바이오인

핵심내용

마이크로RNA에 의한 새로운 메신저RNA 분해기전 규명

마이크로RNA 표적유전자 예측의 정확도 향상 기대

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 남진우‧황정욱 교수(한양대) 연구팀이 마이크로RNA에 의한 유전자 조절기전을 규명, 마이크로RNA 표적유전자 예측의 정확도를 높일 실마리를 찾아냈다고 밝혔다.

○ 과학기술정보통신부‧한국연구재단의 중견연구지원사업 및 바이오·의료기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이 연구의 성과는 네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications)에 9월 13일 게재되었다.

※ 논문명 : UPF1/SMG7-dependent microRNA-mediated gene regulation

□ 유전정보가 담긴 DNA로부터 마이크로RNA, 메신저RNA 등이 생성되는데, 마이크로RNA는 생명현상을 구동하는 단백질을 만드는 주형이 되는 메신저RNA를 분해함으로써 세포의 증식, 분화, 사멸을 조절한다.

○ 약 2천여 종의 마이크로RNA가 존재하며 각각 수 백 개에서 수 천 개의 메신저RNA를 표적한다. 때문에 일일이 실험적으로 표적 유전자를 검증하기는 많은 시간과 비용이 요구되어 여러 예측 알고리즘이 사용된다.

○ 기존에는 마이크로RNA와 짝이 맞는 상보적 서열정보를 토대로 표적이 되는 메신저RNA 유전자를 예측했지만 앞으로는 또 다른 특징적 서열(CUG모티프) 정보를 더해 표적을 좁힐 수 있을 전망이다.

□ 이는 연구팀이 초병렬 서열분석 등을 통해 메신저RNA의 품질관리단백질(UPF1)과 마이크로RNA가 협력하는 새로운 유전자 조절기전(UMD라고 명명)을 규명해낸 데 따른 것이다.

○ DNA로부터 제대로 정보를 전달받지 못한 메신저RNA로부터 비정상적인 단백질이 생성되는 일을 막기 위해 해당 메신저RNA를 분해하는 품질관리단백질이 존재하는 것은 알려져 있었으나 마이크로 RNA까지 가세할 때 품질관리단백질이 기존과 다른 특징적 부위(CUG 모티프)에 결합하는 것을 새로이 밝힌 것이다.

□ 연구팀은 메신저RNA가 마이크로RNA 결합 부위를 가진 경우 품질관리단백질에 의해 분해가 더 잘되는 것을 토대로 마이크로RNA에 의한 분해와 품질관리단백질에 의한 분해의 상관관계에 주목했다.

ㅇ 실제 품질관리단백질이 결합하는 부위(CUG 모티프)가 마이크로RNA 결합부위에 진화적으로 많이 보존되어 있음을 알아냈다.

ㅇ 또한 마이크로RNA 양을 현저히 감소시키면 품질관리단백질에 의한 RNA 분해현상이 사라져 둘의 상호작용이 필수임을 알아냈다.

□ 질환에 관련되는 단백질 자체나 다음 세대로 전달되는 유전자 자체를 조절하기 보다는 유전자로부터 단백질을 만들어 내는 과정의 중간산물로서 기능하고 사라지는 메신저RNA를 조절하는 방식이 약물설계에 유리한 점이 있을 것으로 기대된다.

○ 남진우 교수는“UMD에 관여하는 마이크로RNA의 새로운 타겟 조절 기전의 규명으로 마이크로RNA 타겟유전자 예측의 정확도를 15~20% 이상 높일 수 있었으며, 이를 통해 새로운 치료제와 분석 플랫폼을 개발하는데 큰 기여를 할 것” 이라고 설명했다.

