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동물에서 마이크로 RNA 기능과 조절
동물에서 마이크로 RNA 기능과 조절 저자 김동현 (서울대학교 의과대학)
등록일 2020.05.07
자료번호 BRIC VIEW 2020-R13
조회 858  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
선충류에서 우연히 발견된 마이크로 RNA (miRNA)는 현재 동물에서 생명 활동의 기전에 가장 중요한 조절자 중 하나로 자리 잡았다. 이 작은 RNA들은 세포의 분화, 발달 그리고 항상성을 조절하는 복잡한 네트워크를 형성하며 miRNA의 조절 실패는 사람에서 암 등의 다양한 질병과 관련이 있다는 사실이 점차 밝혀지고 있다. 이 리뷰에서 miRNA의 활성, 대체 처리 및 성숙에 의한 세포 내 국소화, 서열 편집, 아르고나우트 단백질(AGO, Argonaute protein)의 번역 후 수정(post-translational modifications,) 바이러스 요인, 세포질로부터의 운반 및 miRNA-대상 상호작용에 의한 조절 기전 등에 대해 다룬다.
키워드: 마이크로 RNA, 유전자 조절, 유전자 미세조정
분야: Cell_Biology, Molecular_Biology

본 자료는 Regulation of microRNA function in animals. Nat Rev Mol Cell Biol 20, 21–37 (2019). 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 서론
2. miRNA의 기능에 대한 개요
3. miRNA서열의 변형
  3.1 Isomir 형성은 miRNA 활성을 조절한다.
  3.2 miRNA 전구체의 서열을 편집한다.
  3.3 비 특이적 뉴클레오타이드의 첨가
  3.4 miRNA의 회전율.
4. AOG의 번역후 수정
5. 격리에 의한 miRNA의 조정
6. miRNA 활성의 바이러스 조절
7. 세포질에서 miRNA 수송
  7.1 miRNA 핵으로의 이동
  7.2 순환하는 mRNA
8. miRNA 표적 부위의 조절
9. 미래의 관점


1. 서론

MicroRNAs(miRNAs)는 표적 mRNAs의 3’ 비 변환 영역(UTR)으로 아르고나우트 (AGO) 단백질을 유도하여 유전자 번역을 억제하는 짧은 비암호화(ncRNAs)이다. miRNA가 적재된 AGO 단백질은 miRNA 유도 사일런싱 중합체(miRISC)를 형성하여 miRNA가 유도하는 대상 mRNA의 변역 억제 및 제거를 촉진한다. miRNA는 예쁜 꼬마선충(c. elegans)에서 처음 발견되었는데 lin-4 유전자에 의해 생성된 이 짧은 RNA는 전사 후 단계에서 lin-14 mRNA를 억제한다. 처음에는 이 작은 RNA가 선충류의 독특한 특징이라고 생각되었지만, 이후 다양한 동물 종에서 비슷한 역할의 RNA들이 밝혀지면서 이 새로운 조절 자가 사실상 모든 세포 과정에 관여하고 있으며 동물의 발달, 세포 분화, 항상성 유지에 필수적이라는 것이 확인되었다. 최근 여러 연구를 통해 miRNA의 새로운 특징에 대해 자세히 밝혀졌으며 사람에서 miRNA 조절이 정상적으로 되지 않을 경우 수많은 질병, 특히 암과 관련이 있다는 것이 드러났다.
 

상자 1. miRNA의 생합성

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그림 1. miRNA의 생성과 성숙

miRNA 생합성에는 몇몇 단계에 의해 조절된다. miRNA는 RNA 중합효소 II에 의해서 miRNA 전사체 (pri-miRNA)로서 전사되며 이후 miRNA 전구체(pre-miRNA)를 거쳐 최종적으로 5’arm에서 온 5p 가닥과 3’arm에서 온 3p 가닥의 성숙-miRNA로 합성된다.

miRNA 전사체(pri-miRNA)의 경우 헤어핀 구조를 이루게 되는데 이를 RNase III 효소인 Drosha와 DGCR8 (DiGeorge syndrome critical region 8) 단백질의 복합체가 절단하여 miRNA 전구체(pre-miRNA)로 전환한다.

miRNA 전구체(pre-miRNA)는 70개 이하의 헤어핀 구조를 이루는 폴리 뉴클레오타이드이다. miRNA 전구체는 Exportin 5 단백질에 의해 핵에서 세포질로 수송되는데 세포질로 나온 miRNA 전구체는 RNase III 효소인 Dicer에 인식이 되고 성숙-miRNA의 이중체를 형성한다. 이때 나타나는 대체 절단에 의해 miRNA의 이성질체인 isomir가 나타나며 척추동물에서는 Dicer에 의한 절단이 TARBP와 PACT 단백질에 의해 조절된다.

