변형된 RNA를 이용해 세균이 살아남다

변형된 RNA를 이용해 세균이 살아남다

등록일 2019.02.13

 

 

 

변형된 RNA를 이용해 세균이 살아남다
 

□ 병원성 세균이 환경 변화에 적응해 생존하는 유전적 비밀이 밝혀졌다. 이강석 교수‧배지현 교수(중앙대학교) 연구팀이 이종(異種) rRNA*에 의한 단백질 합성 조절이 패혈증을 유발하는 비브리오균의 생존 비결임을 규명했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.
    * rRNA : 리보솜을 구성하는 RNA로, 단백질 합성에 필요한 다양한 효소활성이 있음.

□ 각 생명체에는 가장 적합하게 진화한 한 가지 종류의 rRNA를 가지고 있다는 것이 정설이다. rRNA는 단백질을 합성하는 데 기여하므로, 생물 종마다 특이적이고 진화적으로 잘 보존되어 있다. 그러나 최근 말라리아, 방선균, 비브리오균 등의 병원성 세균에서 여러 종류의 변이 rRNA가 발견되었고, 이들의 기능과 역할은 밝혀지지 않았다.

□ 연구팀은 변이 rRNA가 유전자 발현을 조절함으로써 온도변화, 영양결핍 등의 환경변화에 대응한다는 신개념 생존 원리를 규명했다.

 ㅇ 연구팀은 비브리오 균에서 가장 변형이 심한 rRNA을 대상으로 그 기능을 연구했다. 변이 rRNA는 일반 rRNA가 표적으로 하지 않는 특정 mRNA를 표적으로 하여 선별적으로 단백질을 합성하는 능력을 가지고 있다는 것이 밝혀졌다.

 ㅇ 이러한 연구 결과는 하나의 생명체에서 다양한 rRNA가 존재하는 이유에 대한 근본적인 해답을 제시한 것이다. 뿐만 아니라 rRNA가 mRNA로부터 단백질을 합성하는 단순한 중간연결자가 아니라 환경변화에 맞추어 필요한 mRNA를 선별한다는 신개념 유전자 발현 조절 원리를 규명한 것으로써 학술적인 기여가 높다.

□ 연구팀은 “보다 다양한 세균을 대상으로 연구를 확대해 변이 rRNA의 선별적 단백질 합성이 보편적인 생명활동임을 정립할 계획”이라며, “병원성 미생물의 예방 및 치료에 필요한 새로운 표적 생체분자를 제공할 수 있을 것”이라고 전망했다.

□ 이 연구는 과학기술정보통신부‧교육부‧한국연구재단 기초연구사업(선도연구센터, 중견연구, 기본연구)의 지원으로 수행되었다. 미생물학 분야 국제학술지 ‘네이처 마이크로바이올로지(Nature Microbiology)’에 2월 4일 게재되었다.

<참고자료> : 1. 주요내용 설명  2. 그림 설명
             3. 연구 이야기

? 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Divergent rRNAs as regulators of gene ｅxpression at the ribosome level
저  자
송우석 박사(공동 제1저자, 중앙대), 주민주 박사(공동 제1저자, 중앙대), 염지현 박사(공동 제1저자, 중앙대), 신은경 박사(공동 제1저자, 중앙대), 이민호 박사(공동 제1저자, 중앙대), 최형균 교수(중앙대), 황지환 교수(부산대), 김용인 연구원(한국표준과학연구원), 서라민 연구원(한국표준과학연구원), 이진환 박사(한국표준과학연구원), Christopher J. Moore 박사(스탠포드 대학교), 김용학 교수(카톨릭대), 윤성일 교수(중앙대), 한윤수 교수(중앙대), 배지현 교수(교신저자, 중앙대), 이강석 교수(교신저자, 중앙대)

□ 연구의 주요내용
 1. 연구의 필요성
  ○ 리보솜(ribosome)은 생명체 내에서 단백질 합성 기계를 구성하며, 리보솜 RNA(rRNA)와 여러 개의 리보솜 단백질로 구성된다. 이 중, rRNA는 단백질 합성에 있어서 mRNA 선별, 코돈 인지, 펩타이드 결합 형성 등에서 중요한 역할을 한다. 이런 단백질 합성에 필요한 rRNA의 구조와 기능은 진화적으로 모든 생명체에서 매우 잘 보존되어 있으며, 따라서 리보솜의 기능 연구는 기본적이고 보편적인 생명현상을 이해하는데 필수적이다.
  ○ 지구상에 존재하는 생명체들은 40억년 가까운 진화를 통해, 각각의 생명체의 생리활성에 가장 적합한 한 가지 종류의 rRNA 유전자를 보유하게 되었으며, 이러한 진화과정 속에서 종 특이적인 rRNA 유전자의 변이가 생성되었다고 추론된다. 이러한 종 특이적인 rRNA 유전자의 변이는 생명체들에 존재하는 rRNA 유전자의 유사성을 비교함으로서 생명체들 사이의 연관성을 규명하고 이들을 분류하는 연구 분야에서 핵심자료로 사용되어 왔다.
  ○ 종 특이적 rRNA 유전자를 비교분석하는 데 있어서 문제점 중의 하나는 일부 생명체들이 두 가지 종류 이상의 rRNA 유전자를 가지고 있다는 것이다. 이러한 현상은 40여 년 전부터 관찰되었다. 다양한 rRNA의 발현은 말라리아 원충의 숙주세포에서의 생존과 병원성에 밀접한 관련이 있다는 것이 보고되었다.
  ○ 최근 방선균 및 비브리오 균에서 다양한 rRNA가 발현되어 리보솜을 형성하는 것이 밝혀졌으며, 세포의 생장주기에 따라 다르게 발현되는 것이 관찰되었다. 그러나 왜 하나의 생명체에서 다양한 rRNA 유전자를 보유하고, 이로부터 합성된 다양한 rRNA를 포함하는 리보솜이 존재하는지, 이들의 기능이 무엇인지에 대한 질문들은 풀지 못한 숙제이다. 이 연구에서는 해양 병원성 세균인 비브리오균(Vibrio vulnificus CMCP6)에서 rRNA의 다양성이 가지는 생리적 역할과 그 작용 기작을 연구하였다.

