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긴 비암호화 RNA의 세포 내 합성 및 기능의 특징
긴 비암호화 RNA의 세포 내 합성 및 기능의 특징 저자 김재환 (관동대학교)
등록일 2017.07.20
자료번호 BRIC VIEW 2017-R20
조회 1102  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
긴 비암호화 RNA (long non-coding RNA, lncRNAs)는 단순히 단백질을 암호화하지 않는 mRNA와 유사한 형태의 전사체 또는 전사과정에서 생산되는 부산물 정도로 인식되었으나, 최근 연구를 통해 전사 후 과정이나 후생유전학적 조절기전에 관여하는 등 mRNA와 구별되는 다양한 특징이 밝혀지고 있다. 그리고 이러한 기초생물학적 연구결과는 다양한 질병의 원인을 이해하고 치료법을 개발하는데 적용될 수 있을 것이다. 본 보고에서는 lncRNA의 분자생물학적 특징에 대해 자세히 기술하고 생물학적 기능에 어떻게 영향을 미치는지 논의해 보고자 한다.
키워드: 긴 비암호화 RNA (long non-coding RNA), 전사체(transcript), 전사 후 조절(post-transcriptional regulation), 단백질 암호화 유전자(protein coding gene)
분야: Genetics
본 자료는 Unique features of long non-coding RNA biogenesis and function. Nature Reviews Genetics, 17 (1), pp. 47-62.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. lncRNAs의 정의
3. lncRNA의 전사조절기능
 3.1 lncRNA 발현의 예외적 세포 유형 및 세포 상태 특이성
 3.2 염색질이 lncRNA 발현에 미치는 영향
 3.3 분지전사(Divergent transcription)
4. lncRNAs의 전사 후 조절
 4.1 RNase P에 의한 유전자의 3’ 말단 변형
 4.2 lncRNA 가공의 특별한 예
5. lncRNAs의 세포 내 위치
 5.1 핵 vs 세포질 논쟁
 5.2 리보좀과 lncRNAs의 상관관계
6. lncRNA의 분해
 6.1 Cryptic unstable transcripts
 6.2 Nonsense‐mediated decay (NMD)
7. Cis-조절에 따른 lncRNAs
순환
 7.1 Enhancer RNAs와 염색체 고리화
 7.2 각인된 유전자좌에서 lncRNAs의 역할
 7.3 lncRNAs에 의한 유전자량 보상
 7.4 antisense lncRNA 전사에 의한 유전자 발현 억제
 7.5 lncRNAs의 자가조절 기능
8. 마치며


1. 서론

대부분의 게놈 서열은 다양한 단백질 암호화 RNA (messenger RNA, mRNA)와 긴 비암호화 RNA (long non-coding RNA, lncRNAs)로 전사되기 때문에 세포 내 전사체 구성은 우리가 상상했던 것보다 훨씬 복잡하다. 게놈과 전사체 전체를 놓고 볼 때, lncRNAs는 큰 비중을 차지하고 또한 모든 생명유지과정에서 확인되고 있어 생명현상의 복잡성은 단백질 암호화 RNA보다는 lncRNA의 기능과 더 밀접한 연관성을 가질 것으로 보고 있다.

비록 lncRNA의 기능적 역할과 작용기전은 잘 알려지지 않았으나 몇몇 연구를 통해 효소활성, 세포의 분화, 유전자 돌연변이 등에 영향을 미치는 것으로 확인되고 있다. 이러한 정보를 바탕으로 lncRNA는 크게 세 가지 범주로 분류될 수 있다: 다른 유전자의 전사과정에서 비특이적으로 동반되는 lncRNA의 발현(transcriptional noise), lncRNA의 전사가 일어나지만 전사물 자체는 생물학적 기능을 하지 않는 경우, cis 또는 trans로써 생물학적으로 조절기능을 갖는 lncRNA이 그것이다. 이번 리뷰에서는 포유류의 lncRNA가 일반적인 단백질 암호화 RNA와 기능적으로 어떤 차이를 갖는지 그 특징에 대해 집중적으로 논의해 보고자 한다.

