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핵심내용

-Cell誌 발표,“줄기세포 제어와 대사질환 치료법 개발에 새로운 실마리 찾아”-

 □ 국내 연구진이 줄기세포에서 에너지를 분배하고 세포 간 의사소통의 양과 속도를 조절하는 원리를 처음으로 규명하였다. 이것은 마이크로RNA*를 조절하여 줄기세포의 성질을 간접적으로 유지하는 것으로 알려진 단백질(LIN28, 린28)의 기존 기능과는 전혀 다른 새로운 기능을 규명한 성과여서 의미가 크다.

    * 마이크로RNA: 아주 작은 한 가닥의 RNA로, 생물체의 발생, 성장, 노화, 사멸 등 생명현상 관여

 ○ 서울대 김빛내리 교수(42세)의 주도로 조준, 장혜식 박사과정생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(국가과학자)의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 권위의 생명과학 전문지인 ‘Cell’지 온라인 속보(10월 25일자)에 발표되었다. 이로써 김빛내리 교수는 2주 만에 세계 최고 저널에 2편 연속 게재하는 쾌거를 이뤄냈다.

     (논문명: LIN28A is a Suppressor of ER-associated translation in embryonic stem cells) 

 
□ 린28 단백질은 줄기세포 치료의 핵심 기술인 유도만능줄기세포(iPS Cell) 생산에 사용되는 것으로 유명하다.

 ○ 유도만능줄기세포는 6년 전에 개발된 줄기세로로, 배아줄기세포와 비슷한 수준의 분화능력을 지니고 있으면서도 수정란이나 난자를 사용하지 않아 윤리문제에서 비교적 자유로워 `꿈의 기술'로 불린다.

 ○ 또한, 린28에 이상이 생기면 당(糖) 대사와 사춘기 시기 조절 및 간암과 난소암 등에도 영향을 미치는 것으로 알려져, 린28이 다른 유전자의 발현을 조절하는 원리를 완벽하게 알아낸다면, 줄기세포의 이해와 관련 질병 연구 및 치료에 새로운 돌파구를 마련할 것으로 기대를 모았다.

□ 김빛내리 교수 연구팀은 기존에 알려진 린28의 기능(마이크로 RNA를 조절하여 줄기세포의 성질을 간접적으로 유지) 이외에도 추가적인 기능에 대한 단서를 확인하였다.

 ○ 이를 위해, 살아있는 줄기세포에 강한 자외선을 쬐어서 단백질과 RNA를 엉겨 붙게 한 다음, 이 RNA에 담긴 정보를 분석기(차세대서열분석기)로 총 58기가베이스*를 읽어내, 린28이 붙어 조절하는 RNA 전체를 일괄적으로 조사하였다.

    * 58기가베이스(gigabase) : A4용지에 인쇄해서 쌓으면 2,028미터로, 한라산의 높이를 넘는 막대한 분량

 ○ 이 방법은 클립시크(CLIP-seq)라고 부르는데, RNA를 조절하는 단백질에 대한 대단위 연구에서 각광받고 있는 기술로, 세계적으로 10여개 연구실만이 성공한 신기술이다.

 ○ 이 기술은 전통적인 RNA결합 단백질 연구에 비해 세포에 있는 모든 린28 단백질 주변의 RNA를 한꺼번에 사진을 찍듯 볼 수 있어서, 상호작용 전체 지도를 그릴 수 있다.

 ○ 위 실험에서 김 교수팀은 린28이 조면소포체에서 일어나는 단백질 생산 전체를 조절한다는 실마리를 얻었다. 이후, 세포 전체 단백질의 생산 속도를 관찰할 수 있는 리보솜 흔적 조사법*을 활용해, 린28이 실제로 조면소포체에서 생산하는 단백질 모두를 억제한다는 사실을 밝혀냈다.

