- IBS-KAIST, 자체 개발 단일핵산 분석법 적용해 mRNA 꼬리 분해 기전 규명 -
- RNA 첨단 신약 개발의 핵심 분석 기술로 활용 기대 -

생명체는 DNA, RNA, 단백질과 같은 바이오분자들의 조절 작용으로 다양한 생물학적 기능을 수행한다. 바이오분자들의 조절로 유전 정보가 전달되고, 잘못 전달된 정보는 유전자 변형이나 감염성 질병의 원인이 된다. 따라서 분자생물학적 조절 연구는 유전자 치료제와 첨단 백신 개발에 중요하다. 특히, 2023년 코로나 mRNA 백신 기술을 개발한 과학자들이 노벨 생리의학상을 수상하면서 RNA 조절 연구에 기반한 첨단신약, 바이오공학 기술이 크게 주목받고 있다.

서울대학교 김빛내리 교수, KAIST 이영석 교수

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 RNA 연구단 김빛내리 단장(서울대 생명과학부 석좌교수), 미국 국립암연구소 유진 발코프(Eugene Valkov) 박사, KAIST(총장 이광형) 바이오및뇌공학과 이영석 교수 공동연구팀이 자체 개발한 단일핵산 분석법을 적용해 전령 RNA(messenger RNA, 이하 mRNA) 분해의 새로운 조절 기전을 찾았다고 밝혔다.

mRNA는 긴 단일 가닥 RNA 분자로, DNA에 보관된 유전 정보를 단백질에 전달하는 매개체로서 마치 단백질의 ‘생산 설계도’와 같다. 예를 들어, 코로나 mRNA 백신은 약 4,000개의 RNA 분자로 이루어져 있으며, 코로나 스파이크 단백질의 유전 정보와 다양한 RNA 변형을 활용해 스파이크 단백질 생산을 조절하도록 설계되어 있다. 결국 RNA 기능과 조절에 따라 유전자 치료제 및 mRNA 백신의 효능이 결정된다.

연구진은 다양한 RNA 조절 인자 중 특히 mRNA 꼬리에 주목해 왔다. mRNA는 말단에 50-150개의 아데닌 염기로 구성된 긴 꼬리를 갖는데, mRNA를 보호하고 단백질 합성을 촉진하는 역할을 한다. 그동안 이 꼬리는 아데닌으로만 구성된 것으로 알려졌지만, 연구진은 지난 연구에서 비(非) 아데닌 염기가 추가된 ‘혼합 꼬리(Mixed tail)’가 존재한다는 사실을 보고하였고, 이 혼합 꼬리가 mRNA의 분해를 막는 역할을 하여 유전자 활성을 높이는 데 기여함을 밝힌 바 있다.

그러나 RNA 변형의 결과인 mRNA 꼬리는 그 변형의 특이적인 행태로 인해 생화학 실험과 정량적 분석에 어려움이 있었다. 또한, 50-150개 RNA 분자의 연속적인 변형에 대한 단일염기 분석이 필요하여 mRNA 혼합 꼬리 조절 기전 연구에 제한이 있었다.

이를 해결하기 위해 연구진은 미국 국립암연구소 유진 발코프 박사 연구팀과 함께 mRNA 꼬리 조절 연구를 위한 단일핵산 분석법을 개발했다. 이어 이 분석법을 활용하여 세계 최초로 mRNA 꼬리가 분해되는 속도를 단일핵산 단위로 측정하는데 성공, mRNA 꼬리의 새로운 분해 기전을 규명했다.

연구진은 mRNA 분해를 유도하는 탈아데닐 복합체(CCR4-NOT)를 이용한 탈아데닐화 시스템을 개발하고 단일 염기 단위의 분해 반응을 수학적으로 모델링하여 혼합 꼬리 분해 효과를 정량화했다. 그 결과, 탈아데닐 복합체의 진행이 지연되는 위치를 확인할 수 있었으며, 복합체의 구성 요소들이 비 아데닌 염기에 의해 특정 위치에서 막혀 분해 속도가 조절되는 것을 밝혔다. 즉, 비 아데닌 염기가 일종의 ‘과속 방지턱’ 역할을 한다는 것을 입증한 것이다.

