^*미토콘드리아: 세포 안에 위치한 소기관 중 하나. 세포에 에너지를 공급하는 역할을 한다.

^*전사(transcription): DNA에 담긴 유전정보가 RNA로 전달되는 과정. RNA 중합효소는 유전정보가 담긴 RNA(단백질 설계도)를 합성한다. 합성된 RNA는 세포 내 단백질 공장인 리보솜으로 전달돼 단백질이 합성된다.

^*핵: 세포 안에 위치한 소기관 중 하나. 대부분의 유전정보는 세포핵에 보관된다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

전사 (transcription)1)는 유전자를 읽어서 RNA2)로 변환시키는 과정으로서 유전자의 발현 시점과 발현량을 조절하는 핵심 단계이다. 미토콘드리아(mitochondria)3)는 자체적인 전사 장치를 갖고 있으며, 그 전사 효율의 조절은 세포의 에너지 운영에 중요하다. 전사 효소인 RNA 중합효소(RNA polymerase)4)는 전사를 시작하고 앞으로만 가는 것이 아니라 처음으로 되돌아가거나 (abortive initiation)5), 중간에 멈춰있거나 (pausing), 거꾸로 후퇴하는 (backtracking) 등 복잡하게 옆길로 가는 (branching) 행동을 보인다. 전사의 시작 단계가 주로 전사 효율을 결정하므로 이 동적 움직임을 이해하는 것은 유전자 발현을 조절하는 원리를 이해하는 데에 있어서 중요하다.

2. 연구내용  

연구팀은 single molecule Förster resonance energy transfer라는 단일 분자 측정 기술을 이용하여 미토콘드리아 RNA 중합효소를 관찰하여 전사 시작 단계에서의 움직임을 핵산 한 걸음마다 관측하였다. 매 걸음에서 DNA와 RNA 중합효소의 복합체가 전사를 계속하기 위해서 찌그러져 있는 (scrunched) 상태에 가만히 있지 않고, 열린 (open) 상태 (DNA 이중 나선 구조가 풀린 상태), 닫힌 (closed) 상태 사이를 동적으로 오가는 것이 관찰되었다. 열린 상태와 닫힌 상태를 가역적으로 오가는 것은 전사복합체가 초기에는 구조적으로 안정하지 않음을 뜻한다. 찌그러진 상태에서 초기의 닫힌 상태로 되돌아가는 것은 미성숙 개시(abortive initiation)를 의미한다.

흥미로운 발견은 RNA 중합효소가 때로는 미성숙 개시단계로 돌아가는 대신 또다른 상태에 들어가서 비활성화된 채로 머문 후에 다시 나와서 전사를 계속할 수 있다는 것이다. 단일 분자 수준의 증거들과 구조 분석으로부터 이 상태로 잠시 들어가는 것은 RNA 중합효소가 몇 걸음 거꾸로 물러서는 백트래킹(backtracking)6) 행동을 하는 것으로 볼 수 있다. 미토콘드리아 전사에는 원래 백트래킹이 없는 것으로 받아들여졌는데, 그것이 가능함을 처음으로 보인 것이다.

아직까지 미토콘드리아에는 백트래킹에 의해 빠져나온 RNA 꼬리를 자르는 효소가 발견되지 않았는데, 본 연구로부터 그런 효소가 존재할 가능성이 제기됐다. 이는 미토콘드리아의 유전자 발현 조절에 대한 새로운 발견으로 이어질 수 있다. 꼬리 자르는 효소는 RNA 중합효소가 지나간 자리에 이미 합성된 RNA를 제거하는 역할을 한다. 이 효소가 존재해야 뒤로 돌아갔던 RNA 중합효소가 다시 전진하면서 RNA 가닥을 만들 수 있다.

또 바이러스의 한 종류인 박테리오파지는 미토콘드리아와 전사 시스템에서 유사성을 갖는데, 이번 연구에서 그 차이점이 드러났다. 미토콘드리아 전사 과정에서는 정확히 여덟 번째 핵산 위치에서 비가역적으로 연장 (elongation) 단계로 접어들어 안정적인 복합체로서 전사를 계속해 나가게 된다. 반면 이전에 연구되었던 박테리오파지의 전사에서는 연장 단계로의 전환이 여러 핵산 위치에 걸쳐 불분명하게 일어난다. 박테리오파지 시스템에 비해 미토콘드리아에서 연장 단계로의 전환이 명확한 위치에서 일어났는데, 이는 미토콘드리아에만 존재하는 전사 개시 인자(transcription initiation factor)들의 역할과 작동 원리에 관한 실마리를 제공한다.