만들어진 단일가닥 성숙-miRNA는 아르고나우트 (AGO) 단백질에 탑재되어 선도 가닥으로 사용된다.

 

miRNA는 암 유발 유전자(oncogene)과 암 억제 유전자(tumor suppressors) 모두로서 작용할 수 있으며 보통 암세포에선 전반적인 miRNA의 발현들이 저해되어 있다고 알려져 있다. 또한 몇몇 miRNA의 경우 종양 세포의 마커로서 사용되고 있거나 치료 타깃으로 제시되고 있다. 현재 miR-Base에 1,917종의 사람 miRNA 전사체(pre-miRNA)와 2,654종의 성숙 miRNA (mature miRNA)가 등록되어 있고 인간의 단백질을 암호화하는 유전자의 60% 이상이 miRNA에 대한 잠재적인 타깃 서열을 지니고 있다.

이 리뷰에서는 miRNA 기능과 조절에 대한 개요에 대해 설명하고 miRNA 이성질체(isomer)들의 형성이나 비 원형적 염기서열 추가, miRNA 결합 단백질들의 번역 후 조정, 격리를 통한 miRNA 제한, 바이러스 인자들이 miRNA를 조절하는 방법, 세포질에서의 miRNA 수송, miRNA와 그 타겟 유전자(mRNA)들과 상호작용에 대해 자세히 토론한다.

2. miRNA의 기능에 대한 개요

miRNA가 전사되면 miRNA 전사체(pri-miRNA)의 형태로 만들어진다. 일차적으로 RNA 중합 효소 II (RNA polymerase II)에 의해서 인트론이 포함된 긴 비코딩 RNA (lncRNAs)로 전사되고 이후 다양한 단계의 생합성 과정을 거치며 miRNA 전구체(pre-miRNA) 그리고 최종적으로는 성숙 miRNA (mature miRNA)로 만들어지게 된다. 일반적으로 miRNA의 발현은 조직 특이적인 성질을 보이는데 이는 전사 단계에서 조절되는 것으로 보인다.

성숙 miRNA가 탑재되는 아르고나우트(AGO) 단백질은 N-terminal domain, PAZ (Piwi-argonaute-Zwille), MID, PIWI (P-element Induced WImpy testis)의 4가지 도메인으로 구성되며 서로 두 개의 linker 도메인으로 연결되어 있다. MID와 PIWI 도메인이 miRNA의 5' 끝부분을 결합하고 PAZ 도메인이 반대쪽 3' 부분을 결합한다. 포유류 세포는 4개의 AGO 단백질을 가지고 있으며 (AGO 1~4) 이중 AGO2가 가장 발현량이 높다. miRNA는 AGO 1~4 모두에 결합할 수 있지만, 사람에서 몇몇 miRNA는 특정 AGO 단백질에 높은 감수성으로 결합하는 것으로 알려져 있다.

mRNA에서 miRNA가 결합하는 씨앗 서열(seed)은 일반적으로 3' 비번역 부위(3' UTR)에 존재한다; 이 부위에는 miRNA와 강하게 상보적인 서열들이 있으며 이 서열 분석을 통해 특정 miRNA가 어떤 유전자를 조절하는지 예측할 수 있다. 정석적으로 가장 강력하게 결합하는 씨앗 서열은 2~8개의 염기로 되어있으며 이 서열 중 가장 첫 번째 염기가 아데닌인 형태(t1A)이다. 이 t1A는 miRNA에 결합하는 것이 아닌 AGO 단백질에 결합한다. miRNA의 타깃 인식은 두 단계의 기작으로 이루어지는데 먼저 씨앗 서열의 2~6 염기가 미리 MID와 PIWI 도메인에 인식이 되고 나선형의 구조를 형성하며 이 단계가 제대로 이루어지지 않을 경우 빠르게 결합이 해제된다.

AGO-miRNA가 유전자 발현을 억제하는 방법은 번역의 억제 혹은 mRNA 분해에 의해 이루어진다. 후자의 경우 AGO 단백질이 GW182 (glycine-tryptophan protein of 182 kDa, 사람에선 TNRC6A, TNRC6B, TNRC6C) 단백질들을 불러오는 것으로 시작된다. GW182 단백질은 PABPC (polyadenylate-binding protein)과 상호작용하여 mRNA의 A 중합 꼬리 부위를 분해하는 아데닌 분해 과정을 담당하는 PAN2-PAN3와 CCR4-NOT 중합체를 불러옴으로써 시작된다. 이렇게 진행된 mRNA의 탈아데닌 작용은 DCP1-DCP2 중합체를 불러와서 mRNA 5' 시작 부분의 decapping을 유도하고 결과적으로 XRN1 (5’-3’ exoribonuclease 1) 단백질에 대한 감수성을 높여 mRNA가 분해되도록 한다. 또한 GW182에 의해 모여진 CCR4-NOT 중합체는 DDX6 (ATP-의존적 RNA helicase)를 불러와 번역을 억제한다. miRNA에 의한 mRNA 번역의 억제는 eIF4A-I (eukaryotic initiation factor 4 A-I)와 eIF4A-II의 작용 방해에 의해서도 일어날 수 있다. 이 작용기전은 Drosophila melanogaster S2 cell에서 밝혀졌는데 GW182 단백질 독립적으로 일어난다고도 확인된 바 있어 miRNA 중합체의 번역 억제에 대해 아직 많은 연구가 필요한 시점이다 (그림 1 참조).
 