김빛내리 단장은 “mRNA 혼합 꼬리 조절에 대한 이해를 확장해 mRNA 안정성 조절과 유전자 발현 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공했다”라며, “혼합 꼬리에 기반한 다양한 유전자 치료법 연구와 RNA 첨단 신약 개발에 기여할 것”이라고 말했다.

KAIST 바이오및뇌공학과 이영석 교수는 “이번 연구는 분자생물학, 생화학 및 수학 분야가 만나 이룬 융합 연구의 결실”이라며, “미래 바이오공학 및 첨단바이오 분야 발전을 위한 공동연구의 중요성을 시사한다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 구조 분자생물학(Nature Structural & Molecular Biology, IF=16.8)’에 지난 2월 19일 게재됐다.

논문/저널/저자

Deadenylation kinetics of mixed poly(A) tails at single-nucleotide resolution / Nature structural & molecular biology (2024)

Young-suk Lee#*, Yevgen Levdansky*, Yoonseok Jung, V. Narry Kim# & Eugene Valkov#
*공동제1저자, #교신저자

연구내용 보충설명

￭ mRNA 꼬리는 RNA 분해 속도를 결정하는 핵심 변형으로 고도의 유전자 발현 조절을 수행한다. 또한 아데노신이 아닌 핵산이 포함된 혼합 꼬리가 있으며, 이러한 혼합 꼬리는 RNA 분해 과정을 저해하고 mRNA 안정성을 늘린다. 척추동물에서 혼합 꼬리는 약 20% mRNA에서 발견되며, HBV나 HCMV 같은 바이러스 RNA에서도 보고된 바 있다. 그러나, 실험 및 분석 기법의 한계로 mRNA 혼합 꼬리의 직접적인 효과는 정량화되지 못했다.

￭ 이번 연구에서는 혼합 꼬리의 분해 지연 효과를 정량화하기 위해 단일핵산 분석 방법을 최초로 개발하였다. 이를 적용하여, mRNA 꼬리 분해 과정에서 단일 구아노신, 유리딘, 사이티딘이 각각 약 6개, 8개, 11개 아데노신에 해당하는 RNA 분해 지연 효과를 정량화하는데 성공했다. 이는 향후 mRNA 꼬리를 활용한 의약품을 바이오공학적으로 설계하는데 기여할 것으로 기대한다.

연구 이야기

[연구 과정] 

￭ 이번 연구는 미국 국립암연구소 Eugene Valkov 박사 연구팀의 2019년 mRNA 꼬리의 분해 과정에 대한 생화학 실험 논문에서 시작됐다. KAIST 바이오및뇌공학과 이영석 교수와 IBS RNA 연구단 정윤석 박사는 해당 논문의 데이터를 활용하여 수학 모델링 및 분석 방법 개발에 성공하였으며, IBS RNA 연구단 김빛내리 단장의 지도 하에 미국 국립암연구소와 mRNA 꼬리 분해 기전 및 혼합 꼬리의 저항성에 관한 국제 공동연구를 수행하게 됐다.

[어려웠던 점] 

￭ 이번 연구에서는 RNA 조절에 대한 단일핵산 분석 방법을 최초로 개발했다. 이를 위하여, 본 연구진은 기본 수학 모델링 툴 이외에의 모든 분석 방법 및 과정을 mRNA 꼬리 맞춤형으로 새롭게 개발해야 했다. 이를 위해, 분자생물학, 생화학, 수학, 전산학 등 다양한 학문적 전문성이 요구되었으며, 국제공동연구를 통한 집단 지성에 기반하여 기존 분석 기술 한계를 극복하고 세계 최초로 mRNA 꼬리의 분해 과정을 단일핵산 단위로 분석할 수 있는 기술을 개발했다. 

