[DEBUG-WINDOW 처리영역 보기]
즐겨찾기  |  뉴스레터  |  오늘의 정보  |  e브릭몰e브릭몰 회원가입   로그인
BRIC홈 동향
제품평가단 모집
스폰서배너광고 안내  배너1 배너2 배너3 배너4
LABox-과학으로 본 코로나19 (COVID-19)
전체보기 Bio통신원 Bio통계 BRIC View BRIC이만난사람들 웹진(BioWave)
목록
조회 2108  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
바이오통신원   
빛으로 RNA 이동과 단백질 합성 조절한다
생명과학 기초과학연구원 (2020-02-21)

빛으로 세포 내 특정 RNA 이동과 단백질 합성을 조절할 수 있는 기술이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 허원도 초빙연구위원(KAIST 생명과학과 교수), 이상규 연구위원 연구팀은 빛을 이용해 유전정보를 전달하는 전령RNA와 단백질을 생성하는 리보솜의 결합을 제어하여, 단백질 합성을 조절하는데 성공했다.

DNA의 유전정보는 RNA를 거쳐 단백질로 전달된다. 이 때 중간에서 유전정보를 전달하는 RNA를 ‘전령RNA’라고 한다. 단백질 생성공장인 리보솜은 전령RNA의 유전정보를 읽어 단백질을 합성한다. 단백질 합성에 있어 전령RNA는 DNA 유전정보의 중간 전달자, 리보솜은 생성공장, 단백질은 완성품인 셈이다.

이전에는 화학물질을 처리해 전령RNA를 조절하는 방법으로 모든 전령RNA를 한꺼번에 조절하기 때문에 특정 종류의 전령RNA만을 세밀하게 조절하기 어려웠다. 이번 연구에서는 살아있는 세포에 청색광을 비춰줌으로써 세포 내 특정 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 시공간 특이적으로 조절하는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 개발했다.

연구팀은 이전 연구로 개발한 라리아트 올가미(LARIAT, Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap) 기술과 RNA 이미징 기술을 융합하여 mRNA-LARIAT 기술을 개발했다. mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 이용하면 빛의 유무에 따라 라리아트 올가미에 전령RNA를 가두거나 분리하고, 이를 실시간으로 관찰하는 것이 가능하다.

연구팀은 헬라 세포에 청색광을 비춰주면 라리아트 올가미에 전령RNA가 가둬지면서 리보솜과 격리되고 단백질 합성이 감소함을 관찰했다. 이어 청색광을 차단하면 라리아트 올가미로부터 전령RNA가 빠져나오면서 리보솜과 단백질 합성을 다시 시작함을 확인했다. 이는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 빛의 유무에 따라 매우 빠르고 가역적으로 단백질 합성을 조절할 수 있음을 의미한다.

대부분의 단백질은 전령RNA와 리보솜에 의해 합성된 후, 각 단백질이 작용하는 위치로 이동한다. 하지만 전령RNA가 라리아트 올가미에 가둬지면 전령RNA가 향후 단백질이 작용하는 위치까지 이동하는 것이 멈춰지고, 단백질 합성이 차단된다. 이와 같이 mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 이용해 빛으로 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 조절하면, 살아있는 세포 내 RNA의 위치와 합성되는 신생단백질의 기능을 보다 효율적으로 연구할 수 있다.

연구팀은 베타액틴(β-actin) 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 mRNA-LARIAT 기술을 적용했다. 베타액틴 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 청색광을 비추니 세포 골격 구성 및 이동 기능이 제대로 이뤄지지 않음을 관찰했다. 또한 베타액틴 단백질 합성 효율이 최대 90%까지 감소됨을 확인했다.

허원도 교수는 “mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 활용하면 암세포, 신경세포 등 다양한 세포 내 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 빛으로 조절할 수 있다”며 “앞으로 암세포 전이, 신경질환 등 전령 RNA관련 질병 연구에 응용 가능할 것이다”고 말했다.

이번 연구성과는 네이처 셀 바이올로지(Nature Cell Biology, IF 17.728)에 2월 18일 오전 1시(한국시간)자 온라인 판에 실렸으며, Nature Reviews Genetics에 하이라이트 논문으로 소개되었다.

연구 추가 설명

논문명/저널명
Optogenetic control of mRNA localization and translation in live cells
Nature Cell Biology

저자정보
Na Yeon Kim, Sankyu Lee, Jeonghye Yu, Nury Kim, Seong Su Won, Hyerim Park and Won Do Heo

연구내용보충설명

■ 단일 전령RNA 분자의 시공간 특이적 조절을 시각화 하려는 노력에도 불구하고, 특정 전령RNA의 이동 및 단백질 합성을 정확하게 제어하는 데는 어려움이 있었다.
■ 본 연구는 특정 전령RNA 분자를 단백질 복합체(라리아트 올가미)에 포획함으로써 전령RNA의 위치 및 단백질 합성 효율을 조절할 수 있는 RNA 광유전학 기술을 개발했다.
연구 이야기
[연구 배경] 기존에는 화학물질이나 올리고 뉴클레오티드를 처리하여 전령RNA를 조절하였다. 기존의 전령RNA 조절 방법은 세포 내 모든 RNA를 일괄적으로 조절하는 방법으로, 특정 RNA를 조절하기에는 많은 한계점이 있었다. 세포의 이동을 관찰할 때 전령RNA가 어떤 공간에 어떻게 분포하는지를 확인하기 어려웠다. 또한 화학물질 처리의 경우 세척 및 재처리를 하는 과정이 필요했고, 올리고 뉴클레오티드 처리의 경우 그 효과를 나타내기까지 긴 시간이 걸렸다.
이런 한계점을 극복하고, 특정 전령RNA를 시공간 특이적으로 조절하기 위해 RNA 광유전학 기술을 개발하게 되었다.