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그림 2. miRNA 복합체 작용 기전에 대한 개요


miRNA 중합체의 두 가지 유전자 발현 억제 기전의 경우 서로 깊게 연관되어 있으며 리보솜 분석법을 통해 밝혀진 바로는 mRNA 분해가 일반적으로 유전자 발현 억제의 66~90%를 담당한다고 나타났다. 이는 단순히 번역의 억제의 경우 가역적이지만 mRNA를 분해하는 기작은 비가역적이기 때문이다. 일반적으로 한 개의 miRNA의 경우 수백 개의 유전자를 억제할 수 있지만, 각각의 유전자에 대한 효과는 그리 강하지 않고 몇 개의 miRNA가 하나의 유전자를 동시에 억제하는 것이 가능하다. 이런 miRNA 집단이 비 상보적 miRNA 결합 서열 존재의 설명이 될 수 있을 것이다. 결론적으로 miRNA는 유전자의 발현을 억제하거나 단백질의 발현을 미세조정 함으로써 유전자 발현을 조절한다고 할 수 있다.

3. miRNA서열의 변형

miRNA와 그 타깃의 상호작용은 주로 씨앗 서열에 의해 결정되며 miRNA 생합성 과정에서 RNA 결합 단백질들은 RNA의 2차 구조에 영향을 준다. miRNA나 그 전구체는 세포 과정에서 염기 서열이 변할 수 있으며 이에 따라 miRNA 생합성이나 활성, 전환 등에 영향을 받는다

3.1 miRNA 이성질체(Isomir) 형성은 miRNA 활성을 조절한다.

Isomir는 성숙-miRNA의 변형체들로 길이나 서열 혹은 둘 모두가 달라진 것들을 말한다. isomir들은 기존 miRNA에서 성숙, 안정성, 활성, 회전율과 표적 서열 등이 변화하였다. isomir들은 Drosha 혹은 Dicer에 의해 처리될 때 변화한 서열에 따라서 5’, 3' 혹은 내부 isomir로 구분되어지며 RNA 편집이나 비 원형적 염기 추가(NTA)로 구분되어진다. 이런 Isomir 발현 패턴은 종양에 대한 표지자로 사용되어질 수 있다. 일차적으로 miRNA 길이와 서열을 결정하는 데에는 Drosha와 Dicer가 중요한 역할을 한다. Drosha에 의한 대체 과정은 마우스 CD8+ T cell에서 miR-142와 miR-342 연구를 통해 처음 밝혀졌으며 점차 다양한 사람 세포에서도 동일한 작용이 있다는 것이 발견되었다. Dicer에 의한 절단이 좀 더 깊게 연구되었는데 이는 TARBP (TAR RNA-결합 단백질)과 PACT 혹은 PRKRA (인터페론 연관 단백질 인산화 효소 활성화 단백질)에 의해 조절된다.

5' isomir의 생산에는 Drosha와 Dicer에 의한 대체 절단(alternative cleavage)에 의해서 일어난다. 대체 절단에 의해 miRNA 전구체가 성숙되면서 씨앗 서열의 이동이 일어나고 이에 따라 다양한 5' isomir가 생긴다. 절단에 의한 5’ 끝부분의 다양화로 인해 miRNA가 다른 표적을 선택하는 작용이 사람과 파리의 연구에서 발견되었고, 세포 종마다 5' isomir의 양이 다양한 것으로 알려져 있다. miRNA 타깃이 변경되는 5’ isomir와는 달리, 3' isomir는 miRNA의 길이에 영향을 미쳐 안정성과 회전율을 조정한다고 알려져 있다. 예를 들면, C형 간염 바이러스(HCV)의 RNA에 결합하는 miR-122의 3' isomir의 경우 염기 수 21개의 isomir가 만들어지면 더 긴 isomir들 보다 RNA에 결합하는 능력이 약해진다.

3.2 miRNA 전구체의 서열을 편집한다.

