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[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

생명체가 가진 유전 정보의 암호를 해독하고, 이에 따라 생물학적 기능을 할 수 있는 분자를 생산해내는 작용을 ‘유전자 발현’이라고 한다. 유전자 발현은 생명현상에서 매우 근본적이고 필수적인 생화학 작용이다.

유전자 발현 과정은 ① DNA에 존재하는 유전 정보를 RNA로 전환하는 전사(轉寫, transcription) 단계와 ② 전사된 RNA로부터 단백질을 합성하는 번역(飜譯, translation) 단계로 구분할 수 있다. 생명체를 구성하는 일부 유전자들의 발현은 24시간 주기를 갖는 반복적인 전사와 번역 과정을 통해 이루어진다. 이런 유전자들을 ‘일주기성 유전자’라고 하는데, 이 리듬을 제어하는 분자생물학적 작용 원리를 ‘분자시계’라고 부른다.

분자시계를 구성하는 생체시계 유전자는 일주기성 유전자 발현의 특정 단계를 조절함으로써, 하루 중 일정한 시간에 잠에서 깨어나거나 성장호르몬의 분비를 촉진하는 등의 일주기성 동물행동과 생리현상을 유지시켜 준다. 최근에는 이런 일주기성 유전자 발현의 조절이 뇌질환과 관련된 신경세포의 다양한 생리학적 기능에도 매우 중요한 원리로 새롭게 주목받고 있다.

본 연구팀은 선행연구를 통해 퇴행성뇌질환과 관련된 RNA 결합 단백질인 ‘어택신-투(Ataxin-2)’가 신경세포에 작용하는 생체시계 유전자 ‘피어리어드(period)’의 번역을 활성화하고, 이를 통해 일주기성 동물 행동을 조절한다는 사실을 밝혔다. 하지만 어택신-투 단백질이 어떠한 단백질과 결합함으로써 특정한 기능을 가진 단백질 복합체를 형성하며, 이를 통해 생체리듬이나 퇴행성뇌질환 조절 등의 신경생리학적 기능을 수행하는지에 대해서는 알려진 바가 없다.

2. 연구내용

어택신-투는 신경세포에 특이적으로 작용하는 단백질이다. 본 연구팀은 어택신-투의 생체리듬 조절 기능을 이용해, 어택신-투 단백질과 결합하는 새로운 단백질의 유전정보를 가지고 있는 유전자들을 탐색했다. 각 후보 유전자의 발현을 저해하기 위해 생체시계 신경세포 내의 RNA 간섭(RNA interference)을 일으키고, 그 결과 일주기성 동물행동에 미치는 영향을 살펴본 것이다.

먼저 엘에스엠-트웰브(Lsm12) 유전자의 발현을 저해하거나, 이와 관련된 유전정보가 결손될 경우 피어리어드 단백질 합성이 줄어들었다. 그 결과 동물들이 하루를 주기로 반복하던 행동(수면 등)의 주기가 길어지는 현상이 관찰됐다.

이와는 대조적으로, 엠이써티원비(me31B) 유전자의 발현을 저해했을 때는 피어리어드 단백질이 정상적으로 발현됐다. 그러나 동물이 일주기성 행동을 지속적으로 유지하는 데 필요한 신경 펩타이드(Pigment-dispersing factor)의 일주기성 발현이 저해됐다. 그 결과 일주기성 동물행동의 지속성이 떨어지는 현상이 관찰됐다.

다양한 생화학적 분석을 진행한 결과, 엘에스엠-트웰브와 엠이써티원비 단백질은 각기 다른 단백질을 가져와 어택신-투와 결합시킴으로써 서로 다른 기능을 가진 어택신-투 단백질 복합체를 형성한다. 엘에스엠-트웰브는 트웬티-포(twenty-four) 단백질과 어택신-투 단백질을 결합시키고, 엠이써티원비는 낫원(Not1) 단백질과 어택신-투 단백질의 복합체 형성에 관여한다.

이러한 결과는 각 유전자 간의 상호작용을 통해 피어리어드 단백질에 의존적인 일주기성 동물행동 주기와, 피어리어드 단백질에 비의존적인 일주기성 동물행동의 지속성에 독립적으로 기여한다는 행동유전학적 실험 증거들에 의해 추가적으로 검증되었다.

