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후생동물의 마이크로 RNA
후생동물의 마이크로 RNA 저자 박상민 (KAIST 바이오및뇌공학과)
등록일 2019.03.19
자료번호 BRIC VIEW 2019-R06
조회 1359  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
마이크로 RNAs(MicroRNAs)는 다양한 진핵생물 계통에서 mRNA 표적에 대한 전사후(posttranscriptional) 억제를 직접 수행하는 약 22 nt RNA이다. 인간과 다른 포유류에서, 이 작은 RNA는 대부분의 mRNA의 발현을 조각하는데 도움을 준다. 본 총설 논문은 후생동물(metazoan) 마이크로 RNA의 정의와 특징, 생물발생, 유전체학, 진화에 대한 발견들을 검토한다. 또한 후생동물 마이크로 RNA가 어떻게 조절되는지, 그들의 mRNA 표적을 어떻게 인식하고 억제하는지, 억제의 생물학적 기능이 무엇인지, 그리고 포유류에서 널리 보존된 대부분의 마이크로 RNA에서 밝혀진 중요한 생물학적 기능을 살펴본다.
키워드: Micro RNA, miRNA, RNA inference, Silencing complex, hairpin
분야: Cell_Biology, Molecular_Biology
본 자료는 Metazoan MicroRNAs. Cell, 173(1), pp. 20-51.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 마이크로 RNA의 생성
3. 마이크로 RNA의 유전학과 진화
4. 마이크로 RNA의 생물학적 기능
5. 결론


1. 서론

마이크로 RNA는 전사체(transcripts)의 긴 스템루프(stem-loop) 구조 영역에서 생성되는 소규모의 억제성 RNA이다. 수백 개의 서로 다른 마이크로 RNA가 인간에게서 확인되었고, 그 중 다수는 다른 동물에도 보존되어 있으며, 이러한 보존된 마이크로 RNA는 대부분 인간 mRNA와 같은 상호작용관계를 보존하고 있다. 대부분의 인간 mRNA에 대해 추론된 상호작용 관계는 마이크로 RNA가 본질적으로 모든 발달 과정과 질병에 영향을 미친다는 것을 암시한다. 실제로 쥐에서 마이크로 RNA 유전자를 교란시키는 기능 상실(loss-of-function) 연구들은 골격, 치아, 뇌, 눈, 뉴런, 근육, 심장, 폐, 신장, 복부, 간, 췌장, 장, 피부, 지방, 난소, 난소, 고환, 태반, 흉부, 혈관의 발달상의 결함을 포함해 세포적, 생리학적, 행동적 결함 등 다양한 표현 유형을 밝혀냈다. 이러한 발달 및 생리적 결함의 대부분은 배아나 산후 생존능력에 영향을 미치거나 간질, 청각장애, 망막퇴화, 불임, 면역장애 또는 암과 같은 다른 심각한 질환을 야기한다. 게다가 일부 마이크로 RNA 제거 변종들은 감염의 가능성이 변화되었고, 질병이나 부상에 대해서도 다른 반응을 보였다.

포유류의 발달, 생리학, 질병에 관한 많은 중요한 발견들이 있어왔지만, 최초로 알려진 마이크로 RNA는 인간이나 다른 포유류에서 발견된 것이 아니라 무척추동물 모델에서 발견되었다. 예쁜꼬마선충(C. elegans) 발달 과정의 적절한 시기에 필요한 lin-4let-7 유전자를 연구하는 분자유전학자들은 mRNA를 생산하는 대신 이 유전자들이 길이가 짧은 약 22nt RNA인 비암호(noncoding RNAs)를 만든다는 사실을 발견했다. lin-4let-7 RNA는 3’ UTR 내에 불완전한 보완성(complementarity)을 가지고 있었으며, 이로 인해 소규모 RNA가 상보적인 상호작용을 통해 번역(translation)을 억제할 수 있다는 모델을 만들었다. let-7 RNA는 이후 인간과 다른 동물에서도 발견되었고, C. elegans에서 관찰된 것과 유사한 시간적 표현형 변화를 나타냈다. 이 발견은 이러한 억제성 RNA가 단순히 선충에서만 존재하는 흥미거리가 아니라는 것을 보여주었고, 발달 전환 시기를 조절하기 위한 추가적인 ‘소규모 임시 RNA’가 존재할 수 있다는 생각을 갖게 했다. 그 후 내생성되는 작은 RNA에 대한 분자들을 조사하여 lin-4let-7 RNA와 같은 특성을 보이는 수많은 RNA들을 발견했고, 이 RNA가 실제로는 훨씬 더 큰 종류의 작은 RNA의 일부라는 것을 밝혔다. 이 그룹의 구성원들은 모두 lin-4let-7 RNA처럼 작은 크기와 헤어핀(hairpin) 전구체(precursor)에서 생성될 수 있는 가능성을 가지지만, 대부분은 시간적으로 표현형이 변하지는 않았다. 이들은 유전학적 연구가 아직 이루어지지 않았기 때문에, 그들의 기능은 알려지지 않았다. 알려져 있는 것은 그들이 작다는 것이기에 ‘마이크로 RNA’라고 불렸다.