RNA 편집은 miRNA 서열을 바꾸고 isomir들을 생성하며 생합성 과정에 영향을 미쳐 5'이나 3'부분의 다양화를 유발한다. 탈아민화는 miRNA 전구체 편집 단계에서 가장 흔하게 관찰되는 편집법 중 하나이다. ADAR (RNA에 작용하는 아데노신 탈아민화 효소) 이 아데노신을 이노신으로 바꾸게 되면(이노신은 티민이 아닌 구아노신에 상보적으로 결합하는 염기이기 때문에) 새로운 miRNA 염기 서열을 형성하게 된다. 이와 비슷하게 CDAR (RNA에 작용하는 사이티딘 탈아민화 효소)의 경우 사이티딘을 우라실로 바꾸어 새로운 서열을 생성한다. 아데노신이 이노신으로 바뀌는 편집법이 다양한 세포군에서 관찰되며 이 편집으로 인해 miRNA 전구체가 Drosha와 Dicer에 의해 절단되는 성숙 단계, AGO에 탑재되는 민감도 그리고 씨앗 서열에 영향을 미쳐 miRNA가 새로운 타깃을 만드는 데 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 반면, 사이티딘이 우라실로 변경되는 편집은 상대적으로 씨앗 서열에 영향을 미치기 힘들다고 보고된 바 있으며 이러한 편집으로 인해 miRNA의 타깃과 활성이 달라진다고 사람과 마우스 세포에서 miR-22 전구체에 대한 연구에서 처음으로 밝혀졌다. 요약하면, RNA 서열 편집은 miRNA의 목표 특이성을 조절하여 그 역할을 다재다능하게 만드는 중요한 작용 기전이며 이 현상이 생물학적으로 얼마나 중요한지에 대해 더 자세한 연구가 필요하다.

3.3 비 원형적 염기의 추가

NTA (비 원형적 염기의 추가)는 주로 miRNA 3’끝 부분이 아데닌화나 유리딜화 되는 현상을 말하며 조직이나 발생 단계, 질병 상태나 심지어 종 특이적으로 나타난다. NTA는 miRNA 안정성을 조절하는 여러 효소들에 의해 발생하는 데 GLD2 (“PAPD4”라고도 불리는 poly(A) RNA 중합 효소)가 miRNA 3' 부분에 하나의 염기를 아데닌화 하는 것이 간 조직과 마우스 섬유아세포에서 miR-122의 안정성을 증가시키는 알려졌다. PARN (poly(A) 특이적 리보뉴클레이스)은 GLD2의 반대 기능을 하는 효소로서 miRNA 3’ 끝부분의 아데닌화를 제거하여 miRNA 안정성을 떨어뜨린다. 이 PARN의 경우 CUGBP1 (혹은 “CELF1”으로 불리는 CUG 3염기 반복 RNA 결합 단백질1)이 miR-122에 결합함으로써 miRNA에 불려와 작용하는 것으로 보고되었다. 반면에, 최근 연구에선 마우스 해마 부분 특이적으로 GLD2를 제거하여 miRNA의 아데닌화를 억제하였음에도 불구하고, miRNA 안정성에는 큰 변화가 없는 것이 보고된 바 있고, PAPD5 (poly(A) RNA 중합체 PAP-연관 도메인-포함 단백질5)의 경우 3' 의 아데닌화를 촉진하지만, 오히려 miR-21의 분해를 촉진하는 것으로 알려져 이에 대한 자세한 연구가 필요한 시점이다.

3' 유리딜화의 경우 miRNA 활성을 지속적으로 저해한다. TUT4 (ZCCHC11 으로도 알려진 말단 유리딜릴 전환 효소 4)에 의해 miR-26b의 3' 유리딜화가 일어나게 되면 miRNA의 타깃 저해 능력이 감소하며 이 TUT4 연관 유리딜화는 T 세포가 활성화될 때 수많은 miRNA들을 억제하는 데 역할을 하는 것으로 알려졌다.

지금까지 NTA에 연관된 효소로 알려진 것들은 GLD2, PAPD5, poly(A) 중합효소-γ, poly(A) 중합 효소, TUT7, TUT5, TUT1 등이 있으며 각 동물 종마다 나타나는 NTA의 패턴이 서로 다른 것으로 보고되었다. 예를 들면, 유리딜화는 C. elegans에서 흔하게 일어나지만, 사람이나 마우스의 경우 아데닐화가 더 활발하다. 종합하면, NTA는 특정 세포종에서 특정 miRNA의 안정성에 긍정적으로도 부정적으로도 영향을 미친다.

