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RNA 간섭이 유전자 발현을 조절한다?
생명에 관한 유전정보를 담고 있는 DNA는 두 가닥의 이중나선 구조를 이루고 있다. DNA의 유전정보를 따라 RNA가 만들어지고, RNA는 원본 DNA가 가진 정보를 복사해 유전자 발현을 조절하고 단백질 합성에 중추적 역할을 수행한다. 과거 RNA는 DNA를 구성하는 수동적인 존재로 여겨졌으나 점차 그 중요성이 크게 대두되고 있다.
RNA는 매우 안정적인 DNA와 달리 활동적이다. 다른 말로 표현하면 어디로 튈지 모른다. DNA를 이중가닥의 꽉 닫힌 지퍼로 비유한다면, RNA는 단일가닥의 열린 지퍼다. DNA에서 RNA로 전사가 일어날 때, DNA는 RNA를 만들 수 있도록 지퍼의 중앙을 살짝 열어준다. DNA 지퍼에 꼭 맞는 RNA 지퍼 조각이 하나씩 차례차례 달라붙어 전령RNA(mRNA)를 만드는 전사 과정이 끝나면 DNA는 열었던 지퍼를 황급히 닫아 유전정보를 보존한다.
RNA는 활동성이 높기 때문에 다른 DNA, RNA와 쉽게 붙는다. 이런 성질 때문에 RNA는 생체 내에서 다양한 역할을 수행할 수 있다. ‘RNA 간섭’ 현상도 RNA의 이런 성질 때문에 일어난다. 예를 들어 단백질 생성을 위해서 만들어진 mRNA에 꼭 맞는 짝을 가진 짧은 RNA 조각이 있다면 해당 mRNA에 달라붙을 것이다. 다시 말해 짧은 RNA 조각이 세포질 안에서 돌아다니다가 염기서열이 꼭 맞는 부위를 가진 mRNA를 만나면 들러붙는다. 이렇게 되면 mRNA는 단백질을 만들어내지 못하고 작은 조각으로 부서져 없어진다. 짧은 RNA 조각이 불필요한 RNA를 없애는 청소부인 셈이다.
생명과학계에서는 RNA 사슬에 붙어 있는 아주 작은 RNA(micro RNA, miRNA)에 주목하고 있다. 이미 시작된 질환의 증상을 완화하거나 몸속에 있는 질병인자를 없애는 치료가 아니라 miRNA를 증가시키거나 감소시켜 유전자가 단백질을 만드는 정도를 억제하면 된다는 생각에서다.
활동성이 높은 RNA는 다른 DNA나 RNA에 쉽게 붙는다. 이런 성질 때문에 RNA 간섭 현상도 나타난다. 유전자 치료제 개발의 열쇠를 쥐고 있는 RNA 간섭 현상은 최근 전 세계 연구진들이 주목하고 연구 중이다. (이미지 출처: 구글)
예쁜꼬마선충에서 발견된 짧은 RNA 조각, 간섭의 시작을 알리다
2006년 노벨 생리의학상은 ‘RNA 간섭(interference)’ 현상을 발견한 생물학자 두 사람에게 수여되었다. 기존에 알려진 유전자 조절 메커니즘에서는 생각할 수 없었던 방식을 발견한 공로다. RNA 간섭 현상을 처음 목격한 사람은 1993년 당시 하버드대 소속(현재는 매사추세츠 의대 교수) 빅터 암브로스 박사였다. 그는 예쁜꼬마선충(C. elegans)의 유전자 복제 과정에서 22개의 염기로 이뤄진 짧은 RNA들이 작용하면 예쁜꼬마선충의 성장이 억제된다는 것을 발견했다. 이때까지만 해도 암브로스 박사는 간섭이라는 표현을 쓰지 않았다. 단지 길이가 짧은 RNA 조각이 생체에서 어떤 작용을 할 수 있는지 처음으로 엿본 연구 결과였을 뿐이다. 암브로스 박사가 발견한 짧은 RNA 조각은 2001년에야 마이크로 RNA(miRNA)라는 이름이 붙어 조금씩 학계에 알려지기 시작했다. miRNA는 이름에서 알 수 있듯 ‘아주 작은’ RNA를 말한다.
세포 안에서 miRNA 염기서열들이 단백질 합성이 시작되지 못하게 mRNA를 막아서는 현상은 1998년에 학계에 보고되었다. 암브로스 박사가 예쁜꼬마선충과 짧은 RNA의 작용을 발견하고 5년이 지난 시점이었다. 암브로스 박사와 카네기연구소의 앤드루 파이어 박사(현재 스탠퍼드대 의대 교수)는 우연히 단일가닥의 RNA 염기들을 결합시킨 이중가닥의 RNA를 예쁜꼬마선충의 세포 안에 주입하자 짝이 맞는 RNA만 특이적으로 파괴되면서 유전자 발현이 억제된다는 사실을 알아냈다. 두 연구자는 이 현상을 RNA 간섭이라 명명하고, 곧바로 이를 학술지 네이처에 발표했다.
