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< 사진 1. 화학과 강진영 교수 >

세포가 어떤 유전자를 얼마나 발현하느냐에 따라 그 세포의 모양, 기능, 수명 등이 결정되므로 유전정보를 처음으로 발현하는 RNA 합성효소의 활성은 세포 내에서 매우 중요하게, 또 정교하게 조절된다. 그러나 이러한 유전자 전사(transcription) 조절의 중요성에도 불구하고 RNA 합성효소가 이러한 단백질과 RNA들에 의해서 어떻게 조절되는지 분자적인 수준에서는 잘 알려져 있지 않았다.

☞ 유전자 전사: DNA의 유전정보가 RNA에 옮겨지는 과정을 말한다. 유전정보의 복사물인 RNA는 단백질 합성에 사용된다. 

우리 대학 화학과 강진영 교수 연구팀이 RNA를 통한 RNA 합성효소의 조절 메커니즘을 알아내고자 RNA 합성효소와 RNA 합성효소를 조절하는 바이러스 유래 RNA인 ＊HK022 putRNA의 결합 구조를 초저온 전자현미경(cryo-EM)으로 규명하여 유전자 전사조절의 기초 원리를 규명했다고 7일 밝혔다.

＊HK022 putRNA:　HK022 박테리오파지(박테리아를 감염시키는 바이러스)의 RNA로 다른 단백질의 도움 없이 해당 RNA를 만든 RNA 중합효소와 결합해 RNA 합성이 계속 되도록 RNA 중합효소를 조절 

화학과 황승하 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)'에 지난 8월 15일 출판되었다. (논문명: Structural basis of transcriptional regulation by a nascent RNA element, HK022 putRNA). 

HK022 putRNA는 RNA 합성효소와 결합해서 RNA 합성이 멈추지 않고 계속 되도록 도와주는 역할을 한다. 이러한 기능을 이해하기 위해서 본 연구팀은 putRNA와 RNA 합성효소의 결합 복합체(put-associated RNA polymerase elongation complex, putEC)의 세 가지 구조를 초저온 전자현미경으로 규명하였다. 

이 연구에서는 활성을 가진 putRNA를 제작하기 위해 장애물 단백질을 RNA 합성에 활용하는 방법을 고안하였으며, 초저온 전자현미경 촬영 결과 예상하지 못했던 세 종류의 복합체 – putRNA가 잘 접혀서 RNA 합성효소와 결합하고 있는 putEC, put RNA가 접히지 않은 put-없는 EC, 잘 접힌 putRNA와 시그마 단백질이 함께 RNA 합성효소와 결합하고 있는 시그마* 결합-putEC – 를 발견할 수 있었다. (그림 1)

＊시그마: RNA 합성효소가 유전자 RNA 합성을 처음 시작할 때 필요한 단백질로 RNA 합성이 어느 정도 안정화되면 RNA 합성효소에서 떨어진다.

< 그림 1. 바이러스 유래 RNA, HK022 putRNA와 대장균 RNA중합효소가 결합한 복합체의 초저온 전자현미경 구조. 왼쪽부터 putEC, put-없는 EC, 시그마-결합 putEC >

연구팀은 이들 복합체의 구조를 통해 putRNA가 이전 연구에서 예측된 대로 RNA 합성효소와 안정적으로 결합하고 있지만 예측과 달리 예상보다 더 많은 염기쌍(base pair)을 사용해 RNA 이중나선(double helix) 뿐 아니라 삼중나선(triple helix)을 형성하는 것을 확인하였다. 또한, putRNA가 RNA 합성효소와 결합하면 RNA 합성효소가 RNA 합성을 잠시 멈출 때 가지는 구조의 변화를 방해해서 RNA 합성을 지속하도록 한다는 가설을 제시할 수 있었다. 

한편, 시그마 단백질(σ70)은 RNA 합성효소가 전사를 시작할 때 필요한 전사 개시인자로, RNA 합성이 안정되면 RNA 합성효소에서 떨어졌다가 특정 DNA 서열(–10-유사 서열)이 있으면 전사 과정 중이라도 다시 RNA 중합효소와 결합해 RNA 합성을 일시적으로 멈추는 것으로 알려져 있다. 이번 연구에서는 예상치 못하게 관찰된 시그마 결합-putEC 구조를 통해 시그마가 RNA 합성효소와 결합하여 RNA 합성이 잠깐 멈추면 putRNA가 더 잘 접힌다는 것을 알 수 있었다.

< 그림 2. putEC의 제작 과정. RNA합 성에 필요한 프로모터와 putRNA 서열, LacI 단백질이 결합하는 lacO 서열을 포함하는 DNA 스캐폴드에 RNA중합효소와 시그마 인자, LacI를 첨가한 후 rNTP를 넣어 putRNA- RNA중합효소 복합체(putEC)를 제작한다. 이후 남은 rNTP를 제거하고 IPTG를 첨가하여 LacI를 DNA에서 제거한 후 이를 초저온 전자현미경 분석에 사용하였다. >

이 연구의 교신저자인 강진영 교수는 "RNA 합성효소는 세포 내에 저장된 유전 정보를 처음으로 꺼내어 생명활동에 활용하는, 세포 내에서 제일 중요한 단백질 중 하나이다. 그러나 RNA 합성효소의 큰 크기와 다양한 구조 변화 때문에 이전에 주로 활용하던 X-ray 결정학 방식으로는 그 구조를 관찰하기가 어려웠다. 최근 초저온 전자현미경의 발달로 이제야 조금씩 RNA 합성효소의 작동 원리가 알려지고 있는 상황이다. 이번 연구는 이전에 잘 알려지지 않았던, RNA를 통한 전사 조절의 기초적인 원리를 설명한 것으로, RNA를 통한 RNA 합성효소 조절의 다양한 전략을 밝혀줄 시작점이며, 더 나아가 유전자 발현을 조작할 수 있는 RNA의 개발을 도울 수 있는 정보를 제공할 것이라 기대한다.ˮ고 밝혔다.

< 그림 3. putRNA의 구조 비교. (왼쪽) 이전에 계산을 통해 예측된 구조 (King et al., 1996), (오른쪽) 초저온전자현미경으로 규명된 구조. >

< 그림 4. 여러 대장균 RNA중합효소 연장복합체의 ‘회전’ 비교. 비정지 (회색), putEC (파란색), put-less EC (빨간색), 백트랙 정지 (노란색), his 헤어핀 정지 (분홍색) 상태의 RNA중합효소 구조들을 효소 중심 부분을 기준으로 겹친 후 회전하는 모듈의 회전 각도를 측정하였다. (왼쪽) 중첩된 RNA중합효소 구조들의 정면 모습. (오른쪽) 중첩된 RNA중합효소 중 회전 모듈만 표시한 그림. 위에서 본 모습. 측정한 회전 각도가 화살표 옆에 적혀 있다. >

< 그림 5. HK022 putRNA의 작동 원리. 숙주의 RNA중합효소는 HK022 유전체의 프로모터 부분을 인식하여 putRNA를 합성하기 시작한다. 이때 putRNA가 만들어 지면 RNA중합효소와 결합하여 전사의 중지와 종결을 방해하여 HK022 파지의 유전자를 효율적으로 합성하게 된다. 이 때, putRNA 서열 내부에 있는 –10-유사서열에 시그마 인자가 결합하면 putRNA가 더 잘 접히게 된다. 반면, putRNA가 잘 만들어지지 않으면 이후 전사 종결서열에서 RNA합성이 멈추고 HK022 유전체의 발현이 저해된다. >

한편 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야기초연구사업(우수신진연구)과 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.