3.4 miRNA의 회전율.

miRNA는 일반적으로 생물체 안에서 안정적이라고 생각되어지지만 miRNA의 회전율(turnover)은 다양한 인자들에 의해 조절되며 miRNA마다 짧게는 수분에서 길게는 며칠까지 miRNA 마다 다양한 회전율을 보인다. miRNA의 회전율은 miRNA 서열에 연관되어 있는데; 특히 5' 부분에 구아닌과 시토신을 가지면 이 부분에 우라실을 가진 miRNA보다 회전율이 높다. 안정성 역시 miRNA 특이적인 것으로 보인다. 예를 들면, 마우스 섬유아세포주 3T3 세포에서의 연구로 밝혀진 내용은, 일반적으로 miRNA들은 안정성이 높다고 알려져 있지만, miR-16 패밀리의 경우에만 3T3 세포주에서 안정성이 매우 떨어진다. 또한 회전율은 세포뿐만 아니라 조직 특이적인 성질도 보인다(miRNA는 신경조직에서 다른 조직보다 일반적으로 빠른 회전율을 보인다.).

miRNA의 불안정화를 유발하는 기작은 “TDMD (타겟 RNA 직접적 miRNA 제거, Target -directed miRNA degradation)”라고 정의된다. TDMD에서, 3'부분과 5'부분에 광범위한 상보성을 가진 타겟 RNA가 miRNA 회전을 유발한다. 일반적으로 TDMD는 3' NTA (비특이적 염기 추가)와 연관되어 있는데, 3’ NTA는 AGO에 탑재되는 miRNA의 길이를 확장시켜 타깃과 miRNA의 결합을 오래 유지시킨다. 이로 인해 염기 분해 효소들이 타깃 RNA를 분해할 때까지도 miRNA가 타깃과 결합하게 만들고 결국 타깃과 함께 분해되어진다. 최근 이 가설을 반박하는 연구가 발표되었는데, DIS3L2 (3’-5’ 엑소리보뉴클레이스 DIS3-like 엑소뉴클레이스 2)는 miR-27a의 3' NTA를 유발하여 TDMD에 연관되어 있지만, DIS3L2를 제거하더라도 TDMD의 효율에는 영향을 미치지 않는다. 그러므로, TDMD와 miRNA의 3' 변환은 각각 독특한 과정이며 우리는 현재 TDMD에 대해 완전하게 이해하고 있지 않다.

사람 배아 신장 세포주인 HEK239 세포를 이용한 분석에서 3' 끝 염기의 상호 보완성이 miRNA 분해에 매우 중요하며 miRNA 3’ 끝에 대한 높은 보완성을 가진 시드 리스 타겟(seedless target)에 의해 분해가 촉진된다는 것이 밝혀졌다. HEK239 세포(인간 배아 신장 세포주)를 이용한 생화학적 분석에서, 3’ 끝부분 뉴클레오티드의 상호보완성이 miRNA 분해에 매우 중요하며, miRNA 3’ 끝에 대한 보완성이 높은 시드 리스 타겟(seedless target)에 의해 촉진된다는 것이 밝혀졌다. 마지막으로, 종양 억제 유전자 miR-34에 대한 miRNA의 인산화 의존적 조절 기작이 최근에 발견되었다. 마지막으로 David W. Salzman과 동료들이 A549, Hela 등 총 네 개의 인간 암세포주를 이용하여 실험한 결과에 의하면 핵에 포함된 miR-34는 비활성, 성숙, 단 가닥으로 존재하고 있으며 5’ 인산기가 없으면 AGO에 탑재되지 않는 것으로 나타났다. 이 결과는 miRNA의 인산화 역시 AGO 단백질에 대한 결합과 miRNA 안정성에 관여한다는 것을 의미한다. 이 현상이 얼마나 널리 퍼졌는지 불분명하지만, 이러한 발견은 miRNA가 비활성 형태로 유지되고 자극에 반응하여 빠르게 활성화될 수 있음을 시사한다.

4.AGO의 번역후 수정

AGO 단백질은 번역된 후 몇 단계의 수정(번역 후 수정, Post-translational modification)을 거치는데 가장 잘 알려져 있는 PTM은 3가지 부위(L2 연결 단백질의 Ser387과 Try393, MID 도메인의 Tyr529 부위)에 대한 인산화이다.

Ser387 부위의 인산화는 MAPK 신호 체계에 의한 스트레스 반응을 담당하는 p38에 의해 자극되며 AKT3 (proto-oncogene RACγ serine/ threonine 단백질 인산화효소)에 의해서도 일어난다고 알려져 있다. 이 부위를 인산화가 되지 않도록 변이시키면, Ago2와 TNRC6A 단백질의 상호작용이 감소하는 것을 통해 Ser387 인산화가 LIM 도메인 포함 단백질 1과의 상호작용에 필수적임을 확인하였다. LIM 도메인 포함 단백질 1은 Ago2와 GW182 단백질을 연결하는 역할을 함으로써 miRNA 작용에 반드시 수반되어야 한다. 따라서 Ser387의 인산화는 miRNA 작용에 반드시 필요하다고 볼 수 있다.