2. lncRNAs의 정의

앞서 소개한 바와 같이 lncRNA는 단백질을 암호화하지 않는 긴 전사체임은 분명하나 이를 정의하는 것은 단순하지 않다. 먼저 길이는 200 이상의 뉴클레오타이드를 갖는 것으로 정의하지만, 이 길이는 절대적 기준이 아니며, 일반적인 짧은 비암호화 RNA(예를 들어 tRNAs, microRNAs, small nucleolar RNAs 등)와 구분하기 위한 상대적 기준이다. 또한 일부 lncRNA는 단백질 암호화 유전자와 유사한 ORF를 포함할 수 있기 때문에 형태적, 기능적 특징에 따라 lncRNA를 정의하여야 한다.

lncRNA의 합성 및 유전적 구성 또한 일반적인 mRNA와 동일하며 다만, lncRNA는 mRNA에 비해 일반적으로 더 짧은 전사체 길이, 더 길지만 적은 양의 엑손, 상대적으로 낮은 합성비율, 세포 내 안정성이 낮은 경향을 보인다.

3. lncRNA의 전사조절기능

3.1 lncRNA 발현의 예외적 세포 유형 및 세포 상태 특이성

몇몇 연구에 의하면 lncRNA의 발현에는 특징이 존재함을 알 수 있는데, mRNA에 비해 특정 세포나 조직, 질환에 따른 발현 특성을 보인다. 또한, lncRNA 발현 양상은 mRNA 발현(cis와 trans) 양상과 상관 관계가 있음이 알려져 있다. 이는 특정 lncRNA의 경우 일반적인 유전체(혹은 단백체)발현과 함께 동시에 조절될 수 있음을 시사한다. 그리고 lncRNA의 프로모터가 인간과 마우스에서 진화적으로 보존되어 있음이 알려져 있어 세포의 상태를 결정하는 중요한 역할을 할 것으로 여겨지고 있다. 그러나 한편으로는 세포(혹은 조직) 특이적인 단백질 암호화 전사체의 발현에 따른 생리적 부산물로써 lncRNA가 발현되는 것으로 인식되기도 한다. 이러한 다양성에도 불구하고 lncRNA의 발현 프로파일은 특정 세포 상태 또는 기능을 정의하는 기준이 될 수 있으며, 종양이나 T 세포의 분화, 질병 분류에 대한 중요한 유전적 지표가 될 수 있다.

3.2 염색질이 lncRNA 발현에 미치는 영향

lncRNA 발현은 단백질 암호화 유전자와 동일한 규칙을 따르는 것으로 보이나 최근 연구를 통해 특정 전사인자 및 관련 효소가 관여하는 것으로 밝혀졌다(그림 1a). miRNA 생성에 중요한 Dicer1 유전자가 결손된 생쥐의 배아줄기세포는 lncRNA 발현이 mRNA에 비해 상대적으로 줄어들며, 이 과정에서 MYC의 역할이 중요한 것으로 확인되었다(그림 1c). 또한 효모를 이용한 연구에서, 염색체 리모델링 복합체(Swr1, Isw2, Rsc, Ino80)가 lncRNA 전사체 발현 억제자로써 기능한다는 것이 밝혀졌고, 이들 염색체 리모델링 복합체의 기능억제는 antisense lncRNAs의 탈억제 효과를 가져와 결과적으로 mRNA의 발현 억제로 이어졌다. 즉, 이들 리모델링 복합체는 분지전사물(divergent transcripts) 및 불안정한 잠재전사물(cryptic unstable transcripts, CUTs)의 발현을 억제할 수 있으며 이로 인하여 cis 상태에서의 sense-strand mRNA 정상적인 발현이 더욱 증가될 수 있는 것이다.

3.3 분지전사(Divergent transcription)

대부분의 진핵세포 프로모터는 양방향성이므로 sense(mRNA) 방향 및 upstream, antisense (uaRNA) 방향으로 전사물이 만들어진다. 따라서 mRNA가 많이 발현될수록 uaRNA 발현량 역시 증가하나, 대부분의 경우 전사물의 신장(transcriptional elongation)은 주로 sense 방향에서 일어나게 된다.