그 이후 이러한 소규모 억제성 RNA에 대한 관심이 급증했다. 인간, 파리, 선충, 그리고 아마도 다른 동물들에게 수백 가지의 다른 마이크로 RNA가 있다는 것이 드러났다. 이것은 이 각각의 종에서 수백 가지의 다른 mRNA가 조절되었다는 것을 암시한다. 더욱이 이러한 잠재적 규제 대상은 개발 시기에 관련된 mRNA뿐 아니라 생물학자가 연구하고 있는 모든 mRNA는 하나 이상의 마이크로 RNA에 의해 규제될 수 있다. 본 총설논문은 동물들의 마이크로 RNA에 대해서, 특히 그들의 생성, 유전학, 조절관계, 메커니즘, 타겟 인식, 그리고 생물학적 기능에 관해서 다룬다.

2. 마이크로 RNA의 생성

후생동물의 마이크로 RNA 경로는 RNA 간섭(RNA inference)으로 알려진, 보다 기초적인 RNA-silencing 경로에서 유래하였고, 진핵생물의 마지막 공통조상에서부터 존재해 왔으며, 바이러스와 트랜스포존(transposon)으로부터 많은 진핵생물들을 계속 방어하고 있다. 마이크로 RNA 경로에서 나타난 두드러진 혁신은 짧은 헤어핀 구조를 사용하여 특정 세포 mRNA로 침묵(silencing) 신호를 지시하기에 적합하게 정의된 가이드 RNA를 생산하는 것이다. 반면 기존의 RNAi 경로는 긴 dsRNA (double-stranded RNA) 전구체로부터 다양한 짧은 siRNA(small interfering RNA)들을 생산해 내는 것이었다. 내생성 유전자 규제에 적합한 RNA의 구조와 가이드 RNA를 생성하기 위한 짧은 헤어핀의 구조의 장점을 고려할 때, 마이크로 RNA는 진핵생물의 진화과정에서 한 번 이상 발생했다고 예상된다. 실제로 마이크로 RNA나 마이크로 RNA와 유사한 RNA는 녹조류, 갈조류, 필라투스(filamentous) 균류 등 다양한 진핵생물 계열에서 독자적으로 출현했다.

마이크로 RNA의 생성 과정
그림 1. 마이크로 RNA의 생성 과정


동물에서 마이크로 RNA는 일반적으로 훨씬 더 긴 ‘pri-miRNA’의 일부로써 RNA 중합효소 II(Pol II)에 의해 전사된다. 각각의 pri-miRNA는 ‘마이크로프로세서’ 헤어핀 기질을 형성하기 위해 스스로를 구조적으로 접는 지역을 적어도 하나 가지고 있다. 마이크로프로세서는 Drosha 엔도뉴클레아제(endonuclease) 분자 1개와 그것의 파트너 단백질인 DGCR8 분자 2개를 포함하고 있는 복합체다. Drosha는 각각 2 bp 오프셋(offset)으로 pri-miRNA 헤어핀의 스템 구조의 한 가닥을 잘라내는 RNase III 도메인이 2개 있는데, 이 도메인은 ‘pre-miRNA’라고 하는 ~60 nt의 스템루프 구조를 해방시킨다. 모든 일반적인 pri-RNA는 Poll II 전사체에 의해 5′ cap을 가지고 있지만, 마이크로프로세서에 의한 공동전사(cotranscription) 과정은 때때로 정상적인 3′-end를 선행하는 방식으로 전사 종결을 촉발할 수 있기 때문에 반드시 폴리(A) 꼬리 부분이 있는 것은 아니다.