Tyr393은 Ser387과 인접한 펩티드 서열로서 EGFR 신호 체계와 저산소 스트레스에 의해 인산화가 일어난다. Tyr393 잔기의 인산화는 Ser387 잔기의 인산화와는 반대로 miRNA를 억제하는 방향으로 조절하는데, 이 Ser387 일어난 인산화가 Ago2와 Dicer의 상호작용 등을 감소 시켜 결과적으로 miRNA가 Ago2에 탑재되지 못하도록 만든다. Tyr529 잔기의 인산화 역시 마찬가지로 잠재적으로 Ago 단백질에 miRNA가 탑재되는 것을 억제한다.

이 밖에도 AGO 단백질의 S824-S834 잔기에서 인산화 사이클이 존재한다고 알려졌다. 이는 타깃 mRNA를 Ago2에서 방출되게 하는 것과 연관이 있는데, miRNA 중합체가 mRNA에 결합하면, CSNK1A1 (카제인 인산화 효소 I isoform-a)에 의해 S824-S834 잔기의 순차적인 인산화가 일어나고 mRNA와 Ago2 단백질의 결합력을 낮추어 결과적으로 miRNA 중합체로부터 mRNA가 방출되도록 돕는다.

인산화 이외에도, Ago2 pro700의 하이드록실화는 마우스와 사람 세포에서 Ago2의 안정성을 높이는 역할을 한다고 알려져 있으며, Ago 단백질에 Asp, Glu, Lys 잔기를 달아주는 파릴화 (PARylation, poly(ADP-ribose)의 경우 세포 스트레스 반응으로 인해 일어나는데 파릴화된 Ago 단백질은 타겟 mRNA에 대한 접근성이 감소한다고 생각된다. 마지막으로 Lys402 잔기의 수모릴화에 대해 두 연구그룹에서 상반된 결과를 도출하고 있는데, 한쪽의 경우 수모릴화에 의해 Ago2의 안정성이 감소한다고 밝혔지만, 다른 쪽은 Ago2의 활성에 반드시 필요하다고 주장한다.
 

표 1. Ago 단백질의 번역후 수정과 miRNA 복합체 기능의 상관관계
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5. 격리에 의한 miRNA의 조정

경쟁하는 내생적 RNA (ceRNA) 가설은 miRNA 대상 mRNA의 세포 내 농도를 증가시키면 특정 miRNA들이 증가된 mRNA에 결합함으로써 miRNA의 세포 질적 가용성을 감소시킨다는 가설이다. 이로 인해 동일한 miRNA의 대상인 다른 mRNA를 경쟁적으로 억제할 수 있다고 생각된다. ceRNA 모델에 따르면, 유전자 표현은 miRNA에 대한 표적 RNA의 글로벌 경쟁에 의해 형성될 것이지만, 단일 CeRNA의 표현 증가가 miRNA의 총 대상 사이트 수를 현저하게 증가시킨다고는 생각되지 않기 때문에, miRNA 활동에 의미 있는 영향을 미칠 것 같지 않고 ceRNA의 잠재적 유효성은 현재 논란이 되고 있다.

논란에도 불구하고, lncRNA, pseudogenes, mRNA 및 특정 circRNA를 포함하여 잠재적 ceRNA의 목록은 증가하고 있다. 마우스에서 긴 유전자 간 비단백질 부호화 RNAdls linc-md1 (근육 분화 1)은 근육별 전사 인자를 대상으로 하는 miR-133과 miR-135를 격리시켜 근세포 분화를 추진한다고 제안되었다. 최근에는 가능한 ceRNA 메커니즘을 통해 생쥐의 B 세포 림프종을 촉진하기 위해 Braf pseudious의 과압이 발견되었고, circRNA는 역동적이고 복잡한 표현 패턴을 가진 비 부호화 RNA로 그 기능은 여전히 탐구할 부분이 많이 남아있으며 수천 개의 circRNA가 확인되었지만, 현재 많은 수의 miRNA 대상 사이트를 보유하고 있는 CDR1 antisense RNA (CDR1as) 같은 소수의 circRNA에 대해서만 연구되어 있다.

6. 바이러스에 의한 miRNA 활성의 조절

바이러스는 복제를 위해 숙주 miRNA의 용도를 변경하거나 변조하도록 진화했으며, 이는 종종 miRNA 기능에 영향을 미친다. 가장 잘 연구된 상호작용은 C형 간염 바이러스(HCV)와 MiR-122인데, 고도로 구조화된 바이러스 RNA 5’UTR에는 내부 리보솜 진입 부위가 있으며, 그 상류에는 간 조직에 풍부한 miR-122의 결합 부위가 두 개 있다. 이 부위에 Ago2–miR-122가 결합하고, 바이러스 RNA가 엑소뉴클리에이즈에 의해 분해되는 것을 예방한다. 또한 아마도 이 때문에 정상적으로 miR-122가 기능하지 못하게 되고 이 기작이 잠재적으로 HCV와 간암 발병 사이의 연관성이라고 생각되고 있다.