최근 연구에 따르면, 프로모터로부터 sense와 antisense 양방향으로 나타나는 폴리아데닐화 그리고 스플라이싱 신호 서열의 비대칭적 분포가 mRNA-uaRNA의 신장과 안정성에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 특히, 폴리아데닐화 신호(polyadenylation signal, PAS)는 주변 antisense 방향으로 집중되는 반면, U1 snRNP 스플라이싱 신호는 인접한 sense 방향으로 농축되어, 양방향 전사에 있어 U1-PAS 축이 결정된다(그림 1d). 이러한 편향(비 대칭적 전사)은 antisense 전사물의 조기/효율적인 종결 및 폴리아데닐화를 일으키며 다른 한편으로는 sense 전사물의 효과적인 스플라이싱 및 신장을 유도하게 되는 것이다.

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그림 1. mRNAs 와 lncRNAs 생성과 분해과정의 비교



또한 효모를 이용한 실험에서 분지전사물의 발현 및 안정성을 결정하는 조절인자가 확인되었는데, 분지전사물의 발현은 chromatin assembly factor complex (CAF-1)에 의해 억제되었고 반대로 nucleosome-recycling-dependent manner를 통해 H3K56ac 및 염색질 재구성 단백질(SWI/SNF)에 의해 증가되었다(그림 1b). 즉, 이러한 일련의 기전을 통해 결국 mRNA의 발현이 조절될 수 있는 것이다.

4. lncRNAs의 전사 후 조절

발현 초기의 RNA 전사체는 5'- 캡핑, 스플라이싱, 폴리아데닐화 및 화학적 염기 변형과 같은 가공과정을 거치면서 성숙되는데, lncRNAs의 경우 생성 과정에서 일반적인 RNA와 구별되는 특징을 나타낸다. 몇 가지 예를 통해 이를 설명하면 다음과 같다.

4.1 RNase P에 의한 유전자의 3’ 말단 변형

tRNA는 RNase P 리보 핵산 복합체(촉매 ncRNA가 자체적으로 포함되어 있음)에 의해 pre-tRNA로부터 만들어진다. 단, 히스톤을 코딩하는 mRNA는 poly(A) tail 대신 3’ 비 번역부위(untranslated region, UTR)에 의해 만들어지는 stem-loop가 형성된다. 일부 lncRNAs 역시 RNase P에 의해 잘려지게 되는데 metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1 (MALAT1) 그리고 nuclear enriched abundant transcript 1 (NEAT1)이 이에 해당한다(그림 2a, b). MALAT1과 NEAT1은 모두 유방암 세포의 핵 내에 형성되는 nuclear speckles에 풍부하게 존재하는 RNA로 RNase P에 의해 가공되어 성숙한 lncRNA 전사체로 만들어진다(그림 2a, b).

RNase P에 의한 유전자 절단 후 MALAT1-associated small cytoplasmic RNAs (mascRNAs)은 세포질로 이동하게 되어 기능하게 되고, MALAT1의 3’ 말단에 형성되는 U–A•U RNA 삼중나선은 전사체의 안정성을 증가시켜 alternative splicing의 기능을 돕는다. NEAT1의 경우 MALAT1의 성숙과정과 유사하나, mascRNA와 달리 불안정한 부산물(tRNA-like RNA)이 생성된다. 성숙된 NEAT1 역시 생물학적 기능에 관여하게 되는데, paraspeckle 형성에 중요하며, neat1가 결손된 마우스에서 수유 및 임신장애가 확인되기도 하였다.

이와 같은 RNase P에 의한 lncRNAs의 3’ 말단 삼중나선 형성은 비단 포유동물에서만 관찰되는 것이 아니며 카포시 육종 관련 포진 바이러스(Kaposi’s sarcoma-associated herpes virus, KSHV)로부터 발현되는 바이러스성 lncRNAs에서도 이와 유사한 3’ 말단 변형이 확인되었다. 즉, 이러한 유전자 구조는 종과 관계없이 RNA의 안정화에 널리 사용될 수 있음을 시사한다.

