서울대 교수 연구팀이 마이크로RNA를 만드는 핵심 단백질 ‘다이서’의 작동 원리와 3차원 구조를 세계 최초로 규명한 것인데요. 이번 연구를 쏙쏙 이해하기 위해 알아야 할 개념과 연구의 의미를 참여 연구진이 직접 알려드립니다.

세포 내 안전과 균형을 유지하는 작은 경찰관, 마이크로RNA

마이크로RNA는 작은 크기지만, 세포 내에서 매우 중요한 역할을 수행하는 분자입니다. 이 작은 RNA 분자들은 다양한 생물학적 과정에서 유전자의 활동을 조절함으로써 세포의 기능과 발달에 영향을 줍니다. 마이크로RNA는 유전자의 활동을 감시하고 조절하는 역할을 수행하는 세포 내의 작은 경찰관과도 같다고 할 수 있습니다.

세포는 우리 몸의 기본 단위이며, 수많은 작업을 수행합니다. 때로는 세포 내에서 잘못된 일이 일어나기도 하는데, 이때 마이크로RNA는 경찰관처럼 작동하여 문제를 감지하고 처리합니다. 경찰관이 범죄자를 붙잡고 구속하여 사회 안전을 유지하듯이, 마이크로RNA는 특정 유전자를 조절하여 비정상적인 세포 활동을 억제하고 세포의 안전과 균형을 유지합니다.

마이크로RNA는 특정 유전자의 mRNA를 표적으로 삼아 결합하여, 파괴하거나 번역 과정을 억제함으로써 유전자의 단백질 생산을 조절합니다. 이 과정을 통해 마이크로RNA는 세포 내에서 다양한 신호 전달 경로를 조절하고, 세포의 성장, 분열, 성숙, 프로그래밍이 된 세포사멸 등 다양한 생리적 과정에 관여합니다.

또한, 마이크로RNA는 세포의 유전자 발현을 조절함으로써 세포의 건강을 유지하는 역할을 합니다. 이들은 세포 내에서 발생하는 이상 징후를 탐지하고 조절하여 세포의 정상적인 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 마이크로RNA의 결합 패턴과 활동은 세포의 상태와 조건에 따라 변화할 수 있으며, 이는 세포의 적응, 발달, 복구 등에 필수적입니다.

이처럼 마이크로RNA는 작지만, 세포의 건강과 기능을 유지하는 데 있어서 핵심적인 역할을 하고 있다고 볼 수 있습니다. 마이크로RNA에 대한 연구는 생명 과학 분야에서 많은 관심을 받고 있으며, 암, 심혈관 질환 등 다양한 질병의 이해와 치료에도 중요한 역할을 할 수 있습니다.

마이크로RNA가 유전자를 표적 하는 방법

마이크로RNA는 다양한 서열을 가지고 있습니다. 마이크로RNA의 서열은 마치 알파벳으로 이루어진 문장과 비슷합니다. 각 문자는 특정한 의미를 가지며, 이러한 문자들이 모여 특정한 메시지를 전달합니다. 마이크로RNA의 서열도 마찬가지로, 특정한 순서와 패턴으로 이루어져 있고, 이를 통해 마이크로RNA가 어떤 유전자를 조절하는지 결정됩니다. 이 다양성은 다양한 유전자를 표적으로 삼아 조절하는 데 활용됩니다. 각 마이크로RNA는 특정한 서열 패턴을 가지고 있어, 특정 유전자와 결합하여 조절 작용을 수행합니다.

마이크로RNA는 특정 유전자의 mRNA 분자와 상호작용하여 결합하게 됩니다. 이 서열 상호작용은 마이크로RNA의 "시드 시퀀스"라고도 알려진 특정 영역에 의해 결정됩니다. 마이크로RNA의 시드 시퀀스가 특정 유전자의 mRNA와 상호 결합하면, 이는 해당 유전자의 표현을 억제하거나 조절하는 데 영향을 줍니다.