Herpesviridae 과의 몇몇 구성원들 역시 호스트 miRNA 기능을 변조한다. Herpesvirus saimiri (HVS)의 경우 구조적으로 작은 핵과 유사한 HSURs (H. saimiri uracyl-rich RNAs)를 발현하는데 miR-16 (HSUR2), miR-27a (HSUR1) 및 miR-142-3p (HSUR1과 HSUR2 모두)에 대한 결합 부위를 가진다. HSUR1은 TDMD를 통해 감염된 마모셋 T 세포의 miR-27a 수준을 감소시켜 MiR-27a 세포 대상 mRNA를 억제하고 T세포 활성화를 촉진한다. HSUR2는 결합하는 miRNA를 고갈시키는 것이 아니라, 대신 AGO–miR-142-3p와 AGO–miR-16 복합체를 세포 mRNA에 채용하는 연결고리로 작용하여 pro-apoptosis 인자를 인코딩하여 연결된 mRNA의 침묵을 유도하고 사멸을 방지한다. 인간 사이토메갈로 바이러스(HCMV)는 miR-17-92 클러스터의 miR-17과 miR-20a를 TDMD의 대상으로 만들어 억제하는데, miRNA의 저하는 HCMV 감염 중 바이러스 생성을 가속화한다.

7. 세포질에서 miRNA 수송

miRNAs는 세포질에서 기능한다. 따라서 miRNA의 활성은 miRNA를 핵으로 혹은 세포 외소낭으로 전달함으로써 조절될 수 있는데, 이를 통해 miRNA의 위치 특이성 기능 조절의 가능성이 제시된다.

7.1 miRNA 핵으로의 이동

miR-21은 핵에서 발견된 첫 번째 miRNA이다. 핵 추출물에서 총 질량의 20%를 차지하는 miR-21의 이성질체인 miR-21b는 3’부분에 헥사뉴클레오티드 핵 국산화 신호를 보유하여 세포질에서부터 핵으로 이송된다. Ago2, Dicer, TARBP와 GW182 단백질도 핵으로 이동하여 miRNA 복합체를 형성하는데, 포유류 세포에 대한 최근의 연구는 핵 miRNA가 보완적 대상을 억제하지 않는다는 것을 보여주었다. 하지만 아직 어떠한 기작에 의해 핵으로의 이동이 일어나는지, 핵으로 이동된 miRNA가 어떤 역할을 하는지 등에 대해선 아직 자세히 알려지지 않았다.

7.2 순환하는 miRNA

순환하는 miRNA는 잠재적인 암 바이오 마커들로 사용된다. 순환하는 miRNA는 엑소좀에서 발견되는데 이는 miRNA가 세포 간 신호 전달에 기여할 수 있다는 것을 의미한다. 이 순환하는 miRNA의 경우 조절 기능을 할 수 있다고 생각된다. 유방암 세포주에서 추출된 엑소좀은 miRNA 전구체와 세포 독립적으로 miRNA를 성숙시키는 단백질들을 포함하고 있으며 세포분열을 유도하고 아마도 암 전이에 관련되어 있을 것이라고 생각된다. 최근 연구들에서 갈색 지방 조직(brown adipose tissue)이 마우스와 사람에서 엑소좀 miRNA의 주된 공급원이라고 생각되며 이 엑소좀에서 추출된 miRNA들을 전달받은 마우스는 간에 존재하는 다양한 리포터 유전자들을 억제하는 것으로 확인되었다.

엑소좀 miRNA의 생물학적 기능을 이해하기 위해선 miRNA 특이적으로 엑소좀에 수송되는 기작을 아는 것이 필수적이다. 제안된 분류 메커니즘 중 하나는 엑소좀 lncRNAs를 통한 것이며 엑소좀 RBP들이 “exomotif”라고 불리는 miRNA 서열과 결합하면서 수송이 시작된다. Exomotif는 miRNA의 3’ 부위에 존재하는 서열이며 GGAG 서열의 경우 miR-198과 다른 엑소좀 miRNA와 결합하여 miRNA가 엑소좀으로 수송되도록 한다. 종양 억제 유전자인 miR-193a의 경우 세포질에서 이 miRNA를 제거하기 위해 엑소좀으로 수송되는 독특한 케이스로 알려져 있다. 마지막으로 Ago2 Ser387 인산화는 대장암 세포에서 Ago2가 엑소좀으로 수송되는 것을 억제한다. 세포 내에서 단일 가닥의 miRNA의 경우 빠르게 분해되어 거의 기능을 하지 못한다는 것으로 알려졌지만, miRNA의 엑소좀으로의 수송 기작 등을 확인해 보았을 때 아직 엑소좀 miRNA에 대한 기전적 측면과 기능적 측면에 대해 더 많은 연구가 필요하다.