어떤 이중 가닥이 침묵 복합체(silencing complex)의 가이드 가닥인 마이크로 RNA가 되는지 그 선택은 마이크로 RNA가 Argonaute를 묶는 선호방향에 따라 달라진다. 이는 이중 가닥으로 이루어진 miRNA duplex의 방향에서 어떤 가닥이 가장 5′ 끝부분을 가지는 데에 적합한지에 달려있다. 가이드 RNA의 5’-뉴클레오시드(nucleoside) 단인산염을 묶는 Argonaute 내의 공간은 안정성이 높은 5’ 페어링을 선호한다. 선호하는 loading 방향은 pre-miRNA 내의 방향과 독립적이기 때문에, 헤어핀의 양쪽 팔에서 나온 가닥을 유지하여 마이크로 RNA가 될 수 있다. 일단 침묵 복합체에 탑재되면 마이크로 RNA는 mRNA 및 기타 전사체 내의 특정 부분들과 쌍을 이루어 전사후 발현 억제를 담당한다.

3. 마이크로 RNA의 유전학과 진화

물론 세포에서 발견된 모든 작은 RNA가 마이크로 RNA인 것은 아니다. 일부 RNA는 관련된 RNA-silencing 경로에서 파생되는 piRNA(piwi-interacting RNA)와 내생성 siRNA와 같은 다른 형태의 작은 RNA이며, 다른 RNA는 더 긴 RNA의 분해 조각이다. 이러한 다른 유형의 작은 RNA가 마이크로 RNA로 잘못 표기되는 것을 방지하기 위해, 엄격한 분석 파이프라인은 주석이 달린 마이크로 RNA가 항 위에 약 2nt 3′의 진단과 함께 마이크로 RNA 듀플렉스의 양쪽 가닥에 해당하는 읽기에 의해 지지되는 잠재적 머리핀에 대한 일관된 5 term의 종단 및 지도가 있어야 한다. 이러한 기준을 이용하여, 최근의 분석은 이전에 주석을 달았던 많은 유전자의 진위성을 뒷받침하고 몇몇 새로운 유전자를 밝혀냈으며, 자신 있게 식별된 마이크로 RNA 유전자의 개수를 예쁜꼬마선충의 경우 147개, 초파리는 164개, 쥐는 475개, 그리고 인간은 519개로 발표하였다.

비록 lin-4, let-7, 그리고 몇몇 다른 후생동물의 마이크로 RNA들은 그들의 돌연변이의 표현형을 근거로 이름이 지어졌지만, 돌연변이의 표현형이 알려지기 전에 확인된 다른 마이크로 RNA들은 그들의 발견의 순서대로 숫자로 이름 지어졌다. 비록 불완전하지만, 다른 종에서 발견된 같은 대상일 경우에도 같은 이름을 붙이려고 시도되었다. 예를 들어 12개의 예쁜꼬마선충 let-7 가운데 인간에게 존재하는 11개의 ortholog는 let-7이라는 이름을 갖게 했다. 마찬가지로 유사한 성숙한 마이크로 RNA를 생성하는 유전자를 구별하는 문자 접미사(a, b, c, …)와 동일한 성숙한 마이크로 RNA를 생성하는 숫자의 접미사(-1, -2, -3, …)를 사용하여 한 종 내의 마이크로 RNA 족보에 이름을 할당하려는 시도가 있었다.

