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연 구 결 과 개 요

논문명

Transcription reinitiation by recycling RNA polymerase that diffuses on DNA after releasing terminated RNA

(전사물 RNA를 방출한 후 DNA에 붙어서 이동하며 재생하는 RNA 중합효소에 의한 전사 재개시)

저  자

강우영(공동제1저자/서울대), 하국선 박사(공동제1저자/카이스트, 현 수원대), 

엄희수 박사(서울대), 박규형(서울대), 이자일 교수(울산과기대)

홍성철 교수(공동교신저자/서울대), 강창원 명예교수(공동교신저자/카이스트)

1. 연구의 필요성

 ○ 유전자 발현이 대부분 첫 과정인 전사반응에서 조절되기 때문에 많은 연구가 있었지만 그 종결단계에 대한 연구는 기술적인 제약이 있었다. 특히 전사복합체가 해체될 때 중합효소, RNA, DNA가 동시에 분리되는지 또는 순차적으로 분리되는지도 정확하게 밝혀지지 않았다.

 ○ RNA와 DNA가 형광을 띠게 하여 중합효소와의 결합과 분리를 단일 분자 형광의 변화로 추적할 수 있는 기술을 개발함으로써 전사 복합체의 해체 순서를 밝힐 수 있고 해체 이후의 단계를 규명할 수 있으면, 분자생물학의 근간이 유전자 발현의 가장 기본적인 단계를 규명하게 된다.    

2. 연구내용 

 ○ 전사과정에서 RNA 중합효소·DNA·RNA의 전사복합체가 RNA 합성을 완료한 후 어떻게 해체되는 가를 최초로 밝히기 위해서, DNA와 RNA의 말단에 각기 다른 색의 형광물질을 부착하고 DNA를 받침유리에 고정시킨 후 RNA 중합효소로 전사반응을 진행시켜 현미경으로 단일분자 형광을 측정하였다[그림 4]. 

 ○ 빨간색 Cy5-DNA가 한 개씩 고정된 지점에 초록색 Cy3-RNA가 보이는 것이 전사가 진행 중인 복합체인데, 이들 중에서 초록색이 사라지면 Cy3-RNA가 방출되는 전사종결이 일어난 것이다.

 ○ 실험결과 전사가 종결된 복합체 대부분(최대 94%)에서 DNA 말단에 있는 Cy5의 형광이 증가하는 현상이 관찰되었다[그림 5의 순차해체 종결]. 이는 중합효소가 Cy5가 있는 DNA 말단으로 옮겨졌기 때문에 생기는 현상이다. 나머지 6%에서는 Cy5 형광이 증가하지 않았는데, 이는 RNA를 방출한 중합효소가 DNA에서 떨어진 것이다[그림 5의 동시해체 종결]. 

 ○ 또한 Cy5 형광이 증가하는 것이, 중합효소가 DNA로부터 완전히 떨어진 후 DNA 말단에 붙은 게 아니라, 중합효소가 DNA에 75초 동안 계속 붙은 채 말단으로 이동하기 때문이라는 것을 여러 실험과 분석으로 알아냈다.

 ○ DNA에서 RNA 합성의 거푸집 역할을 하는 구간은 개시위치 전사 원점原點에서부터 종결위치 전사종점終點까지의 일부분이다. 이런 구간이 두 개가 있는 DNA를 제조하여 실험한 결과, 한 구간에서 전사를 종결한 중합효소가 DNA 위에서 다른 구간으로 이동하여 전사를 재개시하는 것을 입증하였다[그림 6].

 ○ 더욱이 전사 구간이 하나인 DNA에서도 전사종점에서 끝마친 중합효소가 전사원점으로 되돌아가서 재개시하는 것도 입증하였다. 이로써 중합효소가 전사종결 후 DNA 위에서 앞뒤 양방향으로 움직인다는 것을 알 수 있다.

 ○ 이는 카이스트의 생화학·분자생물학 실험과 서울대의 생물리학 ·형광 분광학 실험 및 이론의 공동연구로서, 세균(박테리아)의 일종인 대장균의 RNA 중합효소를 가지고 수행한 것이며, 중합효소 이외 다른 단백질이 전혀 필요 없는 몇 가지 전사종결을 대상으로 연구한 것이다. 

 ○ 세균 RNA 중합효소가 종결인자 단백질과 더불어 전사종결을 하는 경우나, 사람과 같은 진핵생물이나 고균의 RNA 중합효소의 경우에는 아직 연구된 바가 없다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 유전자발현의 기본적인 기작 하나를 규명하여 국제학술지에 논문을 게재하였고 분자생물학의 학문적 발전에 기여하였다.

★연구 이야기★

이 연구를 8-9년 전에 시작하여 3년 전 은퇴하기 전에 주요 결과를 이미 얻었으나 추가로 보강 실험을 수행하느라 발표가 늦어졌다. 분자생물학의 근간인 유전자발현의 기본적인 기작 하나를 규명하게 되어 크게 보람을 느낀다. 두 연구실이 같은 연구를 하고 있다는 것을 6년 전에 알게 되었을 때 경쟁보다 협업을 선택했던 것에 서로 감사하며, 앞으로 이어질 후속 공동연구에도 기대가 매우 크다

...................(계속)

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