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그림 2. 특정 lncRNAs의 전사 후 가공



4.2 lncRNA 가공의 특별한 예

또 다른 형태의 lncRNA인 circular RNAs (circRNAs)는 앞서 설명된 선형 lncRNA와 다른 3’ 그리고 5’ 말단부 가공 과정을 거친다. 일부 circRNAs는 ‘back-splicing’이라고 불리는 인트론 서열의 비연속적 스플라이싱에 의해 형성된다(그림 2c). 이러한 circRNA는 internal ribosome entry sites (IRESs)를 포함하기도 하지만 단백질로 번역될 수 없다고 알려져 있다. 일부 circRNA의 경우 miRNA 결합부위를 가지기도 하는데 이는 주변 miRNA를 흡수하여 기능을 억제하는 작용을 하기도 한다.

전형적인 인트론 스플라이싱 후 다른 종류의 circRNA가 형성되기도 하는데, 원형 intronic long non-coding RNAs (ciRNAs)이 그것이다. 일반적으로 스플라이싱 과정에서 생성되는 lariat loop는 불안정하여 쉽게 분해되는데 ciRNAs는 안정성을 유지할 수 있다(그림 2d). ciRNAs 역시 전사부위 간섭을 통해 유전자의 발현을 조절할 수 있다.

또 다른 형태로 small nucleolar lncRNA (sno-lncRNAs)가 있다. 두 개의 연속적인 snoRNAs가 하나의 인트론 내에 존재하고 lncRNA가 이들 사이에 포함되어 있으면 5ʹ-cap 또는 poly(A)-tail이 없는 하나의 sno-lncRNA가 만들어진다(그림2 e). 추가적으로 대부분의 miRNA는 단백질을 코딩하는 액손 부위 또는 ncRNA 유전자 내에 존재하지만 일부는 lncRNA 엑손에서 파생되기도 한다. 이 경우 일반적인 폴리아데닐화 경로를 통한 가공 과정을 거치지 않고 대신 miRNA를 생성하는 단백질 복합체인 ‘Microprocessor’에 의해 만들어지는데, 생성된 lnc-pri-miRNA는 Microprocessor 복합체에 의해 절단되고 이 과정에서 불안정한 non-polyadenylated lncRNAs와 miRNAs가 만들어진다(그림 2f).

5. lncRNAs의 세포 내 위치

5.1 핵 vs 세포질 논쟁

mRNA와 비교해 볼 때, lncRNA는 세포질에 비해 핵에 더 많이 존재하며, 전체 크로마틴 분획의 17%를 차지한다(mRNA의 경우 15%). 이는 lncRNA가 후성유전적 조절에 관여한다는 이론과 일맥상통한다. 그러나 전체 분획 중 lncRNA가 차지하는 비율과 절대량에 대한 해석이 중요한데, lncRNA의 비율이 mRNA보다 핵 내에 더욱 편향되어 있다는 것에도 불구하고 절대량의 기준으로 볼 때 더 많은 lncRNA가 핵보다 세포질에 존재한다. 따라서 특정 lncRNA가 핵 안에 풍부한 반면, 대부분의 lncRNA(및 일반적으로 RNA)는 세포질에 더 풍부하다. 그러나 lncRNA의 세포 내 위치에 대한 설명은 아직 논란의 여지가 많은 것이 사실이다. 분명한 것은 mRNA의 경우 단백질의 생산과 같은 분명한 목적에 따라 세포질에 더 많이 존재한다는 것 그리고 lncRNA는 어디에든 존재한다는 것이다.