3. 기대효과

전사 과정의 동역학을 이해하는 것은 유전자 발현의 조절을 이해하는 열쇠로서 거의 모든 생명 현상으로 광범위하게 연관된다. 특히 미토콘드리아에서 벌어지는 전사는 세포가 에너지 대사를 조절하는 핵심 원리이다. 이번 연구에서는 단일 분자 수준의 측정 기법으로 다른 분자생물학 기법으로 발견하기 어려운 전사 초기의 가역적인 반응 단계들, 곁가지 반응 등을 찾아낼 수 있었다. 전사 시작 단계를 자세하게 관측한 이번 연구는 앞으로 유전자 발현의 조절 원리를 밝히는 연구의 기초 자료로 쓰일 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 전사 (Transcription)

DNA 형태의 유전자를 읽어서 RNA(messenger RNA, mRNA)로 변환시키는 과정. 이 RNA에 담긴 정보는 리보솜에 의해 읽혀서 각 유전자에 해당하는 단백질을 합성한다. 전사는 크게 개시(initiation), 신장(elongation), 종결(termination)로 구성된다. 이번 연구에서는 전사의 개시단계와 초기 신장 단계에서 RNA 중합효소의 움직임을 분석했다.

2. RNA (Ribonucleic acid)

염기와 리보오스(5탄당)와 인산기가 결합된 분자인 뉴클리오펩타이드가 여러개 합쳐진 중합체(폴리머). DNA에 저장된 단백질 합성 정보 번역에 참여하는 mRNA와 기타 RNA(rRNA, tRNA, miRNA, lncRNA) 로 구분된다.

3. 미토콘드리아 (Mitochondria)

세포소기관의 하나로 세포호흡에 관여한다. 세포 속에는 유전정보(DNA)가 저장된 핵과 미토콘드리아, 리보솜 등의 세포소기관이 있다. 전사는 주로 핵에서 일어나지만, 미토콘드리아 자체적으로 RNA 중합효소, 전사개시인자(transcription initiation factor) 등의 전사 장치를 갖고 있다. 이 장치는 주인이 되는 진핵세포(host cell)보다 박테리오파지, 박테리아 등과 유전적, 기능적으로 닮아 있다.

4. RNA 중합효소 (RNA polymerase)

전사 과정을 주관하여 RNA 사슬의 합성을 담당하는 효소.

5. 미성숙 개시 (Abortive initiation)

전사의 시작 단계에서 돌연 전사를 멈추고 시작점으로 돌아가는 현상. 즉, 전사가 한 번에 성공하지 않고 다수의 abortive initiation을 거친 후에 비로소 시작 단계를 넘어 연장 (elongation) 단계로 가는 것이고, 따라서 initiation 단계에서 다양한 조절 경로가 생길 수 있다.

6. 백트래킹 (Backtracking)

전사효소가 RNA를 합성하던 중 일시적으로 후퇴하는 현상. 자발적으로 혹은 후퇴하면서 빠져나온 RNA 꼬리를 자르는 효소의 도움으로 다시 전진하게 되고, 이 과정이 전사 효율을 조절하는 매커니즘으로 작용할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 단일 분자 실험으로부터 발견한 미토콘드리아 전사 초기의 곁가지(branching) 반응 단계와 반응 속도. RNA 가닥이 본격적으로 길어는 지는 신장 단계 전에 미성숙 개시와 백트래킹을 확인 할 수 있다. (IC: 개시단계 복합체 EC: 신장단계 복합체).

그림2. 단일 분자 관측을 통한 전사 과정 규명. 전사효소가 붙는 DNA에 형광 표지자를 달고 단일 분자를 관측하여 전사 초기 과정의 움직임을 밝힐 수 있다. DNA 위에서의 걸음에 따라 그 움직임이 변화하는 과정을 확률 분포로 보여주고 있다.