바이오인

→︎ 상분리 응집체는 단백질 간 상호작용, 단백질-RNA 상호작용 및 기타 세포 내 생체분자들 사이의 약한 분자인력에 의해 형성된다고 밝혀짐. 이를 통해 단백질과 RNA 분자와 같은 특정 생체 분자들이 주변 세포 환경으로부터 분리되어 기능적으로 특화된 구획을 만들어 냄

→︎ 상분리 응집체는 기능에 따라 여러 종류로 분류됨. 이에는 세포 스트레스에 대응하여 형성 되는 스트레스 과립, RNA 대사 및 분해에 관여하는 P-체, 리보솜 생합성에 중요한 역할을 하는 핵구 등이 있음

→︎ 상분리 응집체는 세포핵 내부에도 다양한 형태로 존재하는 것이 발견됨. 이들은 유전자 발현 조절 과정에 특화된 기능들을 수행하는 것으로 여겨짐. 구체적인 기능에 대해서는 아직 연구가 미흡하여 세계적으로 활발히 연구 중임

∙ 세포질에서 발견되는 상 분리 응집체로는 P-소체와 스트레스 과립이 있으며, 이 응집체들은 번역이 멈춘 mRNA뿐 아니라 번역과 관련된 다양한 인자들로 이루어져 있는 RNP (ribonucleoprotein) 과립으로도 알려져 있었음

∙ RNP 과립은 퓨전(fusion)과 분열(fission)이 일어나는 역동적인 응집체이지만, 무엇이 이러한 역동성을 일으키는지 여전히 연구가 미흡한 상황임

∙ 미국 콜로라도 대학교 Gia K. Voeltz 교수는 소포체의 번역 기능이 향상됨에 따라 P-소체와 소포체 사이의 접촉이 증가하는 것을 발견했고, P-소체 및 스트레스 과립과 소포체가 접촉 하고 있는 위치에서 응집체의 분열이 일어나는 것을 관찰함

∙ 따라서, 소포체와 RNP 과립의 접촉 위치에서는 소포체의 수축을 통해 RNP 과립의 분열이 관찰되며, 특히 이러한 분열은 RNP 과립이 분해되는 과정에서 발견될 수 있다는 새로운 가능성을 제시하였음(Lee J et al, Science 2020)

∙ 세포가 외부 스트레스에 노출되었을 때 일시적으로 형성되는 스트레스 과립은 일시적인 번역 관련 인자들의 저장소 역할, 세포 사멸을 억제하는 역할, 그리고 바이러스에 대항하여 선천 면역 반응을 일으키는 역할을 한다고 알려져 있음

∙ 스트레스 과립의 기능에 관한 연구는 활발히 진행되어 왔지만, 스트레스 과립의 기능은 여전히 불분명한 상태임

∙ 바이러스에 감염된 세포에서도 스트레스 과립이 형성되는데, 미국 하버드 의과대학교 Sun Hur 교수는 이렇게 생성된 스트레스 과립에서 바이러스의 dsRNA를 인식하는 RIG-I-like receptor(RLR) 단백질을 발견함

∙ 스트레스 과립이 없는 조건에서는 세포질의 자유로운 RLR 단백질들이 바이러스 dsRNA를 인식하여 과도한 염증반응을 일으키고, 결국 세포사멸을 일으키는 것으로 보고됨

∙ 따라서, 스트레스 과립은 RLR 단백질들을 내부로 응집시켜 과도한 면역 반응을 억제하고, 항바이러스성 신호를 적절하게 조절함으로써 세포 생존을 촉진하는 기능을 갖는다는 것이 규명되었음(Paget M et al, Molecular Cell 2023)

∙ 전사 응집체는 수많은 RNA 중합효소 및 전사인자들을 슈퍼-인핸서(super-enhancer)로 밀집시키는 기능을 하게 되면서, 유전자 조절에 중요한 역할을 함

∙ 또한 전사 응집체는 매우 역동적인 응집체로서 전사 과정 동안 형성이 되기도 하고 분해되어 사라지기도 한다고 알려져 있음(Won-Ki Cho et al, Science 2018)

∙ 하지만 전사 과정 동안에는 생성되는 RNA의 양 또한 변하게 되는데 이러한 변화가 전사 응집체를 직접적으로 조절할 수 있는지는 알려진 것이 없었으나, 미국 매사추세츠 공과대 학교 Richard A. Young 교수 연구 그룹은 전사 개시 단계에서 생성되는 낮은 농도의 RNA가 초기 전사 응집체의 형성을 촉진하지만, 전사 촉진 과정에서 급격하게 증가한 RNA 농도가 전사 응집체를 분해한다는 것을 밝힘

