RNA 분해는 유전자 발현 조절과 세포 항상성 유지에 필수적인 과정이며, 특히 5′→3′ 방향으로 RNA를 분해하는 효소 Xrn1은 mRNA turnover, 스트레스 반응, 항바이러스 방어 등 다양한 생리적 과정에서 핵심적인 역할을 수행합니다. Xrn1은 안정한 RNA 이중가닥 구조까지 분해할 수 있는 능력을 가지지만, ATP와 같은 외부 화학 에너지를 사용하는 헬리케이스 없이 어떻게 이러한 구조를 풀어내는지에 대한 분자적 작동 원리는 명확히 규명되지 않았습니다.

본 연구에서는 단일분자 형광 공명 에너지 전달(smFRET) 기법을 활용하여 Xrn1의 RNA 해리 과정을 실시간으로 관찰하고, 그 작동 메커니즘을 정밀하게 분석하였습니다. 연구 결과, Xrn1은 RNA 이중가닥을 연속적으로 풀어내는 것이 아니라 약 8~9 염기쌍 단위로 단계적으로 해리하는 특징을 보였습니다. 이는 RNA 구조 해리가 불연속적인 단계적 과정임을 시사합니다.

또한, Xrn1 활성 부위 근처에 위치한 Arg100과 Arg101 잔기가 RNA의 인산 골격과 강한 정전기적 상호작용을 형성하여 RNA를 안정적으로 고정하는 ‘정전기적 앵커’ 역할을 수행함을 확인하였습니다. 이러한 고정 메커니즘을 기반으로 Xrn1은 RNA를 붙잡은 상태에서 구조를 당겨 풀어내는 ‘Grip-and-Pull’ 방식으로 작동하는 것으로 나타났습니다.

더 나아가 Hidden Markov Model 기반의 통계 분석을 통해 RNA 해리 과정에서 명확한 상태 전이가 존재함을 확인하였으며, 이를 바탕으로 Xrn1이 RNA 분해 과정에서 발생하는 화학적 에너지를 효소–RNA 복합체 내에 탄성 에너지 형태로 축적한 뒤, 일정 임계점에 도달하면 이를 방출하여 RNA 이중가닥을 순간적으로 풀어내는 ‘spring-loaded’ 메커니즘을 제안하였습니다.

이 연구는 Xrn1이 단순한 분해 효소를 넘어 화학적 에너지를 기계적 일로 변환하는 정교한 생체 분자 기계처럼 작동함을 보여주며, RNA 분해 과정의 물리적 원리에 대한 새로운 이해를 제공합니다. 나아가 본 연구 결과는 RNA 품질 관리 시스템 및 RNA 대사 조절 메커니즘에 대한 분자적 통찰을 제시하며, Xrn1이 관여하는 항바이러스 반응, 면역 조절, 암 관련 RNA 대사 연구 등 다양한 생명과학 분야에서 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대됩니다.

• 형식Research article
• 게재일2026년 02월 (BRIC 등록일 2026-03-19)
• 연구진국내(교신)+국외 연구진
• 분야 생명과학 > 구조생물 및 생물물리학