상세내용

 
연 구 결 과  개 요
  
 ※ 논문명 : UPF1/SMG7-dependent microRNA-mediated gene regulation

 ※ 저자명 : 박정윤 박사(공동 제1저자, 한양대), 서좌원(공동 제1저자, 한양대), 안나래(참여자, 한양대), 박석주(참여자, 한양대), 황정욱 교수(교신저자, 한양대), 남진우 교수(교신저자, 한양대)

 1. 연구의 필요성
  ○ 유전자 전사물질인 메신저알엔에이(messenger RNA, 이하 메신저RNA)는 세포 내에서 발현양이 품질관리 메커니즘들에 의해 정교하고 조절되고 있다.
  ○ 그 중 유전자의 꼬리에 해당하는 3’말단 영역(3’UTR)의 길이가 긴 메신저RNA는 유전자의 품질관리에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 UPF1 단백질이 많이 상호작용하고 있고, UPF1에 의존해서 분해가 되는 것으로 알려져 있었다.
  ○ 한편 기존에 알려진 3’말단 영역에서의 대표적인 유전자 발현 조절 기전은 마이크로 알엔에이(microRNA, miRNA, 이하 마이크로RNA)에 의한 분해다. 특히 마이크로RNA는 Ago2와 결합하여 메신저RNA의 3’말단 영역에 붙어서 전사후 유전자 발현 조절에 기여하는 것으로 잘 밝혀져 있다.
  ○ 메신저RNA 3' 말단의 길이가 길수록 확률적으로 마이크로RNA와 메신저 RNA 결합단백질의 결합 수가 증가할 수 있기 때문에, 3'말단이 긴 메신저RNA의 불안정화 과정에서, 두개의 서로 다른 전사 후 발현조절 기전의 상호작용 또는 연관성을 조사할 필요가 있었다.
  ○ 이러한 유전자의 3’말단에서 UPF1과 마이크로RNA에 의해서 조절되는 유전자 발현조절 메커니즘의 규명은, 전사 후 유전자 발현 조절 기전에 대한 보다 깊은 이해와 새로운 유전자 조절 기전을 밝혀 줄 뿐만 아니라, 다양한 질병의 진단, 치료에 사용할 수 있는 새로운 치료기전의 기초 정보를 제공할 수 있다.
  ○ 인간의 세포에서 전사적으로 발생하는 유전자 발현 조절 메카니즘은 소규모 유전자 후보를 조사하여 밝히기 어렵고, 체계적인 유전자 발현 변화 분석의 어려움 등으로 인해 그동안 어려움에 있었다.
  ○ 하지만 최근 차세대 서열분석과 생물정보학적 기법을 이용해서 세포 안에서 발현되는 RNA를 전사체 수준에서 분석이 가능해지고 RNA 결합 단백질들의 결합 위치를 전사적으로 확인할 수 있는 기술이 개발되면서, 본 연구를 수행할 수 있게 되었다.

 2. 연구내용
  ○ 3' 말단 영역의 길이가 긴 메신저RNA가 마이크로RNA에 의해서 조절되는지 확인하기 위해 마이크로RNA 결합사이트를 갖고 있는 유전자와 그렇지 않은 유전자를 구별하여 UPF1에 의한 분해정도를 조사하였고, 마이크로RNA 결합 사이트를 갖고 있는 유전자가 더 분해가 잘되는 것을 밝혔다.  
  ○ Dicer1 유전자에 대한 RNA 간섭과 안티센스 올리고 처리를 통해 세포 내 마이크로RNA의 생성을 급격히 줄인 후 UPF1에 의한 메신저 RNA 분해과정을 다시 조사하였고, 기존 3' 말단 영역의 길이가 긴 메신저RNA의 분해 과정에 마이크로RNA가 필요함을 밝혔다. 이러한 분해과정을 UMD(UPF1-dependent, miRNA-mediated mRNA decay) 라고 명명하였다.
  ○ 또한, UMD는 마이크로RNA 결합 사이트 내에 UPF1이 결합할 수 있는 'CUG' 모티프가 진화적으로 많이 보존되어 있으며, 이에 따라 마이크로RNA에 상보적인 “CAG” 모티프가 많이 존재함을 규명하였다.
  ○ 더 나아가 UMD가 UPF1을 통한 메신저 RNA의 3'말단의 구조를 변화시키기 보다는 AGO-UPF1-SMG7-CCR4/NOT의 축을 통해 메신저 RNA를 불안정화 시킴으로써 분해를 유도하는 것으로 보였고, 기존 AGO -GW182를 통한 마이크로RNA의 타겟 불안정화 기전과 관련이 없음이 밝혀졌다.
  ○ 또한, 이러한 별도의 타겟 조절 기전은 기존 마이크로RNA 타겟 예측에도 기여할 것으로 기대되며 UMD기반 마이크로RNA 조절 기전을 바탕으로 마이크로RNA 타겟 유전자 예측 정확도를 15~20% 이상 높일 수 있었다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 메신저RNA 품질관리 기전과 마이크로RNA에 의한 유전자 발현조절은 암, 뇌질환 등과 직접적으로 연관되어 있다. 이러한 전사 후 유전자 발현 조절의 각각의 기능 뿐 아니라 상호작용의 기전을 이해하는 것은 전사 후 유전자 발현 조절기전에 대한 보다 깊은 이해와 새로운 유전자 조절 기전을 밝혀 줄 뿐만 아니라, 다양한 질병의 진단, 치료에 사용할 수 있는 새로운 치료기전의 기초정보를 제공할 수 있다.
  ○ 특히 새로운 마이크로RNA 타겟 조절 기전의 이해를 통해 새로운 치료제 개발과 플랫폼을 개발할 수 있을 것으로 기대하며, 다양한 치료 타겟의 예측의 정확도를 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