5.2 리보좀과 lncRNAs의 상관관계

리보좀과 결합하는 단백질 암호화 전사체를 찾기 위해 마우스의 배아줄기 세포를 이용하여 확인한 결과, 놀랍게도 상당수의 lncRNA가 리보좀과 결합할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 이 결과는 lncRNA가 번역될 수 있다는 의혹을 불러일으켰고, 추가적인 연구를 통해 이들 lncRNA의 상당수는 ORF(open reading frame)를 포함한다는 것이 확인되었다. 그러나 실제로 lncRNA로부터 단백질이 만들어진다는 것은 불분명했고 또 많은 ncRNA들이 리보좀과 결합되어 전사과정을 조절한다는 사실을 감안해 볼 때 lncRNA과 리보좀의 결합 자체는 그렇게 새로울 것이 없다. 따라서 실제로 lncRNA로부터 단백질이 만들어지는지 mass spectrometry를 이용하여 확인한 결과 lncRNA 유래 단백체를 확인할 수 없었다. 그리고 단백질 번역종료 후 RNA로부터 리보좀이 분리되기 위한 종료 코돈(stop codon) 역시 lncRNA에서 발견되지 않았다. 종합해 보면 절대다수의 lncRNA는 번역되지 않는다는 것이다.

추가적으로 ORF에 대해 첨언하자면, 하위 ORF의 번역을 조절하는 상위의 ORF가 존재하기도 하는데 사실 이 ORF 서열은 길이가 매우 짧아서 비암호화 및 암호화 부위로 분리되어 있는 이중기능성 mRNA의 한 부분 내지 일반적이지 않은 형태의 개시-종결 코돈을 갖는 전사체, 혹은 실제로 기능성 단백질을 암호화하지 않는 서열로써 간주되어 생물학적 중요성을 갖지 않는다. 이러한 관점에서 볼 때, 많은 lncRNA에서 발견되는 ORF 자체로는 큰 의미가 없는 것이다.

6. lncRNA의 분해

마우스 lncRNA와 mRNA의 생체 반감기를 조사해 보면 두 유전자의 차이는 거의 관찰되지 않는다. 그럼에도 불구하고 다양한 RNA 제거 기전이 mRNA 비해 lncRNA에 우선적으로 작용하며, 이는 전사조절의 한 단계로 간주된다.

6.1 불안정한 잠재전사물(Cryptic unstable transcripts)

진핵생물에서 전사되는 다량의 RNA 중 상당부분은 반감기가 짧은 비암호화 RNA로 구성되어 있는데 이를, 특히 효모에서 cryptic unstable transcripts (CUTs)라고 부른다. CUTs는 정상적인 환경에서는 검출하기가 어렵지만 polyadenylation polymerases이나 nuclear RNases와 같은 효소의 발현을 억제시키면 CUTs의 발현이 증가하게 되어 확인이 쉬워지게 된다. 예를 들어 효모에서 exosome의 기능을 제거하게 되면 CUTs가 세포 내에 농축되게 된다. CUTs는 다양한 기전을 통해 세포 내에서 제거되는데, nuclear exosome, cytoplasmic decapping complex (Dcp1-Dcp2), Xrn1에 의한 exonuclear degradation이나 non-sense-mediated decay (NMD)에 의해 일어난다.

일반적인 환경에서 확인하기 어려운 CUTs과 달리 분해가 잘 안되는 이른바 stable uncharacterized transcripts (SUTs)는 야생형 효모에서 쉽게 관찰된다. SUTs의 관찰이 쉬운 이유는 nuclear exosome이나 Nrd1–Nab3–Sen1 분해기전을 회피할 수 있어 세포 내에 쉽게 농축되기 때문이다. CUTs와 유사한 또 다른 전사체로 XUTs (Xrn1-sensitive unstable transcripts)이 있는데 말 그대로 Xrn1에 의한 exonuclear degradation에 대해 더 민감하며, 다만 CUTs에 비해 단백질 암호와 부위에 대한 antisense가 더 많이 존재하고 길이도 더 길다. CUTs, SUTs, XUTs 모두 NRD-dependent 3ʹ termination에 의해 분해될 수 있는데 이 과정은 Pcf1-의존적이며, 따라서 pcf1 유전자 돌연변이체에서는 ncRNA의 분해가 지연된다.

