생명체가 유전정보를 발현하는 과정에서 RNA를 합성하는 복합체를 재사용하는 과정이 밝혀졌다. 기존에는 RNA가 완성되면 합성 복합체가 곧장 완전히 해체됐다가 다시 조립되는 것으로 추정해 왔다.

한국연구재단은 강창원 명예교수(KAIST 생명과학과)와 홍성철 교수(서울대 물리천문학부) 공동 연구팀이 유전정보(DNA)를 토대로 단백질을 합성하는 유전자 발현과정의 세부단계 하나를 새로이 규명했다고 밝혔다.

유전정보가 담긴 원본(DNA)으로부터 복사본(RNA)을 만드는 전사과정은 개시, 연장, 종결 세 단계였으나, 이번 연구를 통해 네 번째 단계, 재생(recycling) 단계가 추가됐다.

전사과정을 주도하는 RNA중합효소의 역할이 알려진 지 60여년 만에 RNA 합성이 끝나고 어떻게 다시 시작되는 지 구체적으로 알려진 것이다.

전사과정의 재생(가운데 그림)과 재개시(오른쪽 그림)의 발견. DNA(짙은 청색)의 끝에 Cy5(빨강색)와 접착제(검정색)을 붙이고, 합성되는 RNA(옅은 청색)의 끝에 Cy3(초록색)를 붙이고 RNA 중합효소(왼손)에 의한 전사반응을 진행시키면(왼쪽 그림), 전사종결로 RNA가 방출된 후 중합효소(왼손)가 DNA 위에서 양방향으로 이동하다가(가운데 그림), 전사원점을 만나 전사를 재개시한다(오른쪽 그림).

연구팀은 거푸집 역할을 하는 DNA로부터 RNA가 본떠진 이후에도 중합효소가 DNA로부터 떨어지지 않고 DNA상에서 이동하는 것을 알아냈다. 나아가 이렇게 잔류한 중합효소가 DNA상에서 자리를 옮겨 전사를 다시 시작하는 것을 알아내고 재개시(reinitiation)라고 명명했다.

중합효소는 마치 선로 위를 달리는 기차처럼 DNA 위를 이동하면서 RNA를 합성하다가 완성된 RNA를 방출한다. 기존에는 RNA 방출과 동시에 중합효소가 DNA로부터 떨어져 나온 후 다시 전사 복합체가 만들어져 전사과정을 되풀이하는 것으로 추정해왔다.

전사재개시 실험. 전사구간이 두 개인 DNA에서 촉진자1(노랑)에서 개시해 전사종점(옅은 청색)에서 종결한 중합효소가 촉진자2(노랑)에서 전사를 재개시하는 것이 관찰됐다.

이번 연구결과, 대부분의 경우 중합효소가 DNA에서 떨어지지 않고 계속 붙은 채로 이동하다가 새로 전사과정을 시작하는 것을 알아냈다.

연구팀은 우리 생명체가 복잡한 전사복합체를 해체하고 다시 조립하는 것보다 경제성을 택한 것으로 해석했다. 실제 한 유전자에서 전사를 연속해서 수행하거나 인접한 여러 유전자를 한꺼번에 전사할 때 매우 효율적일 것으로 보인다.

전사반응은 모든 세포에서 일어나는 매우 기본적인 과정으로 고등학교 생물학 교과서에서부터 나오는데 연구팀은 이번 발견으로 전사의 ‘재생’과 ‘재개시’ 단계가 추가될 것으로 기대하고 있다.

단일분자 형광분광학 실험 개요.

한편 DNA와 RNA에 형광물질을 결합시킨 후 단일분자의 형광을 추적하는 방식으로 이뤄진 이번 연구는 생물리학 분야 연구팀과의 융합연구 결과여서 더욱 의미가 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 1월 23일 게재됐다.

*논문명

Transcription reinitiation by recycling RNA polymerase that diffuses on DNA after releasing terminated RNA(전사물 RNA를 방출한 후 DNA에 붙어서 이동하며 재생하는 RNA 중합효소에 의한 전사 재개시)

*저 자

강우영(공동제1저자/서울대), 하국선 박사(공동제1저자/카이스트, 현 수원대), 엄희수 박사(서울대), 박규형(서울대), 이자일 교수(울산과기대), 홍성철 교수(공동교신저자/서울대), 강창원 명예교수(공동교신저자/카이스트)

왼쪽부터 강우영 공동제1저자, 강창원 명예교수, 하국선 박사, 홍성철 교수.

*용어설명

RNA

유전자로서 유전정보를 지닌 핵산인 DNA와 달리, 단백질 합성, 유전자 발현 조절 등 여러 생체반응과 기능에 직접 참여하는 기능성 핵산이다.

전사(transcription)

유전자 발현의 첫 과정에서 DNA의 특정 구간에 맞추어 RNA가 합성되는데, DNA 유전정보를 RNA에 그대로 옮겨 적기 때문에 전사轉寫라고 하며, RNA 중합효소가 DNA에 결합하여 그 정보를 읽고 그에 맞게 핵염(nucleotide)을 모아 RNA를 합성하면서 RNA중합효소·DNA·RNA의 복합체(complex)를 유지한다.