^*전사(Transcription): DNA를 ‘주형틀’로 쓴 RNA가 합성되는 과정. 전사나 DNA가 복제(Replication)되는 과정 모두 DNA 단일나선 위에서 발생한다. 전사나 복제 과정에서 DNA의 이중나선이 벌어진다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

모든 생명 활동은 DNA에 포함된 유전자가 RNA를 거쳐 단백질로 발현됨으로써 이루어진다. 이 과정에서 일시적으로 이중나선 DNA가 열리고, RNA가 DNA와 결합하는 구조가 형성되는데, 이를 R-loop1)이라고 한다. R-loop은 유전자 발현 조절, 면역 반응, DNA 복제 과정 등에서 중요한 역할을 하는데, 비정상적으로 형성되어 제거되지 못하고 축적되면, DNA 복제체(DNA 복제에 관여하는 단백질 복합체)와 충돌하여 복제를 멈추는 등 DNA 복제 스트레스2)와 유전체 불안정성을 야기한다. 이러한 유전체의 불안정성은 암과 같은 심각한 질병을 일으키며 노화를 촉진 시킨다. 본 연구에서는 이러한 R-loop이 어떻게 인식되고, 어떠한 과정을 통해서 제거되어 유전체의 안정성을 유지하는가를 밝혔다. 

2. 연구내용  

연구팀은 세포의 삼투압을 조절한다고 알려진 전사인자 단백질인 TonEBP3)가 유전체 이상구조인 R-loop을 인식하고, RNA 제거 효소들을 R-loop으로 유인해 비정상적으로 형성된 R-loop들의 축적 막아 유전체의 안정성을 유지한다는 것을 규명하였다. 이 단백질은 METTL3(메틸화4) 효소)와의 상호작용으로 R-loop을 형성하는 RNA의 메틸화(m6A RNA methylation)를 증가시켜 R-loop 제거를 유도하는 것으로 나타났다.

세포형광이미징 기법을 사용하여, 세포 내에서 R-loop이 형성된 곳에 TonEBP 단백질이 공존하는 것을 관찰함으로써, TonEBP와 R-loop의 연관성을 먼저 확인했다. siRNA5)(특정 단백질의 발현을 막는 RNA)를 사용하여 세포 내 TonEBP 단백질의 양을 낮추었을 때, R-loop 양이 증가했다. 이는 TonEBP가 R-loop 해소에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.

R-loop RNA에 메틸화가 진행되면서 R-loop 해소가 이뤄지는 것을 밝혔으며, 이 과정에 TonEBP가 RNA 메틸화 인자로 작용한다는 사실을 입증하였다. 보다 자세한 기작 연구를 위하여 면역정제-질량분석6)을 진행하였으며, 이를 통해TonEBP가 RNA 메틸화효소인 METTL3와 결합하여 RNA 제거 효소(RNaseH1)를 R-loop으로 유도하는 것을 확인하였다. 나아가 TonEBP 단백질과 METTL3 단백질의 상호결합이 저해되었을 때, RNaseH1이 R-loop으로의 모집되는 현상이 줄어드는 것을 관찰하였다. 결론적으로 이는 TonEBP 단백질이 METTL3 단백질과의 상호결합을 통해 R-loop의 축적 및 유전자 불안정성을 해소시킨다는 보여준다.

한편, TonEBP가 R-loop을 어떻게 감지하는가를 조사하기 위해서 단분자 이미징 기법인 DNA 커튼 기법7)을 사용했다. 이를 통해 R-loop이 형성된 DNA 위에서 정제된 TonEBP가 어떻게 움직이는가를 확인했다. TonEBP는 바로 R-loop에 결합하거나 DNA 먼저 결합한 후에 확산을 통해서 움직이다가 R-loop을 발견하는 두 가지 방식을 모두 취하였으며, 이를 통해서 R-loop을 빠르게 발견하였다.

3. 기대효과

이번 연구 결과를 토대로 TonEBP 단백질이 유전체 내에 형성된 R-loop들을 인지한 후, METTL3와의 상호작용으로 RNA 메틸화를 야기함으로써, R-loop 축적으로 인한 유전체 불안정성을 줄인다는 새로운 사실을 밝혔다. R-loop의 경우 암 발생 및 노화 기전(텔로미어-Telomere) 조절에 관여되기 때문에 항암 및 항노화 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. R-loop(R-루프)

전사 과정에서 생성되는 RNA가 DNA 이중 나선의 한 가닥과 결합하고, 다른 한 가닥은 단일 나선 형태를 보이는 DNA-RNA 복합체. 전사는 DNA 가닥을 주형틀로 해 DNA에 담긴 유전정보(단백질) 정보를 담은 RNA를 합성하는 과정이다.

2. DNA 복제 스트레스(DNA replication stress)

다양한 유해 물질 등으로 인하여 DNA 복제가 멈추는 현상. 복제 스트레스가 지속되면 유전체의 불안정성이 야기된다.

 3. TonEBP (Tonicity-responsive enhancer binding protein)

DNA 부착 단백질로 고장성(용질의 농도가 높은 상태) 스트레스에서 신장 세포를 보호하는 기능을 가진 단백질로도 알려져있다.

4. 메틸화 (Methylation)

DNA나 RNA의 특정 부위 메틸작용기(CH3)가 붙는 반응. METTL3는 RNA의 메틸화 반응을 돕는 효소다.

5.siRNA(small interfering RNA)

RNA 간섭효과를 이용하여 특정 단백질 관련 유전자의 전령 RNA(mRNA)를 감소시킨다. 전령 RNA의 감소는 해당 단백질의 감소로 이어진다.

6. 면역정제-질량분석법(Immunopurification-Mass spectrometry)

특정 단백질에 특이적으로 결합하는 항체(단백질)를 사용하여 용액에서 해당 단백질 및 결합 단백질(제 3의 단백질)을 질량분석을 통해 확인하는 기술.

7. DNA 커튼

나노기술과 형광이미징기술을 융합한 단분자 분광학 기술로, DNA를 펼쳐둔 상태에서 형광체가 결합된 단백질들이 DNA 상에서 어떻게 움직이고 상호작용하는가를 실시간으로 관찰하는 기술.

[붙임] 그림설명

그림1. (좌측) TonEBP 단백질에 의한 R-루프(R-loop) 해소 과정: (1)TonEBP가 R-loop을 인식하고, (2) METTL3를 R-loop에 모집하여 RNA를 메틸화 시키고, (3) RNA를 제거하는 RNaseH1(RNA 제거 효소)을 다시 모집하여 R-loop을 제거함. (우측) (상단)DNA 커튼 기법을 이용한 TonEBP의 R-loop 감지 경로 규명 (하단) 세포 이미징을 통한 TonEBP에 의한 R-loop 감소 확인.