본 연구팀은 세포 배양을 활용한 전사 후 유전자 발현 조절 실험도 진행했다. 그 결과 엘에스엠-트웰브는 트웬티-포에 의한 번역 활성화 기능에 특이적으로 필요하다는 것이 확인됐다. 반면에 어택신-투와 엠이써티원비는 낫원에 의한 전사 후 유전자 발현 저해에 특이적으로 필요한 새로운 인자로 확인됐다. 이러한 결과는 어택신-투가 결합하는 단백질과 RNA 종류에 따라 전사 후 유전자 발현에 있어 정반대의 기능을 갖는 단백질 복합체를 형성한다는 분자생물학적 증거를 보여주고 있다.

3. 기대효과

이번 연구를 통해 신경세포 특이적으로 작용하는 두 가지 다른 종류의 어택신-투 단백질 복합체와 그 기능을 밝혀냄으로써, 전사 후 유전자 발현에 의한 일주기성 생체리듬 조절의 새로운 실험적 증거를 제시하였다.

또한 어택신-투 단백질 복합체의 형성과 유전자 발현 조절에 관한 근본적 작용 원리를 최초로 규명했다. 그 작동원리가 인간을 포함한 다양한 동물 모델에서 진화적으로 잘 보존되어 있음을 증명함으로써, 해당 단백질 복합체의 분자세포생리학적 기능 연구에 매우 중요한 단서를 제공했다.

이러한 연구결과는 어택신-투 단백질 복합체가 어떤 방식으로 퇴행성뇌질환 발병에 관여할 수 있는지를 알아내는 매우 중요한 모델을 제시하고 있다. 본 연구팀은 이번 연구 수행을 통해 새롭게 확립된 어택신-투 단백질 복합체에 대한 형질전환 동물 모델을 활용하여, 어택신-투 단백질 복합체에 의한 루게릭병 발병 원리를 규명하기 위한 후속 연구를 진행 중이다.

이를 통해 루게릭병을 일으키는 위험인자와 작용 원리를 밝혀냄으로써 관련 뇌질환의 예측과 진단, 치료에 매우 중요한 기반 지식을 확립할 수 있을 것으로 전망된다.

[붙임] 용어설명

1. 몰레큘러 셀(Molecular Cell)

Cell Press에서 발행되는 생화학 및 분자생물학 분야 세계 최고 권위의 학술지(IF: 13.958, 생화학 및 분자생물학 분야 ranking: 1.38% (4/289))

2. 생체시계 유전자(Circadian Clock Gene)

생명체를 구성하는 일부 유전자들은 24시간을 주기로 작동하는 전사 및 번역 과정을 통해 단백질로 합성된다. 이러한 일주기성 유전자 발현은 일주기성 생체리듬을 제어하는 근본적인 분자생물학적 작용원리로, 분자시계(Molecular Clock)라고도 부른다. 분자시계를 구성하는 생체시계 유전자는 일주기성 유전자 발현의 특정 단계를 조절함으로써, 일주기성 생리현상과 동물행동을 유지시켜 준다.

3. 생체리듬(Biological Rhythm)

생명체는 효소-기질 반응과 같은 매우 순간적인 화학반응에서부터 월경 주기, 계절이나 노화에 따른 생리학적 변화 등과 같이 다양한 시간적 척도(Timescale)와 주기성(Rhythmicity)을 기반으로 생명현상을 유지하고 있다. 대부분의 생명체는 지구 자전에 의한 낮과 밤의 일주기적 환경 변화에 적응하기 위해 24시간 주기의 생체 리듬을 진화해왔다. 이러한 일주기성 리듬(Circadian Rhythm)은 인지 기능, 수면주기, 체온, 호르몬 분비의 일주기적 조절뿐만 아니라 개체의 다양한 생리현상 유지에 광범위하게 작용한다.