    * 리보솜 흔적 조사법(ribosome footprinting): 세포내 전체 mRNA(전령RNA)에 결합된 리보솜의 위치를 분석하여 단백질의 합성속도를 추측하는 방법

 ○ 조면소포체는 세포 안에서 막으로 싸인 소기관으로, 사람의 단백질 3만 5천종 중 약 7천종이 여기서 생산된다. 이렇게 생산된 단백질들은 △세포와 세포의 연결 △각종 물질의 분비와 수송 △세포 사이의 신호 전달 △면역 반응 등에서 핵심적인 역할을 한다.

 ○ 또한 연구팀은 린28이 배아의 초기 발달 과정에서 세포 전체의 균형을 조절한다는 사실도 규명하였다. 세포가 단백질을 생산하려면 상당량의 에너지가 필요하다. 연구팀은 린28이 조면소포체 단백질의 생산을 줄여, 이 에너지를 세포의 양적 성장에 집중시키고, 세포 간의 의사소통도 줄여서 성체 세포로 발달하는 시기를 충분히 늦추는 역할을 할 수 있을 것이라고 설명하였다.

 ○ 아울러 연구팀은 암세포의 전이에서 중요한 역할을 하는 단백질의 상당수가 조면소포체에서 생산되므로, 린28이 조면소포체 전체 단백질을 조절하여 암 전이에도 일조할 수 있을 것으로 예측하였다. 
□ 김빛내리 교수는 “줄기세포의 정상적인 발달과 당(糖) 대사 및 사춘기 시기 조절 등에 관여하는 린28 단백질의 알려지지 않은 직접적인 조절 원리를 밝혀냄으로써, 향후 줄기세포의 유도와 관련 질병의 치료 기술 개발에 새로운 실마리를 제공하였다. 또한 간암, 난소암 등 여러 종류의 암 발생과 전이에서도 자주 발견되는 린28 단백질의 이상 조절에 대처할 수 있는 새로운 치료법 개발에도 가능성을 열었다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

LIN28A is a suppressor of ER-associated translation in embryonic stem cells

Jun Cho, Hyeshik Chang, S. Chul Kwon, Baekgyu Kim, Yoosik Kim, Junho Choe, Minju Ha, Yoon Ki Kim, and Narry Kim
(Cell, Vol 151, Issue 4)

 
LIN28은 발생 과정, 당 대사와 발암 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 분자기작 수준에서 LIN28은 let-7 마이크로RNA의 신생성을 억제하고, 특정 mRNA 몇 종류의 번역을 증진하는 기능이 밝혀졌다.

이 연구에서는 LIN28의 두 paralog 중 하나인 LIN28A가 생쥐 배아 줄기세포에서 어떤 RNA를 대상으로 작용하는지 알기 위해 CLIP-seq (crosslinking immunoprecipitation-sequencing)과 리보솜 흔적 조사법 (ribosome footprinting)을 수행했다. 우리는 이 연구에서 let-7의 전구체뿐만 아니라 온전히 절단된 mRNA에도 대량으로 붙는 것을 발견했다. LIN28A는 AAGNNG, AAGNG와 비교적 적은 빈도로 UGUG를 인식하는 것으로 밝혀졌는데, 이 모티프 서열은 주로 작은 머리핀 구조의 끝 루프에 위치하였다. 또한, LIN28A이 특징적으로 조면소포체에서 번역되는 단백질에 많이 결합하여 번역을 저해하는 현상이 관찰되었는데, 여러 조사 결과 LIN28A가 예상 밖으로 조면소포체 주변에 다량 분포하고 있고, 신호인식물질(SRP)에 의해 조면소포체로 이동하여 번역되는 단백질이 아니면 LIN28A에 의해 인식되지 않는다는 사실이 밝혀졌다.

우리의 연구 결과, LIN28A는 조면소포체에서의 번역에 특이적인 번역 조절을 하고 있으며, 배아 줄기세포에서 단백질 배출 경로를 전체적인 수준에서 조절하는 의외의 기능을 갖고 있다는 사실이 제시되었다.