이처럼 다양한 마이크로RNA의 서열과 타겟 결합은 세포 내에서 다양한 생리적 과정을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 마이크로RNA는 수백 개 이상의 유전자를 조절할 수 있으며, 이들은 세포의 발달, 분열, 성숙, 프로그래밍된 세포사멸 등 다양한 생리적 프로세스에 관여합니다. 이를 통해 마이크로RNA는 세포의 건강과 기능을 유지하는 데 핵심적인 역할을 하며, 세포의 이상과 질병에 대한 이해와 치료에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

마이크로RNA 서열 결정

마이크로RNA는 이름에서도 알 수 있듯 대부분의 RNA보다 크기가 훨씬 작습니다. 마이크로RNA가 생성되기 위해서는 DNA에서 훨씬 기다란 RNA가 먼저 만들어진 다음, 두 가지 서로 다른 단백질들에 의해 두 번 연속해서 잘리는 과정이 필요합니다. 첫 번째 절단 과정은 드로샤(DROSHA) 단백질에 의해서 일어나게 되는데, 그 결과 만들어지는 마이크로RNA 전구체는 ‘머리핀’을 닮은 모양을 가지게 됩니다. 그다음으로, 이러한 특이적인 모양을 다이서(DICER)라고 하는 단백질이 인식해서 자르면, 우리가 알고 있는 작은 크기의 마이크로RNA가 만들어지게 됩니다.

다이서 단백질, 우리 몸에서 어떤 역할을 할까?

다이서 단백질은 기다란 마이크로RNA 전구체를 잘라 마이크로RNA를 만들어 주는, 마치 가위처럼 기능하는 매우 중요한 단백질입니다. 다이서가 마이크로RNA 전구체의 어디를 자르느냐에 따라, 마이크로RNA의 형태가 달라지고, 마이크로RNA의 형태가 바뀌면 그에 따라 조절되는 유전자가 달라지기 때문에, 다이서는 유전자 발현 조절에 직접적으로 관여하는 중요한 단백질 중 하나입니다. 특히 모든 생명 현상과 질병에는 마이크로RNA가 작동하고 있어, 다이서가 어떻게 마이크로RNA를 자르는지 이해하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있습니다.

다이서(DICER) 단백질의 작동원리를 규명

논문명 Sequence determinant of small RNA production by DICER

기존 연구에서는 드로샤가 만든 마이크로RNA 전구체의 끝을, 다이서가 붙잡고 그로부터 특정 거리를 자로 재듯이 잘라서, 마이크로RNA를 만든다고 알려져 있었습니다. 따라서 다이서는 드로샤가 지정해 준 곳을 자르는 수동적인 역할을 한다고 알려져 있었는데요. 이번 연구를 통해 다이서가 이런 수동적 역할만 하는 것이 아니라, 능동적으로 기능할 수 있다는 사실을 알 수 있었습니다.

더 자세히 말하자면, 다이서가 마이크로RNA의 어떤 특징을 인지하고 자르는지 알아보기 위해, 100만여 개의 마이크로RNA들을 합성한 다음, 100만여 개의 마이크로RNA들을 다이서로 한 번에 자르고 조사할 방법을 개발 및 적용하였습니다. 비유하자면, 100만 개의 모래알을 뿌려놓고, 그중 다이서가 먼저 짚는 1,000개의 모래알을 찾고, 그 1,000개의 모래알이 가지고 있는 공통적인 특징을 분석한 것인데요. 그 공통적인 특징이 실제로 다이서가 마이크로RNA를 효율적으로 정확하게 자르는 데 필요하다는 사실을 검증하고, 이러한 특징을 ‘GYM 서열’이라고 명명하였습니다. 뿐만 아니라, 마이크로RNA 생성 과정을 역이용해서, 단백질 생성을 억제하는 ‘RNA 간섭’ 기술은, RNA 치료제로도 크게 주목받고 있는데요. GYM 서열을 RNA 간섭 기술에 적용하면, 그 효과를 크게 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였습니다. 그래서 이번 연구 결과는 RNA 치료제 개발에도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

[그림 1] GYM 서열의 기능 (왼쪽) 만약 마이크로RNA 전구체가 GYM 서열을 갖고 있지 않다면, 다이서의 절단 효율과 정확도가 낮아집니다. 이 경우에는 여러 가지 다른 마이크로RNA들이 생성될 수 있으므로, 동일한 마이크로RNA 전구체로 다양한 기능을 수행할 수 있습니다. (오른쪽) 하지만, GYM 서열을 지니고 있는 경우, 다이서는 정확하고 효과적으로 마이크로RNA 전구체를 자를 수 있습니다. 이렇게 되면 마이크로RNA 생성이 촉진되고 유전자 발현을 효과적으로 조절할 수 있습니다.