4. 단백질 복합체(Protein Complex)

생체 내 유전정보는 유전자라고 하는 기본적인 단위로 구성된다. 일반적으로 각 유전자를 이루는 DNA에 존재하는 정보는 RNA로 전환되는 전사 과정을 거쳐 단백질로 번역되면서 생물학적 기능을 수행하게 된다. 두 개 이상의 단백질이 물리적으로 결합할 경우 단백질 복합체를 형성함으로써 매우 선택적이고 특이적인 생물학적 활성을 가지게 된다.

5. 피어리어드(period)

1971년 미국 켈리포니아공과대학의 故 벤저(Benzer) 박사 연구팀에 의해 최초로 발견된 생체시계 유전자로, 형질전환 초파리의 행동유전학적 모델을 통해 발굴됐다. 피어리어드 유전자의 돌연변이를 가지고 있는 초파리는 그 돌연변이의 종류에 따라 주기가 길거나 짧은 일주기성 동물행동을 보이거나 아예 그 일주기성을 잃어버리게 된다. 초파리에서와 마찬가지로, 사람이 가지고 있는 피어리어드 유전자의 돌연변이는 일주기성 리듬장애(아침형 혹은 올빼미형의 생활 패턴)를 결정하는 중요한 유전적 요인으로 작용한다.

6. 트웬티-포(twenty-four)

2011년 임정훈 교수가 공동 제1저자로 참여한 국제공동연구팀(KAIST 생명과학과 최준호 교수/미국 노스웨스턴대학교 신경생물학과 알라다 교수)에 의해 최초로 발견된 초파리의 생체시계 유전자이다. 그전까지는 전사 조절에 의한 일주기성 유전자 발현이 분자시계의 주된 작동원리로 알려졌으나, 본 연구팀에 의해 명명된 새로운 유전자 트웬티-포의 발견으로 번역 단계에서 생체시계 유전자 피어리어드의 단백질 합성이 분자시계과 일주기성 행동리듬을 조절하는 매우 중요한 작용원리임이 밝혀졌다. 또 한트웬티-포는 생체리듬을 조절하는 생체시계 신경세포에서만 피어리어드 단백질 번역을 촉진하기 때문에, 신경세포 특이적인 분자시계의 대표적인 유전자로서 그 중요성도 부각됐다.

7. 어택신-투(Ataxin-2)

어택신-투 유전자로부터 단백질이 합성될 때에는 글루타민이라는 아미노산이 반복적으로 나타나는 부위가 만들어지게 된다. 루게릭병이나 척수소뇌실조증 환자들의 경우 어택신-투 단백질이 가지고 있는 글루타민 반복 부위의 길이가 정상인보다 훨씬 길다는 것이 밝혀지게 되면서, 관련 퇴행성뇌질환의 유전적 요인으로 어택신-투 유전자의 돌연변이가 제시되어 왔다. 어택신-투 단백질의 기능에 관해서 그전까지 명확하게 밝혀진 바가 없었으나, 2013년 임정훈 교수가 제1저자로 참여한 연구결과를 통해 어택신-투가 생체리듬 조절하는 생체시계 유전자로 작용한다는 사실이 최초로 규명되었다. 특히 트웬티-포 단백질과 결합하여 그 번역활성화를 도와주는 어택신-투 단백질의 분자생물학적 기능이 최초로 밝혀졌다.

8. 퇴행성 뇌질환(Neurodegenerative Disease)

중추신경계의 특정 신경세포가 비가역적으로 퇴화하면서 나타나는 여러 특징적인 증상을 수반하는 신경질환이다. 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병 등이 대표적인 예이다. 메이저리그 뉴욕 양키스의 유명 내야수였던 루 게릭(Lou Gehrig)에게 발병하면서 루게릭병으로도 불리게 된 근위축성 측색 경화증(ALS, Amyotrophic Lateral Sclerosis)의 경우, 운동신경세포의 기능이 손상되면서 근육쇠약과 호흡장애 등으로 대부분의 발병 환자가 수년 내에 사망한다. 영국의 유명 이론물리학자 스티븐 호킹도 현재 루게릭병과 싸우는 중이며, 확실한 발병 원인이나 효과적인 치료방법에 관해서는 알려진 바가 없다. 2014년 아이스 버킷 챌린지를 통해 루게릭병과 관련된 관심과 기부를 장려하는 사회적 운동이 전개됐다.

[붙임] 그림 설명