∙ 이러한 음성피드백을 통해 전사 과정 중 RNA 양에 따라 전사 응집체 형성이 조절되는 모델을 제시함(Henninger J et al, Cell 2021)

∙ 유전자 발현을 위해서는 RNA 중합효소 및 전사인자 단백질들의 낮은 복잡성 도메인(low complexity domain; LCD) 사이의 상호작용으로 형성되는 핵 내 상분리 응집체가 매우 중요한 기능을 할 것이라고 제안됨

∙ 비록 생체 외(in vitro) 실험 혹은 과발현 실험을 통해 전사 응집체의 특징과 기능에 관해 여러 연구가 진행됐지만, 생리적 조건에서 어떻게 LCD-LCD 상호작용이 전이 활성화 (transactivation)를 일으키는지에 대해선 연구가 미흡한 상황임

∙ 미국 캘리포니아 공과대학의 Robert Tjian 교수 연구 그룹은 세포에서 종양형성 전사인자들이 유전자 위치에 고농도의 전사 응집체를 형성하게 되면서 유전자 발현을 유도한다는 것을 관찰하였음

∙ 하지만 이전 연구 결과들의 모델과는 다르게 LCD-LCD 상호작용이 많을수록 유전자 발현량이 증가하는 것이 아닌, 과도한 크기의 전사 응집체는 오히려 유전자 발현을 억제한다고 보고함

∙ 따라서, 특정 유전자에 따라 최적의 LCD-LCD 상호작용의 정도와 전사 응집체 크기가 존재 하며, 적절한 상태의 응집체가 가장 효율적인 전사 과정을 유도한다는 것을 생리적 조건에서 규명하였음(Chong S et al, Cell 2022)

∙ 연세대 의대 김ㅇㅇ 교수 연구팀과 카이스트 생명과학과 조ㅇㅇ 교수 연구팀은 염색질의 3차원 구조 형성에 기여하는 구조 단백질인 CTCF가 전사 상분리체의 형성에도 필수적이 라는 것을 밝혀냄

∙ CTCF 제거 시 세포핵 내에 RNA 중합효소 II, Mediator 등의 단백질이 이루는 세포내 상분리 응집체인 전사 상분리체가 사라지는 것을 확인함

∙ CTCF를 다시 복구하면 전사 상분리체도 다시 회복되며, 이에 따라서 전사 상분리체가 형성 되는 '슈퍼-인핸서' 좌위 주변의 유전자 발현도 함께 변화하는 것을 확인함

∙ 해당 연구는 염색질 3차원 구조와 유전자 발현간의 복잡한 상관관계를 규명하는 데 중요한 단서를 제공함(Nucleic Acid Research, 2022)

∙ 서울대 기계공학부 신ㅇㅇ 교수 연구팀은 3차원 굴절률 측정 기술을 이용해 세포 내에 형성 되는 상분리 응집체들의 밀도를 측정하여, 스페클과 스트레스 과립이 일반적인 예측과는 다르게 세포 내의 주변 환경과 밀도가 비슷한 저밀도 응집체임을 발견함

∙ 형광 단백질 탐침을 이용하여 실제로 고밀도 응집체보다 저밀도 응집체에 형광 탐침이 쉽게 들어감을 확인함으로써 저밀도 응집체가 상대적으로 성긴 내부 구조를 가짐을 밝힘

∙ 이러한 저밀도 응집체의 형성에는 단백질에 비해 상대적으로 길이가 긴 분자인 RNA의 역할이 핵심적임을 규명함(Nature Communication, 2023)

∙ 성균관대 생명과학과 정ㅇㅇ 교수 연구팀은 모델식물인 애기장대에서 ELF3 단백질의 프리온-유사 도메인이 세포내 응집체 형성을 통해 온도 센서로 기능하여 식물의 성장과 개화 시기를 조절한다는 사실을 밝혀냄

∙ ELF3은 온도가 높아지면 프리온-유사 도메인에 의해 상분리 응집체를 형성하여 다른 단백질과의 상호작용을 하지 못하게 되며, 이에 따라 하위 유전자 발현이 크게 달라질 수 있음을 규명함

∙ 본 연구는 세포 내 상분리 현상이 온도 센서로 기능할 수 있다는 중요한 발견이며, ELF3 외에도 다양한 단백질들이 프리온-유사 도메인을 가지고 있기에 또 다른 온도 감지 메커 니즘의 존재 가능성을 제시하였음(Nature, 2020)