인간 다이서의 ‘활성화' 상태 3차원 구조 미스터리를 풀다

논문명 Structure of the human DICER-pre-miRNA complex in a dicing state

단백질의 구조를 찍는 일은 마치 사진을 찍는 것과 같습니다. 어떤 단백질의 기능에 대한 간접적인 정보를 얻는 것이 아니라, 말 그대로 작동하는 그 순간의 모습을 직접적으로 관찰하는 것이기 때문에 상당히 정확한 정보를 얻을 수 있습니다. 사진이 모이면 동영상이 되듯, 다양한 구조를 풀게 되면 단백질의 역동적인 과정 또한 파악할 수 있게 됩니다. 그러므로 오랜 시간 동안 다이서의 3차원 구조를 풀기 위해 전 세계적으로 시도해 왔습니다. 특히 다이서는 마이크로RNA 전구체를 자르는 효소이기 때문에 그 순간을 포착하는 것이 제일 중요한데, 정작 그 구조는 미스테리로 남아있었습니다. 그래서 다이서가 마이크로RNA를 어떻게 만드는지를 이해하고 이를 바탕으로 RNA 치료제에 응용하는 데 어려움이 있었습니다. 하지만 저희가 찾은 GYM 서열을 접목해서 수십 년간 풀지 못했던 인간 다이서의 ‘활성화' 상태 3차원 구조를 세계 최초로 밝혀냈는데요, 이번 서울대학교 분자 이미징 연구실 노성훈 교수님, 이한솔 박사님과 공동연구로 수행된 연구에서, IBS의 초저온 전자 현미경을 비롯한 기기들을 이용해서 다이서가 마이크로RNA를 자르는 그 순간을 드디어 포착했고, 다이서-마이크로RNA 전구체의 3차원 구조를 높은 해상도에서 관찰하였습니다. 특히 새롭게 찾은 GYM 서열뿐만 아니라 마이크로RNA 전구체의 가장 앞쪽 서열 또한 다이서 기능에 중요하다는 것을 발견하였는데, 이는 효과적인 RNA 치료제를 개발하는 데 큰 기여를 할 것으로 생각됩니다.

[그림 2] 다이서의 도메인 구성 모식도(위) 및 다이서-마이크로RNA 전구체의 활성화 상태 구조(아래) 다이서는 여러 도메인을 통해 마이크로RNA 전구체와 상호작용합니다. 비활성화(apo) 상태의 구조(옅은 회색)와는 달리, 마이크로RNA 전구체를 수용하기 위해서는 나선효소와 DUF283, dsRBD 도메인들이 큰 움직임을 필요로 합니다.

RNA치료제 개발에 한 발 더 가까이

저희는 다이서가 마이크로RNA의 GYM 서열과 앞쪽 말단의 서열 또한 인지해서 능동적으로 절단 위치를 결정한다는 점을 새롭게 발견함으로써 다이서가 어떻게 기질을 선택적으로 인지할 수 있는지 알 수 있게 되었고, 이 연구 성과를 활용하면 더 효과적인 RNA 치료제 개발이 가능할 것으로 생각합니다. 더 나아가서 일부 암 환자에게서 발견되는 다이서의 돌연변이들이 어떻게 마이크로RNA 생성에 결함을 일으키는지를 구조적으로 설명할 수 있게 되어서 질병 치료에도 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

본 콘텐츠는 IBS 공식 포스트에 게재되며, https://post.naver.com/ 에서 확인하실 수 있습니다.