용   어   설   명

1. Cell지
  ○ 생물학 전 분야에서 최고 권위를 인정받는 저널로 피인용지수(Impact Factor)는 32.403로 Science지(31.201)보다 높은 편이다.

2. LIN28 단백질
  ○ 미국 톰슨(Thomson)팀에서 성체 세포에서 줄기세포를 유도할 때 사용한 4가지 유전자 중의 하나에서 만들어지는 단백질로, 줄기세포의 특성 유지에 중요한 것으로 알려져 있다. 2009년과 2010년에 김빛내리 교수 연구팀에서 LIN28가 마이크로RNA를 조절하여 세포 발달 단계를 조절한다는 것을 밝혀냈으며, 줄기세포와 발달 초기 세포들과 아주 소수의 성체 세포에 존재한다. 한편, 암으로 발달된 세포에서 과발현되는 경우가 흔해서, 암세포가 되는 과정에서 암세포의 성장을 유도하는 요인 중 하나로 받아들여지고 있다.   

3. 마이크로RNA (microRNA 혹은 miRNA)
 ○ 마이크로RNA는 21~23 뉴클레오티드 정도 길이의 아주 작은 단일가닥 RNA이다. DNA에서 RNA로 전사된 이후 여러 단계의 프로세싱 과정을 거쳐 완성되며, 단백질로 번역되지 않고 RNA상태로 세포 내에 존재한다. 마이크로RNA는 주로 다른 유전자들의 발현을 조절하는 기능을 하는데, 자신의 염기 서열과 상보적인 메신저RNA(mRNA)에 결합하여 그 메신저RNA가 단백질로 만들어지는 과정을 억제한다. 인간에는 수백종류 이상의 마이크로RNA가 존재하며 각각이 발생, 성장, 노화, 사멸 등의 생명 현상에 관여한다. 

4. 차세대서열분석기 (Next Generation Sequencer)
 ○ DNA 서열을 대량으로 분석할 수 있도록 개발된 분석기계. RNA도 분석할 수 있어서, 기존에 불가능했던 대단위 RNA 연구에서 최근 필수적으로 사용되고 있다.

5. 기가베이스 (gigabase)
 ○ 서열분석기에서 해독한 염기서열(4가지 알파벳으로 이루어진 문장)의 양을 나타내는 단위. 1기가베이스는 10억 글자에 해당하며, 대략 책 5천 권 정도의 정보에 해당한다. 인간 유전체 전체 길이는 3.13 기가베이스 정도다.  

6. 조면소포체 (rough endoplasmic reticulum)
 ○ 단백질 중 세포막이나 세포 밖, 세포소기관의 막, 핵막 등에 수송될 단백질들을 합성하는 세포내 소기관. 전체 단백질 중 대략 15~20% 정도가 조면소포체에서 합성되어 수송된다. 특히, 막 단백질과 세포 밖으로 수송되는 단백질을 합성하기 때문에, 세포 간 신호전달과 외부 환경 인식, 면역 반응에서 매우 중요한 역할을 담당한다.

7. 리보솜 흔적 조사법 (ribosome footprinting)
 ○ 세포내 전체 mRNA(전령RNA)에 결합된 리보솜 위치를 분석해서 모든 단백질의 합성 속도를 추측할 수 있는 방법으로, 차세대서열분석기를 활용한 최신 기법이다.

 
그   림   설   명

  1. 자외선을 이용한 RNA결합 단백질 연구 (CLIP-seq 기술)

     RNA결합 단백질을 연구할 때 어떤 RNA에 결합하는가는 가장 중요하고 기초적인 정보다. CLIP-seq에서는 가장 먼저 자외선을 이용하여 살아있는 세포 안에서 단백질과 대상RNA를 엉겨 붙게 (공유결합을 형성하게) 한다. 그 다음, 세포 내용물을 꺼내서 RNA를 잘게 쪼개고 연구하고 싶은 단백질 (LIN28)을 항체를 이용하여 정제한다. 이 과정을 거치면 단백질이 결합하고 있는 작은 RNA조각이 남게 되고, 그 다음 이 RNA조각을 서열분석기로 읽어낸다. 이 서열의 형태와 유전자 유래, 기능적인 특성을 통계적으로 분석하여 차후 RNA결합 단백질 연구의 실마리를 잡게 된다.