RNA 간섭은 RNA가 뉴클로레오티드 형태의 miRNA로 전환된 뒤 세포 내 mRNA를 절단, 분해시키는 과정이다. 뉴클레오티드는 염기, 당, 인산으로 이뤄진 화합물로 DNA나 RNA 사슬을 이루는 기본 단위다. 보통의 RNA가 수천 개의 뉴클레오티드로 이뤄진 데 반해 miRNA는 20~22개로 적고, 4개 염기(아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 우라실(U))로 구성돼 있지만 단백질을 만들어내지 못한다. 단백질을 못 만드는 RNA는 지금까지 사람 몸속에서만 1만 1665종 이상 발견됐고, 그 가운데 miRNA는 700종쯤 된다.
예쁜꼬마선충에서 RNA 간섭 현상이 발견된 이후, 많은 과학자들에 의해 초파리와 같은 하등동물에서뿐 아니라 인간을 비롯한 포유동물 세포에서도 RNA 간섭이 일어난다는 사실이 밝혀졌다. RNA 간섭 현상은 점차 유전자 기능을 연구하기 위한 방법으로 일반화되기 시작했다.
RNA 간섭을 활용한 치료 관건은 약물 전달 시스템
RNA 간섭 현상을 이용한 연구는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 기능을 모르는 유전자를 억제(Knock-down)하고 나서 세포의 변화를 관찰하거나 질병의 발병에 관련하는 유전자를 억제한 뒤 유전자 치료 등에 응용하는 것이다. 특히 바이러스 감염, 암 등을 연구하는 분야에 유용하다. 바이러스나 암세포가 해로운 단백질을 만들지 못하도록 RNA를 넣어주면 수 ㎚(1나노미터=10억분의 1m. 머리카락 굵기의 10만분의 1) 길이의 소간섭RNA(small interfering RNA, siRNA)가 RNA 간섭 현상을 유도할 수 있다. 전세계의 많은 연구진들과 제약회사에서 siRNA를 대상으로 신약개발이 한창인 이유다. 바이러스나 암 유전자나 유전질환을 일으키는 변이 유전자를 표현으로 한 RNA 간섭 약물이 나온다면 의학계에 혁명이 일어날 것으로 전망된다.
현재의 항암제는 암세포 단백질의 특정 부위에 결합하는 방식이다. 정상 세포의 단백질에도 달라붙을 수 있어 부작용을 일으킨다. 하지만 miRNA나 siRNA는 목표하는 단 하나의 단백질만 막을 수 있기 때문에 부작용 없는 맞춤형 신약을 만들기에 안성맞춤이다.
문제는 siRNA를 생체 표적 세포로 이동시킬 이상적인 전달체(약물 전달 시스템)가 아직 없다는 것. siRNA는 혈액을 타고 흐르는데, 혈액 속에 siRNA를 인식해 파괴하는 효소가 있어 그대로는 약물로 쓸 수 없다. 따라서 목적지인 조직에 도착할 때까지 안전하게 운반하는 전달체가 필요하다. 현재까지 개발된 약물 전달체들은 전달 효율이 떨어지거나 독성을 가져 활용에 부적합한 상황이다.
두 가닥의 RNA를 가진 바이러스가 침입하면 세포 내 RNA 절단효소인 다이서가 바이러스 RNA를 절단해 제거하고 바이러스 증식을 막는다. 그 후, 생명체에 존재하는 마이크로RNA가 RNA간섭을 통해 유전자 발현을 억제하고, 타깃 유전자(ex.암 발생 유전자)의 발현을 막을 수 있도록 디자인된 맞춤형 dsRNA를 주입하면 질병 유발 유전자의 mRNA을 파괴해 질병을 치료할 수 있다. (사진 및 내용 : 디라이브러리)
RNA 간섭 치료제, 세계 처음으로 판매 허가 받다
그런데 지난 8월 10일, RNA 간섭 현상을 이용한 유전 질환 치료제가 처음으로 의약품으로 인정되었다. 미국 식품의약국(FDA)이 최초로 RNA 간섭 의약품을 승인한 것. RNA 간섭 현상이 발견된 지 20년 만에 이룬 쾌거다. 제대로 작동하는 약물 전달 시스템이 개발된 덕분이다.
미국식품의약국이 판매 승인을 내린 것은 미국 바이오벤처기업 앨나이람 파마슈티컬즈가 개발한 파티시란(patisiran. 제품명은 온파트로)이다. 온파트로는 희소 신경 손상 질환인 ‘유전성 트랜스티레틴(transthyretin) 아밀로이드증’을 치료하는 약물이다. 이 질환은 기형 단백질이 신경세포나 심장 등 여러 장기에 쌓이면서 말초신경병증을 유발한다. 전 세계 환자 수는 약 5만명으로 추정된다. 앨나이람은 곧 유럽에서도 치료제로 허가받을 예정이다.
이번에 허가된 RNA 간섭 약물 파티시란은 변이 트랜스티레틴의 mRNA를 파괴해 세포 내에 변이 트랜스티레틴 단백질이 축적되지 못하게 만들어 약효를 낸다. 앨나이람 파마슈티컬즈는 양(+)전하를 띠는 지질나노분자로 음(-)전하를 띠는 짧은 RNA 염기가닥을 이중으로 감싼 뒤 지름 50~100㎚ 크기의 나노입자로 만든 약물 전달 시스템을 사용했다. 짧은 RNA 염기가닥이 간세포로 이동하면 트랜스티레틴 단백질을 만드는 mRNA가 작동하지 못해 간섭이 일어나는 원리로 작동한다.