앞서 설명된 CUTs 및 제거기전은 주로 효모를 이용한 실험을 통해 확인되었으나 CUTs과 유사한 성질의 ncRNA-upstream antisense RNAs (uaRNAs), transcription start site-associated/ pro-moter-associated ncRNAs, promoter upstream transcripts (PROMPTs)가 인간 세포 내에서 역시 확인되며 마찬가지로 exosome에 의해 분해되는 기전을 갖는다. 추가적으로 핵 내에서 RNA poly(A) tailing을 유도하는 poly(A)-binding protein nuclear 1 (PABPN1)에 결함이 있는 경우 엑소좀에 의한 poly(A)-dependent degradation 기전을 회피하게 되므로 다량의 lncRNA가 축적 되기도 한다.

6.2 Nonsense‐mediated decay (NMD)

포유류 lncRNA의 서열을 분석해 보면 NMD 기전을 활성화시키는 불완전한 ORF 및 mRNA의 3'UTR과 유사한 구조/서열 특성을 갖는 경우가 많음을 발견하게 된다. 따라서 NMD 기전에 의해 불완전한 ORF를 갖는 lncRNA가 분해될 가능성이 있으며, 실제로 lncRNA GAS5는 NMD 단백질의 하나인 UPF1에 대해 감수성이 있는 것으로 확인되었다. 이는 적어도 일부 lncRNA들은 NMD 기전에 의해 분해될 수 있음을 시사한다. NMD는 또한 Caenorhabditis elegans에 존재하는 단백질 비암호화 위유전자(pseudogene)를 제거하기 위한 조절기전으로 설명되기도 한다. 사람을 비롯한 몇몇 생물종에서 NMD 기전에 의해 제거되는 비암호화 전사체는 암호화 전사체에 비해 많은 것(추정치)으로 알려져 있다.

7. Cis-조절에 따른 lncRNAs 순환

일부 단백질을 암호화하는 유전자들은 자가조절(autoregulation) 기능을 가진다. 즉, 전사체로부터 만들어진 단백질이 다시 게놈 유전자좌(genomic locus)로 돌아와 전사체의 발현을 조절한다는 것이다. 이러한 자가조절 과정은 ‘단백질이 세포 내 다른 구획에서 번역되어야 한다’는 패러다임(전사>mRNA의 세포질 이동>번역>단백질의 핵 내 이동>단백질이 자신의 게놈 위치로 확산이동> cis-조절에 따른 발현조절)을 따르게 된다. 그러나 lncRNA는 물리적으로 이들이 암호화된 유전자좌와 직접 연결되기 때문에 전사 직후나 혹은 전사 중에도 cis-조절이 가능하다. 아래 내용을 통해 lncRNA의 cis-조절에 대해 예를 들어 설명해 보도록 하겠다.

7.1 Enhancer RNAs와 염색체 고리화

Enhancers는 cis로 암호화된 DNA 요소로, 자신의 염색체 주변에서 다양한 단백질과 함께 유전자 발현을 조절한다는 것은 잘 알려져 있다. 그런데 enhancer가 전사활성을 가질 수 있으며, enhancer RNAs (eRNAs)로 알려진 양방향성 Pol II-transcribed ncRNAs를 생성한다는 것이 알려졌다. 즉, enhancer에 의한 mRNA 발현조절에 있어 cis-encoded ncRNAs가 관여한다는 것을 추정할 수 있다.

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그림 3. lncRNA의 cis-조절 기전



LUNAR1은 급성 T 림프구 백혈병(T cell acute lymphoblastic leukemia, T-ALL)-특이 lncRNA이다. LUNAR1의 발현은 종양발생 과정에서 증가하는데, 인슐린 유사 성장인자 수용체(insulin-like growth factor 1 receptor, IGF1R) 유전자좌로부터 전사된다. 전사된 LUNAR1은 activating ncRNA (ncRNA-a)와 연결되며 이는 transcriptional co-activating complex (Mediator)와 Pol II가 표적유전자에 결합할 수 있도록 유도함으로써 염색체 고리화(chromosome looping)를 일으킨다. 이렇게 형성된 복합체는 IGF1R 전사를 증가시키고 결과적으로 세포 내 IGF1 신호전달이 지속적으로 유지되게 만든다(그림 3a). 이러한 방식으로 enhancer-associated lncRNA는 핵 내에서 특정 유전자의 cis-조절에 관여하게 된다.

