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[바이오토픽] 인트론: 뭣에 쓰는 물건인고? - 정크 DNA를 이용하여 스트레스를 견디는 효모
생명과학 양병찬 (2019-01-17 09:42)

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@ Citizendium

우리의 유전자 시퀀스 중 일부는 - 영화에서 가위질 된 삭제장면과 마찬가지로 - 편집실 마룻바닥에 뒹구는 신세로 막을 내리게 되며, 세포는 그것들을 더 이상 단백질 생산에 사용하지 않는다. 유전자에서 잘라져 나간 시퀀스(조각)들을 인트론(intron)이라고 부르며, 우리말로 굳이 번역하면 '비발현 부위' 정도가 될 것이다. 이제 두 연구에서, "효모가 인트론을 이용하여 어려운 시기를 견뎌낸다"는 결과가 나왔다. 즉, 연구자들은 한때 무용지물로 간주되었던 DNA의 '가능한 기능'을 한 가지 밝혀낸 것이다.

"저자들은 매우 강력하고, 납득할 만하고, 흥미로운 결론을 도출했다"라고 샌프란시스코 주립대학교의 스콧 로이(진화분자생물학)는 논평했다. "이번 연구는 '인트론이 하는 일'에 대해 완전히 새로운 패러다임을 제시했다. 또한 '효모는 왜 정크 DNA라고 간주되던 것을 보유하고 있는가?'라는 오랜 의문에 답변을 제공했다"라고 UCLA의 기욤 샹프로(효모미생물학)는 말했다.

인트론은 식물과 균류는 물론 인간과 그밖의 동물들에 널리 분포하며, 인간이 보유한 약 20,000개의 유전자들은 평균 8개의 인트론을 갖고 있다. 우리의 세포 중 하나가 특별한 유전자에서 단백질을 만들 때, 효소들은 인트론이 포함된 RNA 사본을 하나 만든다. 다음으로, 세포는 RNA에서 인트론을 잘라내고, 분자의 남은 부분들을 다시 짜깁기한다. 이렇게 편집된 RNA 분자는 단백질 생산의 안내자(가이드) 노릇을 하게 된다.

인트론을 제거하는 데는 에너지가 많이 필요하며, 한 세트의 복잡한 분자가 전단(shear)을 경험한다. 이는 그 시퀀스가 특정한 기능을 수행하기 위해 진화했음을 시사한다. 연구자들은 인트론을 한때 쓰레기(junk)로 치부했었지만, 최근에 들어와 가능한 역할 중 일부를 확인하기 시작했다. 예컨대, 어떤 유전자에 포함된 인트론은 '세포가 생산하는 단백질의 양'을 통제하는 데 기여하는 것으로 밝혀졌다(참고 1).

그러나 대부분의 인트론을 폐기처분한 빵효모의 경우(그들은 약 6,000개의 유전자를 갖고 있는데, 인트론이 겨우 295개밖에 안 된다), 인트론의 기능이 대부분 오리무중이다. 예컨대 개별 인트론을 삭제한 과학자들은, 대부분의 경우 효모가 끄떡도 하지 않는다는 것을 발견했다.

(1) 그러나 연구자들은 지금껏 야생상태에 직면한 효모를 관찰한 것이 아니었다. 야생에서 생활하는 효모들은, 연구실에서 발생하지 않는 기근기를 견뎌내야 한다. 그런 '박탈된 상황'에서 무슨 일이 벌어지는지를 알아내기 위해, 캐나다 셔브룩 대학교의 셰리프 아부 엘레나(RNA 생물학)는 효모의 인트론을 체계적으로 삭제하여 수백 개의 균주를 만들었다(각각의 균주들은 특정 유전자의 인트론이 모두 제거되었다). 그런 다음 변형된 균주들의 조합을 정상균주와 함께 배양했다.

실험 결과, 인트론이 결핍된 균주들 중 대부분은 먹이가 부족한 상황에서 신속히 사멸하는 것으로 나타났다. 그들은 정상균주의 경쟁상대가 아니었던 것이다. 그러나 영양분이 풍부한 배지에서는 이야기가 달라졌다. 변형된 균주들이 우위를 점하는 것으로 나타난 것이다. "좋은 시절에는 인트론이 부담이 되지만, 어려운 시절에는 되레 도움이 된다"라고 아부 엘레나는 말했다. 그녀가 이끄는 연구진은 이상의 결과를 정리하여 1월 16일자 《Nature》에 기고했다(참고 2).