 2. 연구내용
  ○ 변이 rRNA의 선별적 번역에 관련된 인자 탐색 : 비브리오균에서 가장 상이성을 보이는 rRNA(I-ribosome)에 의해 선별적으로 번역이 되는 mRNA들을 리보솜 프로파일링과 프로테옴 분석을 통해서 동정하였다. 그리고 이들 중 hspA, tpiA 유전자를 연구 타겟으로 선정하여 환경변화에 따른 I-ribosome에 의해 유도된 유전자 표현형 변화를 확인하였다.
  ○ 변이 rRNA의 신개념 유전자 발현 조절 기작 규명 : 타겟 유전자의 발현을 위해서 16S 및 23S I-rRNA(I-ribosome)를 모두 포함하는 리보솜이 형성이 필요하다는 것을 확인했다. 또한 위치 지정돌연변이 기법을 이용하여 리보솜이 특정 mRNA를 선별적으로 변역하는데 중요 역할을 하는 부위는 각 소단위체의 ‘intersubunit’에 가깝게 존재함을 확인했다.
  ○ 5'-UTR 변이체 제작‧분석을 통한 mRNA의 5'-UTR에 존재하는 구조적 특성 규명 : 샤인-달가노 서열(SD)은 mRNA의 리보솜의 결합 부위로서, 일반적으로 리보솜 결합이 용이하도록 열린 구조를 가지고 있으며 원핵생물은 단백질 번역과정을 진행시 SD-ASD 결합이 중요하다. 그러나 I-rRNA의 타겟 유전자들을 구조 분석 시 SD-ASD 결합이 닫힌 강한 결합 구조를 갖고 있다는 것을 확인하였다. 또한 hspA 유전자의 SD 부분을 염기치환 및 결손되도록 구조를 변형하였을 때, I-ribosome에 의해 번역되는 타겟 유전자들은 SD-ASD 결합에 의존하지 않는 기작을 통하여 단백질 번역과정을 진행한다는 특성을 확인하였다.
  ○ 이종 rRNA의 선별적 mRNA 번역을 통한 환경변화 대응 네트워크 규명 : 이 연구 결과들을 바탕으로 하나의 세포에 존재하는 다양한 rRNA는 전통적인 mRNA 선별과 다른 기작을 통하여 선별적 mRNA 번역에 기여하며, 그 결과 단백질체를 재구성하여 세포의 환경변화 대응을 원활하게 한다는 모델을 제시하였다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 이 연구는 리보솜 기능의 일차원적인 개념을 넘어 세포의 생리적 변화에 따른 다양한 변이 rRNA의 선별적 mRNA 번역을 통한 세포의 생리활성 변화라는 새로운 개념의 유전자 발현조절 기작을 제공한다.
  ○ 리보솜의 유전학적, 생화학적, 구조적 특성 및 기능의 이해 증진은 이 연구에서 이용된 모델 생물의 범위를 넘어설 것이다. 후속연구를 통하여 방선균 등 다양한 생물종에서 변이 rRNA에 의한 유전자의 선별적 번역을 검증하여 변이 rRNA에 의한 유전자 발현 조절 현상이 보편적인 생명현상임을 증명할 수 있다. 이러한 연구결과는 병원성 미생물의 예방제 및 치료제 개발에 필요한 새로운 표적 생체분자를 제공할 수 있을 것이라 기대된다. 또한, 신개념 유전자 발현 조절 시스템을 이용하여 적은 비용으로 유용물질을 대량 생산하는 고효율 균주 개발과 같은 고부가가치 연구의 초석이 될 것으로 기대된다.