또 다른 예를 들면, Polycomb group (PcG)과 Trithorax group (TrxG) 단백질은 PcG response elements (PREs)와 TrxG response elegments (TREs)로 알려진 enhancer를 통해 유전자 발현을 조절하기도 한다. PREs/TREs는 ncRNA의 하나로, 후성유전적으로 활성화/억제된 유전자 발현을 가역적으로 조절할 수 있다. 순방향(forward)으로 전사된 PREs/TREs lncRNA는 PcG를 유도함으로써 ‘vestigial’ 유전자 발현을 억제하고, 동시에 역방향(reverse)으로 전사된 PREs/TREs lncRNA는 PcG의 활성을 억제함으로써 ‘vestigial’ 발현을 증가시킨다(그림 3b).

7.2 각인된 유전자좌에서 lncRNAs의 역할

일부 유전자는 후성유전적으로 각인(imprint)되어 대립유전자의 우열성에 따르지 않고 배타적으로 발현된다. 그리고 각인 유전자(imprinted gene) 클러스터는 비암호화 전사부위에 위치한다는 것이 확인되었다(실제로 각인 유전자 H19는 lncRNA 유전자좌에서 확인되었음.). 유전자 각인을 가장 잘 설명하기 위해서는 DNA 메틸화 (DNA methylation)의 원리를 이해해야 한다. 대립 유전자의 메틸화로 인해 lncRNA의 전사가 억제(silencing)되며, 이로 인해 각인된 유전자좌 내에서 해당 mRNA의 발현이 활성화된다. 여러 연구를 통해 각인된 lncRNA 자체가 특정 유전자의 각인에 필요하다는 것이 확인되었는데, 대표적인 예는 부계로 발현되는(paternally expressed) lncRNA의 하나인 ‘Air’이다(그림 3c). Air는 인슐린 유사 성장인자 2 수용체(insulin-like growth factor 2 receptor, Igf2r) 유전자의 antisense로부터 전사되며, 모계 대립유전자 부위는 메틸화로 인해 Air가 전사되지 않아 인접 유전자의 mRNA 전사가 허용되는 반면, 부계 대립유전자 부위는 탈메틸화되어 있어 Air가 전사되어 인접 유전자의 발현이 억제(cis repression)된다. 각인된 lncRNA 유전자좌의 다른 예로는 Kcnq1ot1 (Kcnq1 locus), Nespas (Gnas–Nesp gene cluster), H19 (Igf2 locus)가 알려져 있다.

7.3 lncRNAs에 의한 유전자량 보상

유전자발현의 관점에서 수컷과 암컷의 가장 큰 차이는 성염색체이다. 수컷(XY)과 암컷(XX) 의 X염색체 게놈의 절대량은 서로 다르지만 전사산물의 양은 암수가 같게 조절된다. 이러한 기전을 유전자량 보상(dosage compensation)이라 부르는데, 동일한 핵 환경에서 두 개의 대립유전자가 차별적으로 조절된다는 점에서 lncRNA 각인 현상과 공통점을 갖는다. 유전자량 보상은 lncRNA에 의한 cis-조절기전에 의해 일어나는데, 예를 들어 진수아류 포유동물(eutherian mammalian) 암컷 X염색체 둘 중 하나는 XIST lncRNA에 의해 후성유전적으로 불활성화되어, 수컷 X염색체의 유전자 생성물과 동량이 된다(그림 3d).