마이크로 RNA는 주로 확장된 부위인 2-8 뉴클레오타이드의 특성에 따라 따라 특정 그룹으로 분류된다. 예를 들어 쥐와 인간은 각각 miR-1/206 그룹에 해당되는 3개의 구성원인 miR-1-1, miR-1-2, miR-206을 가지고 있는데, 이것은 모든 공통 조상으로부터 물려받은 조상 유전자의 복제를 통해 생겨난 마이크로 RNA이다. 실제로 같은 그룹의 구성원들은 대개 진화적으로 관련이 있고, 진화적으로 관련된 마이크로 RNA는 대개 같은 그룹의 구성원이다. 그러나 그룹을 나타내기 위해 family라는 용어를 사용하는 것이 일반적으로 공통 조상을 엄격하게 구분하여 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, miR-25/32/92/363/367 그룹에서 계열의 다른 구성원들과 관련이 없는 miR-32는 동일한 표적 선호도를 가지고 있기 때문에 채택된 구성원이다. 명백히 관련이 있는 miR-200a와 miR-200b와 같은 마이크로 RNA들은 서로 다른 표적 선호 때문에, 그들을 다른 그룹에 구분하고 있다. 계보 단백질과 마찬가지로, 동일한 그룹 구성원은 적어도 부분적으로 중복되는 기능을 가지고 있는 경우가 많으며, 복수의 그룹 구성원이 방해를 받은 후에만 기능 상실이 현저하다. 단, 특히 해당 구성원이 우선적으로 표현되는 경우(예: miR-206, miR-7a-2, miR-9-3 등)에서 단일 구성원의 붕괴 후 표현형이 관찰되는 일이 많다.

동일한 pri-miRNA에 복수의 마이크로 RNA 헤어핀을 탑재하는 경우도 있다. 이름을 단순화하기 위해 각 마이크로 RNA 헤어핀은 개별 마이크로 RNA 유전자에서 파생된 것으로 주석을 붙이게 된다. 비록 마이크로 RNA를 생산하는 것으로만 알려진 긴 ncRNA에서 많은 마이크로 RNA들이 처리되지만, 일부 마이크로 RNA 유전자들은 다른 유전자와 겹친다. 예를 들어 진화적으로 보존된 마이크로 RNA의 4분의 1 이상과 그렇지 않은 포유류의 마이크로 RNA 절반 이상이 단백질 코딩 유전자의 인트론(intron) 내부로부터 처리되는 것으로 보인다. 따라서 일부 pre-miRNA도 pri-miRNA이며, 그 반대의 경우도 있다.

비록 수백 개의 서로 다른 진화적으로 보존된 헤어핀 구조가 마이크로 RNA 생물발생 경로로 들어가지만, 수천 개의 다른 헤어핀 구조들은 그렇지 않다. 진짜 pri-miRNA와 다른 머리핀을 포함하는 전사체를 구별하는 일을 담당하는 것이 마이크로프로세서다. 경로로 들어갈 헤어핀을 선택할 때 포유류 마이크로프로세서는 35±1bp 크기의 스템, 터미널 비정형 루프, 단일 가닥 영역이 헤어핀을 선호한다. 몇 가지 불일치나 작은 부피가 허용되지만, 위치 8의 불일치를 중심으로 한 복잡한 모티브가 가공을 적당히 강화할 수 있는 스템 베이스 근처를 제외하고, 스템 전체에서 페어링이 선호되고 있다.

마이크로프로세서는 35 bp 스템의 한 쪽 끝에서 13과 11 nt, 다른 쪽 끝에서 22와 24 nt의 오프셋 컷을 만든다. 마이크로프로세서와 상호작용하는 모티프는 이 인식의 대칭성을 깨기 위해 마이크로프로세서가 루프에 더 가깝게 갈라지는 방향보다는 머리핀의 베이스에 더 가깝게 정렬되도록 한다. 또한 이러한 모티브와의 상호작용은 대부분의 자연적인 pre-miRNA에서 관찰된 구조적 결함(예: 최적 이하의 스템 길이, 불일치 및 작은 돌출부)을 보상하여 서열 인식 능력을 높이는데 도움을 준다. 대부분의 포유류 miRNA 헤어핀의 구조적 결함을 보상하고 방향을 정하기 위해서는 네 가지 기준 가운데 일부만이 요구되므로, 네 가지 모티프를 모두 가진 포유류 pri-miRNA는 거의 없다.