Nonsense-mediated mRNA Decay(NMD, 넌센스유도 RNA 분해) 연구를 활발하게 하는 황정욱 교수님과 같이 점심식사를 하면서 토론을 많이 했었고, UPF1에 대한 다양한 NMD 연구가 진행되었지만, 3’ 말단이 긴 메신저RNA의 UPF1 의존적 분해 현상이 NMD에 의한 현상인지 아니면 또 다른 분자적 기전에 의한 조절인지 명확히 밝혀져 있지 않음을 알게 되었다.

마이크로RNA 연구를 수행하던 본인은 해당 현상이 마이크로RNA에 의한 현상일 수 있음을 인지하고, 가설을 증명하기 위한 기초 생물정보학적 분석을 수행하게 되었다. 분석 후 결과가 가설에 기반한 예상결과가 나오자 실험적 검증을 하기 위해 황정욱 교수님께 공동연구를 본격적으로 제안하고 연구를 수행할 수 있게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

훌륭한 연구자와 공동연구를 수행할 수 있게 되어 행운이었지만, 연구수행 중에 몇 가지 어려운 점을 만나게 되었다. 다양한 샘플에서 시퀀싱과 분석이 진행되었지만 실험을 위해 사용된 원형 세포주가 서로 뒤바뀌는 시행착오를 겪으면서 6개월 이상의 시간과 재료가 버려지게 되었다.

또한 연구를 수행한 제1저자 두 명이 각각 논문 제출 전과 논문 최종 승인 전 졸업하면서 회사생활과 병행하면서 연구를 수행하게 되었다. 실질적으로 연구를 이끌어가는 데 어려움이 있었으나 추가로 연구원이 투입되면서 도움을 받게 되었다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

실험 결과와 생물정보학적 요소를 가지고 가설을 어떻게 효과적으로 증명할 수 있는지에 대해 고민하였다. 일반적 결론을 먼저 내리고 각 개별 예들에 대한 검증방향을 선택하여 수행하게 되었다. 또한 참여 연구원들이 실험적, 생물정보학적 요소를 완벽하게 이해하고 토의 하는데 시행착오도 있었지만 결국 많은 토의와 토론이 문제해결의 밑거름이 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

NMD로 여겨졌던 RNA 분해현상이 마이크로RNA에 의한 새로운 유전자 조절 기전임을 규명하였다. 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

마이크로RNA 타겟 유전자 예측 프로그램 개선에 활용되어 다양한 질병 타겟 유전자 발굴 및 질병 기전 이해연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

UMD 모델이 적용된 새로운 TargetScan 모델을 개발하고 싶다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구는 RBP와의 상호작용과 마이크로RNA 타겟팅이 전사적 수준에서 어떻게 영향을 주는지에 대한 연구를 촉발하는 계기가 되었다. 현재는 이 연구를 서울대 백대현 교수팀에서 수행 중에 있다.

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.