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IBS, 빛으로 ‘RNA 이동과 단백질 합성 조절’ 광유전학 기술 개발

  • [대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종 기자
  • 송고시간 2020-02-21 11:06
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빛을 이용해 유전정보를 전달하는 전령RNA와 단백질을 생성하는 리보솜의 결합을 제어해 단백질 합성을 조절하는데 성공한 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단(KAIST 생명과학과 허원도 교수, 이상규 연구위원) 연구는 네이처 셀 바이올로지(Nature Cell Biology, IF 17.728)에 2월 18일 게재됐다.(출처=네이처 셀 바이올로지/제공=카이스트 허원도 교수팀)

[아시아뉴스통신=이기종 기자] 기초과학연구원(IBS)은 인지 및 사회성 연구단 허원도 초빙연구위원(카이스트 생명과학과 교수)과 이상규 연구위원 연구팀이 빛을 이용해 유전정보를 전달하는 전령RNA와 단백질을 생성하는 리보솜의 결합을 제어해 단백질 합성을 조절하는데 성공했다고 21일 밝혔다.

DNA의 유전정보는 리보핵산(RNA, Ribonucleic acid)를 거쳐 단백질로 전달된다.


리보핵산은 모든 생명체에 필수적인 생체고분자물질로, 생명 유지에 필요한 모든 유전정보를 포함하고 있다. 유전자 본체인 DNA로부터 만들어지기 때문에 DNA 유전정보의 복사본이라고 할 수 있다.
 
이 때 중간에서 유전정보를 전달하는 RNA를 ‘전령RNA’라고 하고 단백질 생성공장인 리보솜은 전령RNA의 유전정보를 읽어 단백질을 합성한다.
 
이 단백질 합성에 있어 전령RNA는 DNA 유전정보의 중간 전달자, 리보솜은 생성공장, 단백질은 완성품인 것이다.
 

이전에는 화학물질을 처리해 전령RNA를 조절하는 방법으로 모든 전령RNA를 한꺼번에 조절하기 때문에 특정 종류의 전령RNA만을 세밀하게 조절하기 어려웠다.

이번 연구에서는 이러한 제한점을 해결하기 위해 살아있는 세포에 청색광을 비춰줌으로써 세포 내 특정 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 시공간 특이적으로 조절하는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 개발했다.
 
빛을 이용해 유전정보를 전달하는 전령RNA와 단백질을 생성하는 리보솜의 결합을 제어해 단백질 합성을 조절하는데 성공한 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단(KAIST 생명과학과 허원도 교수, 이상규 연구위원) 연구는 네이처 셀 바이올로지(Nature Cell Biology, IF 17.728)에 2월 18일 게재됐다.(출처=네이처 셀 바이올로지/제공=카이스트 허원도 교수팀)

연구과정을 보면 이전 연구로 개발한 세포에 청색광을 비추면 단백질들이 복합체를 형성해 라리아트 올가미(LARIAT)를 만들어 특정 분자를 가두는 기술인 ‘라리아트 올가미(LARIAT, Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap) 기술’과 전령RNA에 형광단백질을 표지하고 현미경으로 관찰함으로써 세포 내 전령RNA 이동을 시각화하는 기술인 ‘RNA 이미징 기술’을 융합해 ‘mRNA-LARIAT 광유전학 기술’을 개발했다.
 
이 광유전학(mRNA-LARIAT) 기술을 이용하면 빛의 유무에 따라 라리아트 올가미에 전령RNA를 가두거나 분리하고 이를 실시간으로 관찰하는 것이 가능하다.
 
이후 헬라 세포(HeLa cell)에 청색광을 비춰주면 라리아트 올가미에 전령RNA가 가둬지면서 리보솜과 격리되고 단백질 합성이 감소함을 관찰했다.
 
헬라 세포는 사람의 자궁경부암 조직에서 얻어낸 세포계(cell line)이며 HeLa는 환자 이름의 약칭이다.
 
현존하는 인체에서 유래한 조직배양주 중 가장 오래 전에 분리한 것으로 세계 각지의 연구실에서 배양되며 유지되고 있고 바이러스학, 암연구, 분자생물학 등의 연구재료로 널리 사용되고 있다.

이어 청색광을 차단하면 라리아트 올가미로부터 전령RNA가 빠져나오면서 리보솜과 단백질 합성을 다시 시작함을 확인했다.
 
이는 광유전학(mRNA-LARIAT) 기술로 빛의 유무에 따라 매우 빠르고 가역적으로 단백질 합성을 조절할 수 있음을 의미한다.
 
대부분의 단백질은 전령RNA와 리보솜에 의해 합성된 후 각 단백질이 작용하는 위치로 이동하지만 전령RNA가 라리아트 올가미에 가둬지면 전령RNA가 향후 단백질이 작용하는 위치까지 이동하는 것이 멈춰지고 단백질 합성이 차단된다.
 
이와 같이 광유전학(mRNA-LARIAT) 기술을 이용해 빛으로 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 조절하면 살아있는 세포 내 RNA의 위치와 합성되는 신생단백질의 기능을 보다 효율적으로 연구할 수 있다.
 
이후 베타액틴(β-actin) 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 광유전학(mRNA-LARIAT) 기술을 적용했다.
 
베타액틴 단백질은 세포 모양 및 이동에 관여하는 대표적인 세포골격 단백질. 세포 이동 시 세포의 앞부분이나 뒷부분에서 길게 연결되거나 짧게 끊어지면서 세포의 모양을 변화시켜서 세포를 이동하게 한다.

이 연구결과에 의하면 베타액틴 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 청색광을 비추니 세포 골격 구성 및 이동 기능이 제대로 이뤄지지 않음을 관찰했고 베타액틴 단백질 합성 효율이 최대 90%까지 감소됨을 확인했다.
 
허원도 교수는 “mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 활용하면 암세포, 신경세포 등 다양한 세포 내 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 빛으로 조절할 수 있다”며 “앞으로 암세포 전이, 신경질환 등 전령 RNA 관련 질병 연구에 응용 가능할 것”이라고 말했다.
 
카이스트 생명과학과 김나연 박사가 1저자로 참여한 이 연구는 네이처 셀 바이올로지(Nature Cell Biology, IF 17.728)에 2월 18일 게재됐다.