7.4 antisense lncRNA 전사에 의한 유전자 발현 억제

만일 antisense lncRNA와 mRNA의 발현이 중첩되는 경우, Pol II의 작용을 방해함으로써 sense 전사체의 발현이 억제될 수 있다. Antisense lncRNA에 의한 단백질 암호화 전사체 발현의 cis-조절은 일반적인 유전자 발현 조절 방식이다. 예를 들어 앞서 언급했던 것과 같이 Air antisense lncRNA는 프로모터 주변으로 전사관련 단백질 복합체의 형성을 물리적으로 방해함으로써 sense 유전자인 Igf2r의 발현을 억제시킨다. 이는 sense 및 antisense 방향으로 각각 이동하는 Pol II 단백질 복합체가 서로 진행을 방해함으로써 나타나는 현상으로 풀이된다(그림 3f). 다른 예로, lncRNA ABRIL는 종양 억제 유전자인 cyclin-dependent kinase inhibitor 2A (CDKN2a) 및 CDNK2B가 포함되어있는 유전자 클러스터로 PcG 억제단백질을 이동시킴으로써 두 유전자의 발현을 억제한다(그림 3e). 또한 앞서 설명된 것과 같이 Xist 유전자는 1) 활성화된 X 염색체상에서 anti-sense lncRNA인 Tsix에 의해 cis-조절 방식으로 발현이 억제되고, 2) 한편 불활성화된 X 염색체상에서 lncRNA Jpx에 의해 cis- 및 trans-조절 방식으로 발현이 증가하게 된다(그림 3d).

7.5 lncRNAs의 자가조절 기능

생체 시스템은 자가조절(autoregulation strategy)을 통해 항상성을 유지하도록 만들어졌다. 많은 종류의 단백질 암호화 유전자들은 자신의 전사(transcription)를 조절하는 단백질을 생산하기도 하는데 이 또한 lncRNA에 의한 조절기전으로 확인되었다.

이러한 관점에서 자가조절기전의 평형이 무너진 경우 병리학적 문제가 야기되기도 한다. FMR1 (fragile X mental retardation 1)은 정상적인 인지 발달에 필수적인 단백질을 암호화하지만, FMR1 mRNA는 단백질 생산기능과 상관없이 그 자체로 lncRNA로써 작동할 수 있다 (cis-autoregulatory bifunctional RNA). FMR1 mRNA는 해당 프로모터의 CGG 삼중 뉴클레오타이드 반복서열과 이중가닥을 형성(RNA-DNA 결합)함으로써 FMR1 유전자 발현을 억제한다는 것이 밝혀졌다(그림 3g). 물론 이는 비정상적인 상태에서 나타나는 현상이지만, 거의 모든 취약 X 정신지체 환자에서 나타나는 RNA 매개성 cis-자가조절(RNA-mediated cis-autoregulation) 기전이다.

다른 예로서 초파리의 roX lncRNA가 있다(그림 3 h). 포유동물에서 확인되는 유전자량 보상과 마찬가지로 초파리에서도 비슷한 조절작용이 확인되는데, X 염색체에 암호화된 lncRNA (roX1, roX2)가 유전자량 보상 리보뉴클레오단백질 복합체(dosage compensation ribonucleoprotein complex, DCC)를 형성하여(수컷 X 염색체상에서) roX1 유전자의 발현을 증가시킨다. 또한 roX1 lncRNA는 roX1 유전자에 직접 결합하여 유전자 발현을 직접 조절하기도 한다.

8. 마치며

DNA에 저장되어 있는 유전정보들이 다양한 단백질로 만들어지기 까지는 상상하기 힘들만큼 복잡하고 정교한 생물학적 기전들이 적용된다. 비교적 최근까지 우리는 이러한 기전을 이해하기 위해 단백질을 암호화하고 있는 유전자 혹은 단백질을 직접적으로 만들어내는데 필요한 요소에만 집중하였다. 그러나 이러한 정보만으로 생명현상 전체를 이해하기에는 의문점이 너무 많았고, 지금 lncRNA는 우리가 이해하지 못했던 여러 현상들을 이어주는 중요한 다리가 되었다. 이제 생명 현상을 설명하는 단계를 넘어 인간이 마주한 수 많은 질병을 이해하고 치료하는데 lncRNA를 이용해야 할 것이다. 이를 위해서는 다양한 융합 연구가 진행되어야 하며 입체적인 시각으로 연구가 이뤄져야 할 것이다.

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김재환(2017). 긴 비암호화 RNA의 세포 내 합성 및 기능의 특징. BRIC View 2017-R20. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2784 (Jul 20, 2017)
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