[성과 차별점] 

￭ 지금까지의 mRNA 꼬리 모델링 연구는 mRNA 꼬리의 연속적이고 역동적인 분해 조절 기전을 반영하지 못하고, mRNA 꼬리가 리보핵산 변형 중 하나라는 가정에서 출발하였다. 본 연구에서는 이러한 모델링 한계점을 극복하기 위하여 단일핵산 분석 방법을 개발하였고, 이를 바탕으로 mRNA 꼬리의 분해 속도 및 새로운 RNA 기전을 규명하는데 성공하였다.

[향후 연구계획] 

￭ 본 연구에서는 CCR4-NOT 단백질 집합체에 의한 mRNA 꼬리 분해 기전을 단일핵산 단위로 밝혔다. 그러나 mRNA 꼬리 조절 인자는 CCR4-NOT 단백질 집합체 외에도 다양하다. 이에, 본 연구진은 자체 개발한 단일핵산 분석 기법을 활용하여, 미국 국립암연구소 Eugene Valkov 박사 연구팀과 CCR4-NOT 단백질 집합체 외 다양한 조절 인자에 의한 mRNA 꼬리 분해 기전을 연구할 계획이다.

[그림 1] mRNA 꼬리에 대한 단일핵산 분석 방법론 [사진=기초과학연구원]
(a) mRNA 꼬리 분해 과정에 대한 수학 모델링 모식도. mRNA 꼬리는 50-150개 RNA 분자의 연속적인 변형이라는 특이적인 형태임. 이러한 연속적인 변형을 단일핵산 단위로 탈아데닐화하는 과정을 수학적으로 모델링함.
(b) 합성 RNA 꼬리(A20, A1, A0, UCU)와 CCR4-NOT 단백질 복합체를 활용한 mRNA 꼬리 분해 실험 기법. 인간 재조합 CCR4-NOT 단백질 복합체의 구성 요소인 CCR4 단백질과 CAF1 단백질은 단일핵산 단위로 탈아데닐화하는 핵심 효소임. 합성 RNA 꼬리 A20는 20개의 아데닌으로 구성된 꼬리를 포함함.
(c) mRNA 꼬리 분해 분석을 위한 이미지 분석 및 데이터 전처리 과정. mRNA 꼬리 분해 실험에 대한 데이터 분석을 위하여 아날로그 이미지 데이터의 디지털화 및 데이터 정규화가 요구됨. 이를 활용하여, mRNA 꼬리 분해 실험에 대한 새로운 데이터 시각화 결과에 대한 예시임.
(d) 수학 모델링을 활용한 단일핵산 분해 속도 측정. 합성 RNA 꼬리 A20는 20개의 아데닌으로 구성되어 있고, 이에 대한 20개의 단일핵산 탈아데닐화 속도를 측정하는데 성공함.
(e) RNA 분해에 관한 컴퓨터 시뮬레이션 기반 분석 방법 검증. (d)에서 측정한 탈아데닐화 속도를 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 수행함. (c)와의 분해 과정을 비교하고, 그 유사도에 따라 RNA 분해 속도 및 수학 모델의 우수성을 검증함.

[그림 2] mRNA 혼합 꼬리에 관한 새로운 분해 기전 모식도 [사진=기초과학연구원]
탈아데닐 복합체(CCR4-NOT)의 CCR4 단백질과 CAF1 단백질은 탈아데닐화 효소임. (1) CAF1 단백질이 혼합 꼬리의 ‘과속 방지턱’을 사전 미리 인지하여 탈아데닐화 속도를 줄이고, (2) 단일핵산 탈아데닐 이후 CCR4 단백질도 속도를 줄인다. (3) 최종적으로, CAF1 단백질이 비아데닌 염기를 분해하면서 탈아데닐화를 재개한다. ‘과속 방지턱’ 역할을 하는 비 아데닌 염기로는 구아닌(G)과 유라실/사이토신(Y)이 있음.