8. miRNA 표적 mRNA 서열에 대한 조절

miRNA의 활동은 표적인 mRNA의 변화를 통해서도 조절될 수 있다. RNA 편집은 표적 부위에 대한 상보성을 변경시킬 수 있고 특히 조절되지 않은 편집은 종양과 관련이 있다고 알려져 있다. 마찬가지로, Ago 단백질의 t1A 결합 부위는 RNA의 N6-메틸아데노 신화를 인지할 수 없고 따라서 표적 mRNA의 아데노신 메틸화는 절묘하게 miRNA의 기능을 조절할 수 있을 것이라고 생각된다. 또한, mRNA의 3’ 비전사 부위에 대한 이성질체들은 miRNA 표적 부위를 없애거나 추가하여 miRNA 민감성에 대한 변화를 유도한다. RNA 결합 단백질들 역시 miRNA-표적 상호작용을 조절할 수 있다. Pumilio 단백질은 휴지기 세포에서 종양 억제 유전자 p27을 암호화하는 mRNA의 3’UTR 부분에 결합함으로써 miR-221과 miR-222에 결합하는 부위를 노출시키고 결과적으로 세포가 세포분열 단계를 거치도록 조절한다.

또한 RNA 결합 단백질들은 Ago2의 인산화 사이클을 조절한다고 제시되었는데 어떤 특정 RBP가 이를 조절하는지에 대해선 아직 밝혀지지 않았다. 흥미롭게도, 성인 마우스 조직에서는 miRNA가 낮은 분자량을 가진 miRNA 복합체(~100 kDa)로서 존재하지만, 반대로 세포주들에서는 대부분의 miRNA가 GW182를 포함하는 높은 분자량(2 MDa 이상)을 가진 miRNA 복합체로 존재한다는 것이다. 따라서 세포주들에서 얻은 miRNA에 대한 발견은 조직에서 발견한 활동과 비교하며 결과를 적용할 때에 이에 대해 신중한 자세를 취해야 한다.

9. 미래의 관점

miRNA 기능에 관한 많은 질문들이 아직 명확한 답을 찾지 못한 채로 남아있다. NTA는 miRNA의 3’ 끝부분에 염기를 추가하는 기능으로 잘 알려져 있지만, miRNA 안정성 또는 제거를 촉진하는 첨가된 염기의 조직 고유의 중요성이나 세포가 수정할 miRNA를 선택하는 기작에 대해서는 밝혀진 부분이 없다. 또한 씨앗 서열의 변화에 관해서 5’ isomir에서는 넓게 연구되어 있지만, 3’ isomir의 기능과 특성에 대해서는 거의 알려져 있지 않다.

mRNA의 2차 구조나 3차 구조와 miRNA 표적 인지의 상관관계에 대해서도 자세히 알려진 바가 없다. 일반적으로 miRNA 복합체에 물리적으로 접근할 수 없으면 miRNA에 의한 유전자 침묵이 저해되지만, 몇몇 RNA 바이러스의 경우 복잡한 구조를 가진 유전자에 miRNA 복합체가 접근하는 것으로 보아 RNA 구조적인 문제는 그리 결정적이지 않은 인자일 수 있다.

miRNA가 엑소좀에 존재한다는 사실은 miRNA가 세포간의 의사소통에 참여한다는 것을 암시하지만, 생리적 증거들은 여전히 밝혀지지 않은 상태이다. 마찬가지로, 엑소좀에서 miRNA 단일 가닥과 Ago2에 탑재된 miRNA 모두가 검출된다는 점은 일반적인 miRNA에 대한 우리들의 지식으로선 이해되지 않는 현상이다.

마지막으로, 마지막으로, AGO와 TNRC6의 분자 응축 특성에 대한 최근 보고는 miRNA 규제를 생물학적 위상 분리라는 성장하는 분야와 연관 지어 볼 수 있다. 이 데이터는 miRNA 복합체가 in vitro와 살아있는 세포에서 큰 분자 응축수를 형성할 수 있다는 것을 증명하며, 분자 응결을 통해 더 높은 수준의 복합체를 형성할 수 있는 능력이 miRNA 복합체가 세포질 내에서 miRNA–target 상호작용을 조직하여 mRNA 변환 및 붕괴 속도를 변조할 수 있다는 가설을 도출하였다. 이는 miRNA 활동이 miRNA 복합체 구성요소의 생물 물리적 특성 변조에 의해 miRISC 자체의 어셈블리를 통해 규제될 가능성을 제기한다.

결론적으로, 비록 25년 전에 miRNA의 첫 번째 증거가 발견되었고 그 이후로 주요한 진보가 이루어졌지만, 이 작은 조절자들의 활동을 지배하는 복잡한 메커니즘의 많은 측면들이 발견되고 앞으로도 탐구되어야 한다.

 

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김동현(2020). 동물에서 마이크로 RNA 기능과 조절. BRIC View 2020-R13. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3494 (May 07, 2020)
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