? 그림 설명

(그림) 변이 rRNA에 의한 비브리오균의 생존시스템 모식도
변이 rRNA에 의해 특정 mRNA가 더 효과적으로 번역되어 비브리오균이 다양한 환경변화에 적응하는 것을 보여주는 모식도

? 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

모든 세포는 각각의 세포의 생리활성에 최적화된 한 가지 종류의 rRNA 유전자를 보유하게끔 진화되었다는 것이 정설로 받아들여졌는데, 유전체로부터 다양한 rRNA를 발현하는 세균들이 있다는 것을 알게 되었다. rRNA 유전자의 진화의 큰 흐름에 부합되지 않는 이 현상은 분명히 세포의 생리활성에 이로운 점이 있을 것이라는 가설을 세우게 되었으며, 방선균과 비브리오에서 다양한 이종 rRNA가 발현되어 리보솜으로 형성되는 것을 밝히게 되었다. 그 이후에 이종 rRNA를 포함하는 리보솜의 알려지지 않은 기능을 규명하고자 연구를 계속 수행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

2011년 비브리오균 내의 다양한 rRNA가 모두 발현되며 리보솜으로 조립된다는 연구결과를 확인하고 본격적으로 비브리오균의 다양한 rRNA 연구를 진행했다. 처음에는 새로운 개념에 접근하기 위한 균주 제작에서 어려움이 많았다. 또한 리보솜 근거 제시를 위한 실험도 쉽지 않았다. 리보솜 프로파일링, 프로테옴 분석으로 선별된 타겟 유전자들의 재검증 등 각 단계마다 여러 검증방법이 요구되었다. 무엇보다도 기존 정설을 벗어난 가설을 입증해야 하는 부분에서 우려가 많았다. 다행스럽게도 접근한 연구방법들을 통해 가설에 부합하는 결과를 얻을 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이 연구결과를 2017년 중반에 ‘셀(Cell)’지에 투고했다. 1년에 걸쳐 2번의 리뷰를 받았다. 진핵생물 리보솜 전문인 심사자들은 리보솜 프로파일링, 단백체 등 빅데이터 분석에 중점을 두어 요구하고, 연구를 높게 평가한 심사자들이 중간에 교체되는 등 어려움이 있었다. 또한 논문의 수정 과정에서 RNA-seq를 수행할 장비가 없어서 관련 업체에 리보솜 프로파일링 데이터 검증 실험을 요청하는데 평균 3~4월이나 소요되었다. 그러나 심사위원의 공격적인 심사에 대응하면서 우리의 연구결과들이 더욱 견고해졌다. 리보솜 수준에서의 신개념 유전자 조절을 통한 세균의 환경변화 적극 기작이라는 연구결과는 미생물학 전문지인 ‘네이처 마이크로바이올로지’에서 원핵생물 리보솜, 병원성 세균, 단백질 합성을 전문으로 하는 심사자들에게 호평을 받았다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

하나의 세포에 존재하는 다양한 rRNA들이 리보솜으로 조립되며 생장주기에 따라 특이적으로 발현이 된다고 보고되었으나, 근본적인 기능을 밝히는 연구결과는 그동안 보고된 바가 없었다. 이번 연구결과는 리보솜이 mRNA를 이용하여 단백질로 발현되는 과정의 단순한 중간연결자라는 기존의 지배적인 견해를 바꾸는 데 큰 의의가 있다. 즉 환경변화에 따라 필요한 mRNA가 이종 rRNA를 포함하는 리보솜에 의해 선별되어 단백질 합성이 더욱 효과적으로 이루어진다는 리보솜에 의한 새로운 개념의 유전자 발현조절과 세균의 환경변화 대응 기작을 규명한 것이다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이 연구에서 밝힌 리보솜의 유전학적, 생화학적, 구조적 특성 및 기능은 비브리오균을 넘어 공통적인 생명현상으로서 다양한 방면으로 활용될 것으로 예상된다. 리보솜은 많은 항생제의 타겟 물질이기 때문에 신 항생제 개발과 같은 병원균 제어 기술 연구에도 이용 가능할 것이라 예상된다. 또한, 신개념 유전자 발현 조절 시스템을 이용하여 적은 비용으로 유용물질을 대량 생산하는 고효율 균주 개발과 같은 고부가가치 연구의 초석이 될 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이종 rRNA를 포함하는 리보솜을 정제하여 이 리보솜이 특정한 mRNA를 선별하는 기작을 생화학적으로 규명하고자 한다. 또한, 비브리오균을 이용한 연구를 바탕으로 방선균에도 존재하는 다양한 리보솜에 대한 연구를 진행하여 특정 종에 제한되는 현상이 아닌 보편적인 생명현상으로 변이 rRNA에 의한 유전자의 선별적 번역이라는 신개념 번역 수준의 유전자 발현 조절 기작에 대한 기본개념을 정립할 계획이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

처음에는 분명히 놀랍고 예상치 못한 중요한 결과를 얻을 수 있는 특별한 연구 주제라는 기대감으로 시작했다. 그러나 많은 것이 밝혀지지 않은 분야에 대한 도전적인 연구였기 때문에 실험결과를 여러 각도에서 해석하고 다양한 방법으로 검증하는데 10여 년이 소요되었다. 연구 시작할 때 대학원생이던 제1저자들이 2~8년이라는 박사후연수과정을 하게 되었다.