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연구성과
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RNA 합성의 재생단계 최초 규명 |
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핵심내용 RNA 합성의 재생단계 최초 규명
RNA 합성 끝낸 복합체 해체하지 않고 재사용하여 새로운 합성 개시
□ 생명체가 유전정보를 발현하는 과정에서 RNA를 합성하는 복합체를 재사용하는 과정이 밝혀졌다. 기존에는 RNA가 완성되면 합성 복합체가 곧장 완전히 해체되었다가 다시 조립되는 것으로 추정해 왔다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 강창원 명예교수(KAIST 생명과학과)와 홍성철 교수(서울대학교 물리천문학부) 공동 연구팀이 유전정보(DNA)를 토대로 단백질을 합성하는 유전자 발현과정의 세부단계 하나를 새로이 규명했다고 밝혔다.
□ 유전정보가 담긴 원본(DNA)으로부터 복사본(RNA)을 만드는 전사과정은 개시開始, 연장延長, 종결終結 세 단계였으나, 이번 연구를 통해 네 번째 단계, 재생再生(recycling) 단계가 새로이 추가되었다.
○ 전사과정을 주도하는 RNA중합효소의 역할이 알려진 지 60여년 만에 RNA 합성이 끝나고 어떻게 다시 시작되는 지 구체적으로 알려진 것이다.
* RNA : 유전자로서 유전정보를 지닌 핵산인 DNA와 달리, RNA는 단백질 합성, 유전자 발현 조절 등 여러 생체반응과 기능에 직접 참여하는 기능성 핵산이다.
* 전사(transcription) : 유전자 발현의 첫 과정에서 DNA의 특정 구간에 맞추어 RNA가 합성되는데, DNA 유전정보를 RNA에 그대로 옮겨 적기 때문에 전사轉寫라고 하며, RNA 중합효소가 DNA에 결합하여 그 정보를 읽고 그에 맞게 핵염(nucleotide)을 모아 RNA를 합성하면서 RNA중합효소·DNA·RNA의 복합체(complex)를 유지한다.
□ 연구팀은 거푸집 역할을 하는 DNA로부터 RNA가 본떠진 이후에도 중합효소가 DNA로부터 떨어지지 않고 DNA상에서 이동하는 것을 알아냈다.
○ 나아가 이렇게 잔류한 중합효소가 DNA상에서 자리를 옮겨 전사를 다시 시작하는 것을 알아내고 재개시再開始(reinitiation)라고 명명하였다.
□ 중합효소는 마치 선로 위를 달리는 기차처럼 DNA 위를 이동하면서 RNA를 합성하다가 완성된 RNA를 방출한다.
○ 기존에는 RNA 방출과 동시에 중합효소가 DNA로부터 떨어져 나온 후 다시 전사 복합체가 만들어져 전사과정을 되풀이하는 것으로 추정해왔다.
○ 하지만 이번 연구결과, 대부분의 경우 중합효소가 DNA에서 떨어지지 않고 계속 붙은 채로 이동하다가 새로 전사과정을 시작하는 것을 알아냈다.
□ 연구팀은 우리 생명체가 복잡한 전사복합체를 해체하고 다시 조립하는 것보다 경제성을 택한 것으로 해석했다. 실제 한 유전자에서 전사를 연속해서 수행하거나 인접한 여러 유전자를 한꺼번에 전사할 때 매우 효율적일 것으로 보인다.
○ 전사반응은 모든 세포에서 일어나는 매우 기본적인 과정으로 고등학교 생물학 교과서에서부터 나오는데 연구팀은 이번 발견으로 전사의 <재생>과 <재개시> 단계가 추가될 것으로 기대하고 있다.
□ 한편 DNA와 RNA에 형광물질을 결합시킨 후 단일분자의 형광을 추적하는 방식으로 이뤄진 이번 연구는 생물리학 분야 연구팀과의 융합연구 결과여서 더욱 의미가 있다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 1월 23일 게재되었다.
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상세내용 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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