(2) MIT의 데이비드 바텔(분자생물학)이 이끄는 연구팀은 독립적인 연구에서 우연히 비슷한 결론을 얻었다. 그들은 효모세포에서 상이한 RNA 분자의 양을 측정하던 중, 대부분의 인트론이 원래의 RNA에서 잘라져 나간 후 신속히 붕괴할 거라고 예상했다. 그런데 웬 걸. 붐비는 배지에서 배양되는 효모들의 경우, 상당수의 인트론이 세포 속에 축적되는 것이 아닌가! 그들은 1월 16일자 《Nature》에 실린 별도의 논문을 통해 이 연구결과를 보고했다(참고 3).

"그것은 믿기 어려울 정도로 기이한 현상이었다"라고 바텔의 연구실에서 일했던 대학원생 제프리 모건(분자생물학, 現 유타 대학교)은 말했다. 아부 엘레나가 이끄는 연구팀과 마찬가지로, 바텔이 이끄는 연구팀은 "인트론이 스트레스를 받은 효모에게는 도움이 되지만, 양호한 조건에서 배양되는 효모에게는 해(害)가 된다"는 사실을 발견했다. 그들은 인트론이 '스트레스에 지친 효모'의 성장을 자제시킬 거라고 생각하고 있다.

인트론이 혜택을 제공하는 메커니즘은 분명하지 않지만, 두 연구팀은 비슷한 메커니즘을 제시하고 있다. 즉, "효모의 환경이 어려워져 감에 따라 인트론은 더욱 풍부해져, (통상적으로 RNA에서 인트론을 잘라내는) 분자의 전단을 효과적으로 차단함으로써 세포로 하여금 자원을 절약하게 한다"는 것이다. "이는 대단히 난해한 과정(convoluted process)인 것처럼 보일 수 있다. 그러나 진화가 늘 초간단해법을 선택하는 건 아니다"라고 바텔은 말했다.

【News & Views】 굶은 효모를 살리는 인트론

mRNA 전구체(pre-mRNA: precursor messenger RNA) 분자는 인트론(intron) 시퀀스를 제거하기 위해 스플라이싱을 거치고, 절단된 인트론은 붕괴되는 것이 상례다. 그 후 남은 엑손(exon) 시퀀스들은 결합되어 성숙한 mRNA를 형성한다. Parenteau et al.과 Morgan et al.은 1월 16일 《Nature》게 각각 기고한 별도의 논문에서, "효모의 인트론 중 일부가 정체기(stationary phase)에 붕괴되지 않고 축적되어 세포의 생존을 돕는다"고 보고했다. 여기서 정체기란, 가용 영양소의 고갈로 인해 성장이 감소하는 기간을 말한다.

a. Parenteau et al.에 따르면, 스플라이싱 되지 않은 mRNA 전구체가 5' 말단에서 특별한 3D 구조를 형성한다고 한다. 그리고 이 구조는 - 아마도 스플라이싱 요소나 기타 단백질의 결합을 가능케 함으로써 - 영양박탈에 대한 세포반응(cellular responses to nutrient deprivation)에 영향을 미친다고 한다.

b. Morgan et al.에 따르면, 인트론이 mRNA 전구체에서 제거된 후 세포 내에 축적되어 안정상태를 유지한다고 한다. 또한 특정한 스플라이싱 요소가 이런 인트론에 결합하여 붕괴를 막음으로써, 영양결핍에 대한 세포반응에 영향을 미친다고 한다.

두 연구진은 공히 "영양소가 부족할 때, 인트론의 축적이 세포요소(특히 리보솜)의 생성을 하향조정함으로서 세포성장을 조절하는 것으로 보인다"고 제안했다.



※ 출처: Nature News & Views(참고 4)


※ 참고문헌
1. https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.08.044
2. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0859-7
3. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0828-1
4. https://www.nature.com/articles/d41586-019-00088-y

※ 출처: Science https://www.sciencemag.org/news/2019/01/junk-dna-may-help-yeast-survive-stress

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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