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한빛사논문

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이현지
이현지Hyunjee Lee

GIST

Nucleic Acids Res., Published: 12 November 2021 | https://doi.org/10.1093/nar/gkab1064 RNase H is an exo- and endoribonuclease with asymmetric directionality, depending on the binding mode to the structural variants of RNA:DNA hybrids

Hyunjee Lee1,2,3, HyeokJin Cho1,2,3, Jooyoung Kim1, Sua Lee1, Jungmin Yoo1,2,3, Daeho Park1,3 and Gwangrog Lee1,2,3,*

1School of Life Sciences, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju 61005, Korea, 2Single-Molecule Biology Laboratory, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju 61005, Korea and 3Cell Mechanobiology Laboratory, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju 61005, Korea

*To whom correspondence should be addressed.

Abstract

RNase H is involved in fundamental cellular processes and is responsible for removing the short stretch of RNA from Okazaki fragments and the long stretch of RNA from R-loops. Defects in RNase H lead to embryo lethality in mice and Aicardi-Goutieres syndrome in humans, suggesting the importance of RNase H. To date, RNase H is known to be a non-sequence-specific endonuclease, but it is not known whether it performs other functions on the structural variants of RNA:DNA hybrids. Here, we used Escherichia coli RNase H as a model, and examined its catalytic mechanism and its substrate recognition modes, using single-molecule FRET. We discovered that RNase H acts as a processive exoribonuclease on the 3′ DNA overhang side but as a distributive non-sequence-specific endonuclease on the 5′ DNA overhang side of RNA:DNA hybrids or on blunt-ended hybrids. The high affinity of previously unidentified double-stranded (ds) and single-stranded (ss) DNA junctions flanking RNA:DNA hybrids may help RNase H find the hybrid substrates in long genomic DNA. Our study provides new insights into the multifunctionality of RNase H, elucidating unprecedented roles of junctions and ssDNA overhang on RNA:DNA hybrids.

논문정보

관련 인터뷰

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 세포 내에서 RNA는 생성 후 분해 과정을 통해 유전자의 발현을 조절하며, 모든 계통의 세포는 RNase H라는 효소를 이용하여, RNA를 분해합니다. 이 효소의 돌연변이는 각종 자가 면역 질환을 유발하며, 에이즈 질병과 관련된 HIV 바이러스에서 RNase H는 필수적인 단백질로 알려져 있습니다. 더불어, 차세대 미래 신약기술로 활용되고 있는 RNA 치료제 중, ASO(antisense oligonucleotide)는 타겟 전사체에 결합한 후, RNase H에 의해 RNA를 분해하도록 설계되고 있습니다. 따라서, RNase H의 RNA 분해 기전을 이해하는 것은 RNA 치료제의 효율을 높이는 데에 기여할 뿐만 아니라, 자가 면역 질환 및 HIV 바이러스의 신약 개발에 활용될 수 있는 기반을 마련한다. 본 논문은 세포 내, RNase H에 의한 DNA 복제 및 전사 과정에서 생성된 RNA의 분해 기전을 단일 분자 수준에서 연구한 논문입니다. 본 논문에서는 동력학적 측면에서 기전을 이해하기 위해서, 단일분자 형광 이미징 기술(single molecule FRET)을 이용하여 RNase H와 RNA:DNA 혼성체 사이의 상호작용과 RNA 분해 반응을 나노미터 수준의 정확도로 밀리초 단위에서 실시간으로 관찰하였습니다. 본 연구에서는 기존 연구에서 많이 사용된 간단한 구조의 RNA:DNA 혼성체뿐만 아니라, 실제 DNA 복제 과정 중 형성됨에도 불구하고 대부분의 연구에서 간과된 단일 가닥의 DNA 오버행 구조를 고려한 RNA:DNA 혼성체를 이용하였습니다. RNase H는 RNA:DNA 혼성체의 구조에 따라서 다른 결합 모드를 보여주었을 뿐만 아니라 RNA 분해의 동력학적 특성이 다르게 나타남을 규명하였습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다. 저는 광주과학기술원 생명과학부 단일 분자생물학 및 세포다이나믹스 연구실의 박사과정 학생으로써 이광록 교수님의 지도 하에 연구를 진행하였습니다. 저희 연구실은 크게 DNA 손상 단백질을 연구하는 팀과 세포 기계생물학을 연구하는 팀으로 나누어져 연구를 진행하고 있습니다. 저희는 biology와 physics를 접목한 biophysics 분야로 하나의 분야만으로는 할 수 없는 연구를 진행하고 있습니다. 특히나 Biology를 실시간으로 직접 관찰할 수 있다는 이점을 가지고 다양하고 흥미로운 연구를 진행하는 환경을 조성하고 있습니다. 3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 하나의 연구 과제를 마무리하며 비로소 하나의 논문이 게제되기까지 어려움을 극복하며 많은 배움의 시간을 가질 수 있었습니다. 지도 교수님께 배운 연구 분야의 지식을 바탕으로 하나의 어려운 문제를 풀어나간다는 것은 크나큰 보람을 느낄 수 있었습니다. 또한 이러한 과정을 통해서 성취감을 느낄 수 있었을 뿐만 아니라, 더 성장해 다음 단계로 나아갈 수 있었습니다. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면? 아직 부족한 제가 누군가에게 도움이 될만한 조언을 하기가 조심스럽습니다. 길지는 않지만 다년간의 경험을 통해서 말씀 드리자면, 어느 연구 분야든 마찬가지지만 연구를 하다 보면, 예상과 다른 결과가 나오는 순간이 많습니다. 이 순간 마다 좌절하고 포기하기보다 극복하려는 마음 가짐이 가장 연구에 도움이 되었습니다. 또한 공동 연구가 아닌 경우, 혼자만의 생각에 갇히게 되는 경우가 생기게 됩니다. 이럴 때, 분야를 막론하고 다른 사람들과의 Discussion을 통해서 폭넓은 생각을 하는 것이 도움이 되었습니다. 5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면? 이번 논문은 E.coli RNase H에 관한 연구로, Hybrid binding domain을 가지고 있지 않아 endonuclease로 알려져 있었으나, exonuclease 기능도 가지고 있다는 것을 밝혀낸 논문입니다. 현재는 Hybrid binding domain을 가지고 있어, exonuclease 기능을 한다고 알려진 human RNase H에 관해 연구를 진행 중입니다. 6. 다른 하시고 싶은 이야기들..... 무엇보다 연구를 수행해나갈 수 있도록 지도해주신 이광록 교수님께 먼저 감사드립니다. 또한 연구를 진행하면서 많은 도움을 주었던 연구실 멤버들에게 고맙다는 말을 전하고 싶습니다.
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  • 이현지(GIST)

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  • Bio통신원
  • 2021. 11. 17
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