4. 마이크로 RNA의 생물학적 기능

선충의 마이크로 RNA 녹아웃(knockout)에 대한 체계적인 생성과 분석은 대부분의 광범위하게 진화적으로 보존된 대부분의 마이크로 RNA는 미묘하거나 중복된 생물학적 기능만을 가지고 있다는 인상을 주었다. 이미 유전적으로 기능을 알고 있는 lin-4, let-7, lsy-6 마이크로 RNA 그룹에 속하는 유전자를 제외하고, 48개 그룹을 대표하는 83개의 마이크로 RNA 유전자가 2010년에 체계적으로 조사되었다. 이러한 규모의 노력에도 불구하고, 48가족 중 돌연변이에 대한 이상 표현형은 초기에 5개(miR-35, miR-51, miR-58, miR-240, miR-786)에서만 관찰되었다. 이후 보다 철저한 분석으로 다른 7개(miR-34, miR-71, miR-79, miR-83, miR-238, miR-246, miR-259)의 돌연변이가 정상적인 실험실 조건 하에서 자라났을 때, 그리고 4개(miR-63, miR-67, miR-86, miR-231)가 스트레스 조건에서 자라났을 때 그 기능을 밝힐 수 있었다. 또한 초기 연구에서 테스트하지 않은 그룹(miR-791)의 구성원을 방해한 후에도 이상 표현형이 관찰되고 있다.

표 1. 마이크로 RNA와 연관된 생물학적 기능
마이크로 RNA와 연관된 생물학적 기능


마이크로 RNA가 포유류, 파리, 그리고 아마도 대부분의 다른 동물들에게 중요한 이유는 그들이 유전자 발현 프로그램의 다른 수준에서 일어나는 조절을 보완하고 확장하는 후기 유전자에 대한 추가적인 제어 능력 때문이다. mRNA의 전사, 처리, 이송속도는 세포질에 들어가는 mRNA의 특성과 양을 결정한다. 일단 세포질에 들어가면, mRNA는 세포 내의 마이크로 RNA 환경과 마주치고 영향을 받게 된다. 이는 마이크로 RNA의 특성과 활동, 이러한 함께 발현된 마이크로 RNA의 사이트 수, 그리고 이들 부위의 효능에 따라 달라진다. 각 사이트에 대해, 억제 조절 효능은 일반적으로 50% 미만이며, 종종 20% 미만인 경우도 있다. 그러나 동일한 UTR에 있는 복수의 사이트에서는 각각의 부가 사이트 마다 부가적으로 행동하는 경향이 있고, 특히 서로로부터 약 8~40 nt 이내의 사이트에서는 협동적으로 행동하기 때문에, 훨씬 실질적인 억제력을 추가할 수 있다. 마이크로 RNA 환경은 세포 형태와 개발 과정에 따라 다르기 때문에, 동물은 mRNA와 마이크로 RNA 모두에 대해 비교적 프로모터(promoter)로부터 복잡한 유전자 표현 패턴을 얻을 수 있다.

5. 결론

25년 전 lin-4 마이크로 RNA의 발견 후, 다음으로 큰 발견은 동물에 존재하는 이러한 종류의 억제성 RNA가 아주 많다는 것이었다. 그리고 곧 그들의 조절 타겟이 놀랄 만큼 풍부하게 많다는 더 큰 발견이 뒤따랐다. 최근의 발견은 파리와 쥐에서 miRNA 그룹들에 비정상적 녹아웃 표현형을 실험을 통해 밝혀진 우위성 관계들이다. 그 다음 발견에는 어떤 놀라움이 뒤따를까? 시간이 말해 줄 것이지만, 과거 연구의 역사를 보건대 마이크로 RNA는 분명 실망시키지 않을 것이다.

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박상민(2019). 후생동물의 마이크로 RNA. BRIC View 2019-R06. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3185 (Mar 19, 2019)
* 자료열람안내 본 내용은 BRIC에서 추가적인 검증과정을 거친 정보가 아님을 밝힙니다. 내용 중 잘못된 사실 전달 또는 오역 등이 있을 시 BRIC으로 연락(member@ibric.org) 바랍니다.
 
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