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생명현상의 근원인 유전자 발현 원리 규명해
생명과학 DGIST (2019-11-26 10:01)

DGIST는 뉴바이올로지전공 곽준명 교수와 김윤주 박사(IBS 식물노화수명연구단)가 주축이 된 연구팀이 유전자 발현과 세포 내 제어 RNA 항상성을 조절하는 핵심물질의 원리를 규명했다고 25일(월) 밝혔다. 이번 연구는 생명현상의 근원을 밝혀낸 성과로써, 향후 농작물 생산성 증가와 인체 질환의 치료 등에 기여할 것으로 기대된다.

 생명체를 이루고 있는 세포는 복잡한 여러 작용들을 통해 스스로 조절하며 유지하는 능력을 가지고 있다. 이러한 작용 중 외부 유전자의 세포 내 침입을 억제해 유전자 형성을 조절하는 ‘유전자 전사 침묵(Post-Transcriptional Gene Silencing, PTGS)’이 있으며, 세포 내 잘못 생성된 RNA3)가 세포에 손상을 주지 않도록 이를 제거하여 항상성을 유지하는 ‘RNA 품질관리(RNA quality control, RQC)’ 작용이 있다.

 이 두 가지 상호작용을 통해 세포내 RNA는 항상성을 유지하면서 생명의 영속성을 가지게 되나, 상호작용에 대한 자세한 메커니즘에 대해 알려진 바는 거의 없는 실정이다.

 연구팀은 두 작용의 원리를 알아내기 위해 연구를 진행했고, 세포 내 단백질분해 복합체인 26S 프로테아좀(26S Proteasome)이 제어 RNA의 항상성을 조절해 유전자 발현을 통제한다는 것을 밝혀냈다.

 연구팀은 이를 시각화하기 위해 ‘미끼(Prey)’와 ‘사냥꾼(Orion)’으로 명명한 세포 특이적 분자유전학적 시스템을 자체 고안했고, 이를 애기장대식물에 도입했다. 그 결과, 프로테아좀의 구성 단백질인 ‘RPT2a’가 제어 RNA 항상성을 조절하는 분해 효소들과 결합하고 이 단백질들의 양을 조절해 유전자 형성을 조절하는 ‘유전자 전사 침묵’ 작용에 기여함을 규명했다.

 DGIST 곽준명 교수는 “이번 연구는 세포가 어떻게 단백질 분해 메카니즘을 이용해 제어 RNA생성을 조절하고 외부 RNA를 통제하는지에 대한 생명현상을 최초로 규명한 것”이라며, “본 연구결과를 통해 농작물 생산증가 및 인체 질환의 치료에 새로운 접근 방법을 제공할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

 이번 연구 결과는 네이처 플랜트(Nature Plants, IF=13. 297)에 18일자 온라인 게재되었다. 본 연구는 DGIST 뉴바이올로지전공 곽준명 교수와 IBS 식물노화수명연구단 김윤주 박사가 공동교신저자로, IBS 식물노화수명연구단 김명희 박사가 제 1저자로, DGIST 이병훈 교수, 생명과학연구원 박정미 박사 및 연구원들이 참여했다.


연구결과개요  

Proteasome subunit RPT2a promotes PTGS through  repressing RNA quality control in Arabidopsis

 Myung-Hee Kim, Jieun Jeon, Seulbee Lee, Jae Ho Lee, Lei Gao, Byung-Hoon Lee, Jeong Mee Park, Yun Ju Kim, June M. Kwak

RNA 품질관리 (RNA quality control, RQC)와 유전자 전사침묵 (post-transcriptional gene silencing, PTGS)는 독립적으로 또 상호작용을 통해 세포 내 RNA의 항상성을 유지하는데 중요한 역할을 한다. 특히 최근에서야 그 상호작용의 생물학적 기능의 중요성이 인식됨에 따라, 어떻게 조정되는지는 거의 알려지지 않고 있다. 본 연구에서는 세포특이적 유전자들을 이용하여 ‘미끼(Prey)’와 ‘사냥꾼(Orion)’으로 명명한 분자유전학적 system을 개발하고 이용하여, 단백질 분해 복합체인 프로테아좀의 구성단백질인 RPT2a가 RNA 품질관리를 책임지는 RNA 분해 효소들의 단백질 양을 조절하여 유전자 전사침묵을 촉진함으로써 외부 RNA의 침입을 통제함을 밝혔다.  논문 바로보기  ☞  Nature Plants

연구결과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
본 성과는 동식물 최초로 단백질 분해 복합체 프로테아좀이 RNA 품질관리에 작용하는 주요 RNA 분해 효소를 조절함으로서 외부유전자에 의한 침입을 억제하여 세포내 RNA 향상성을 통제하는 것을 최초로 규명한 것이다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
유전자 발현과 항상성을 조절하는 원리를 규명함으로서 향후 작물생산성 증진과 관련 인체 질환의 치료에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
본 연구 성과는 생명현상의 가장 근본적인 원리를 파악한 기초과학 연구로서 성과의 실용화까지는 장기간의 후속 연구가 필요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
세포특이적 유전학을 연구하고 세포내 RNA 항상성과 유전자 전사침묵 원리를 규명하기 위해 세포특이적 시스템을 개발하여 이를 활용하여 지금까지 밝혀지지 않은 생명 현상의 원리를 규명하고자 하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
관련이 없어 보이는 세포 내 두 주요 세포 활동/작용이 상호간 교류하며 조정되어서 생명 현상 유지에 필수적인 RNA 항상성을 유지함을 최초로 규명한 것이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 연구를 수행하며 흥미로운 돌연변이체들을 확보하였는데 이들을 연구하는 후속 연구를 진행하여 RNA 항상성과 이동에 대해 더욱 깊이 이해하는 것이다.

단백질 분해 복합체인 26S프로테아좀의 구성단백질 RPT2a의 RNA 분해효소 조절 모식도

[그림 1] 단백질 분해 복합체인 26S프로테아좀의 구성단백질 RPT2a의 RNA 분해효소 조절 모식도

세포 특이적 유전자를 이용한 애기장대 형질전환체들의 형광현미경 사진

[그림 2] 세포 특이적 유전자를 이용한 애기장대 형질전환체들의 형광현미경 사진

(그림설명)
a : 세포 특이적 유전자들을 이용하여 개발한 미끼(Prey)와 사냥꾼(Orion) 시스템과 미끼와 사냥꾼이 함께(PORI) 도입되어 있는 애기장대 형질전환체들의 현미경 사진.
b : 미끼와 사냥꾼을 함께 가지고 있는 애기장대 (PORI)를 제어 RNA 생성과 처리 돌연변이체들과 교배하여 얻은 형광현미경 사진들

단백질 분해 복합체인 프로테아좀의 구성단백질 RPT2a의 RNA 분해효소 조절 현미경 사진
[그림 3] 단백질 분해 복합체인 프로테아좀의 구성단백질 RPT2a의 RNA 분해효소 조절 현미경 사진

(그림설명) 단백질 분해 복합체 프로테아좀의 구성단백질인 RPT2a가 RNA 항상성 조절에 기여하는 RNA 분해효소들을 조절하여 외부 유전자의 침입을 통제함을 사냥꾼과 미끼의 상호 작용을 이용하여 형광현미경으로 시각화하였음.
 *DCP2, RRP45a: RNA 항상성 조절 효소

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