[어려웠던 점] 특정 전령RNA를 조절하는 기술을 개발했지만, 기술의 효율성을 높이고 효용성을 검증하는 데에 어려움이 있었다. 빛으로 특정 전령RNA의 이동과 단백질 합성을 조절하는 새로운 기술을 개발하여 Cell, Nature Biotechnology 등의 학술지에 논문을 투고했지만, 논문심사 리뷰어들이 너무나 많은 보강실험들을 요구하여 Cell에는 1년 동안 논문심사를 받았고, Nature Biotechnology에는 1년 이상 논문심사 및 수정본을 제출하였지만 게재승인을 받지 못하였다. 새로운 기술이라 효용성을 검증하는 데에 많은 시간이 걸렸고, 본 연구실에서 하지 않았던 연구라 관련 실험들을 셋팅하는데 상당한 어려움이 있었다. Nature Cell Biology에도 심사기간이 1년 정도 걸려서 본 논문이 완성되고 최종 게재 되는데 총 3년의 시간이 걸렸다.

[연구 과정] 이번 연구는 허원도 교수의 아이디어 제안으로 시작되어, 세포 내 전령RNA의 이동 및 단백질 합성을 직접 억제할 수 있는 광유전학 기술을 제시하고 최적화하는 과정을 거쳤다. 이 과정에는 제 1저자인 김나연 박사(KAIST), 공동교신저자인 이상규 박사(IBS 인지 및 사회성 연구단)가 기여했다.

[향후 연구계획] 허원도 초빙연구위원 연구팀은 이번 연구로 개발한 RNA 광유전학 기술로 전령RNA를 시공간 특이적으로 조절하고, 이를 세포 수준에서 실험동물 수준에 이르기까지 연구에 광범위하게 적용하고 있다. 향후 유전자 기능 및 신호전달 체계를 이해하는데 있어, 세포 수준부터 복잡한 신경계 등 조직 수준에 이르는 통합적인 접근과 이해를 바탕으로 실제 생체 내에서 일어나는 생명현상을 심층적으로 이해해 나가는 연구를 진행할 예정이다.

mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 전령RNA(mRNA)의 이동과 단백질 합성을 조절하는 모식도
그림 1. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 전령RNA(mRNA)의 이동과 단백질 합성을 조절하는 모식도.
전령RNA에 청색광을 비추면 전령RNA가 이동을 멈추고, 단백질 합성이 저해됨. 빛을 차단하면 전령RNA의 이동과 단백질 합성이 다시 시작됨. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 세포 내 특정 시점 및 위치에서 전령RNA 이동과 단백질 합성의 중요성을 연구할 수 있음.

upload_image
그림 2. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해
a. mRNA-LARIAT 광유전학 기술 모식도
b. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해
c. 청색광에 의해 형성된 단백질-전령RNA 복합체 유도 및 전령RNA 확인
 

mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해
그림 3. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해
a. 내인성 전령RNA 표적을 위한 유전자 가위(RCas9) 기반의 mRNA-LARIAT 광유전학 기술 모식도
b. 유전자 가위(Cas9) 기반의 mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해
c. 청색광에 의해 형성된 단백질-전령RNA 복합체 유도 및 내인성 베타액틴(β-actin) 전령RNA 확인

베타액틴(β-actin) 단백질과 세포의 이동 기능과의 상관관계
그림 4. 베타액틴(β-actin) 단백질과 세포의 이동 기능과의 상관관계
베타액틴(β-actin) 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 청색광을 비춰줌으로써 단백질 합성을 억제하고 세포의 이동 기능을 6시간 동안 관찰함. 베타액틴(β-actin) 전령RNA가 단백질 복합체(LARIAT)에 가둬지면 세포의 이동 기능이 현저히 감소됨. 이는 새롭게 합성된 베타액틴(β-actin) 단백질이 세포의 이동 기능에 필수적임을 의미함.

upload_image
그림 5. 새롭게 형성된 β-actin 단백질의 세포이동 기능과의 상관관계
새롭게 형성된 베타액틴(β-actin)이 세포의 이동 시 세포전반부로 이동하고 focal adhesion 생성에 관여하여 세포의 이동에 필수적인 역할을 함. 이는 세포에 이미 존재하는 베타액틴(old β-actin) 단백질과 새롭게 합성되는 베타액틴(new β-actin) 단백질과 기능이 다름을 RNA 광유전학 기술로 밝힘.

 

  추천 0
  
인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
  
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다. [기사 오류 신고하기]
 
  댓글 0
등록
위로가기
동향 홈  |  동향FAQ  |  동향 문의 및 제안
 |  BRIC소개  |  이용안내  |  이용약관  |  개인정보처리방침  |  이메일무단수집거부
Copyright © BRIC. All rights reserved.  |  문의 member@ibric.org
트위터 트위터    페이스북 페이스북   유튜브 유튜브    RSS서비스 RSS
에펜도르프코리아