파티시란 약물은 3주 간격으로 1년간 투약하는 데 치료비가 무려 35만 달러(약 4억 원). 어마어마한 가격인 만큼 소수의 환자를 위한 제도적인 방안도 마련도 필요하다. 현재 앨나이람은 10여 가지의 다른 RNA 간섭 약물 임상을 진행 중이고, 국내외 여러 업체에서도 약물이 나오기 시작하고 있어 제조시스템이 최적화되면 값은 빠르게 떨어질 것으로 보인다.
RNA 간섭 농약도 출시가 머지않았다. RNA 간섭 기술은 특정 식물 유전자를 억제한 뒤, 기능을 규명함으로써 병충해 예방이 가능한 새로운 품종을 개발할 수 있다. RNA 간섭이 의학과 농업에 얼마나 큰 파장을 불러일으킬지 기대가 크다.
IBS RNA 연구단, 초기 배아에서 miRNA 조절 현상 최초 규명
우리나라의 기초과학연구원(IBS) RNA 연구단 김빛내리 단장(서울대 생명과학부 석좌교수) 연구팀도 RNA 간섭에 대한 세계적 연구 성과를 내고 있다. 2104년과 2015년에는 RNA와 miRNA 관련 연구 성과를 잇달아 발표해 국내외 학계의 큰 주목을 받았다.
연구팀의 첫 번째 연구 성과는 miRNA가 초기 배아에서 조절되는 현상을 세계 최초로 밝혀낸 것이다.miRNA는 특정 단백질이 과도하거나 부족하지 않도록 단백질의 발현을 제어하는 기능을 갖고 있다. 초기 배아에서는 RNA가 단백질 발현을 조절하는 경우가 많다. 이 시기에는 수정란의 miRNA가 합성되기 전으로, 모체(난자)의 RNA가 단백질 발현 역할을 대신한다. 연구팀은 모체에 있는 miRNA 끝부분에 염기의 한 종류인 아데닌(A) 꼬리가 붙는다는 사실과, 이러한 변형으로 miRNA의 양이 조절된다는 사실을 확인했다.
또한 초파리 실험으로 miRNA에 아데닌 꼬리를 달아주는 것은 ‘위스피(Wispy)’ 효소라는 점도 알아냈다. 지금까지 알려지지 않았던 초기 배아 단계의 중요한 생명현상을 새롭게 밝혀낸 것이다. 성과는 ‘몰레큘러 셀’에 실렸다.
또 하나의 연구 성과는 miRNA를 만드는 단백질 복합체의 구성과 기능을 밝혀 miRNA 탄생의 비밀을 규명한 것이다. 연구팀은 일명 ‘마이크로프로세서’로 불리는 ‘드로셔-DGCR8’ 단백질 복합체가 1개의 드로셔(Drosha, 효소) 분자와 2개의 DGCR8 분자로 구성돼 있다는 것을 파악했다.
또한 드로셔 분자가 miRNA의 초기 전구체(DNA에서 전사된 덜 성숙한 miRNA)를 인지해 절단할 위치를 찾아가 자르고, 드로셔의 파트너인 DGCR8 분자는 정확한 절단 부위를 찾도록 도와주는 기능을 한다는 것을 확인했다. 이 연구는 드로셔 단백질의 기능을 해부하여 학계 논란을 깔끔하게 정리했다는 데 큰 의의가 있다.
miRNA로 세포분열 방해해 암 억제한다
IBS RNA 연구팀은 miRNA를 이용해 암을 치료하는 방법을 연구 중이다. 연구단이 주목하고 있는 유전자는 암을 억제하는 데 중요한 역할을 하는 유전자 let-7. let-7 miRNA는 세포분열을 방해해 증식하지 못하게 막는 방법으로 암을 억제한다. 따라서 let-7 miRNA가 적게 만들어진다면 세포분열이 급격히 증가해 암이 생긴다.
연구팀은 줄기세포와 간암세포에서 let-7 유전자가 작용해 miRNA가 만들어지는 과정을 연구했다. 줄기세포와 암세포를 이용한 이유는 두 세포가 끊임없이 분열하는 방식이 비슷하기 때문. 연구팀은 간암세포에서 많이 발견된다고 알려진 단백질 Lin28이 덜 성숙한 let-7 miRNA와 복합체를 이룬다는 사실을 알아냈다. miRNA 모양을 바꾸는 효소 TUT4를 발견하는 성과도 올렸다. TUT4는 Lin28과 복합체를 이루고 있는 덜 성숙한 let-7 miRNA을 인지해 끝부분에 우라실 약 14개를 꼬리처럼 달아준다. 모양이 바뀐 let-7 miRNA는 핵산 분해효소에 의해 잘린다. 연구진은 let-7이 감소하면 세포는 분열을 멈추지 못해 암세포처럼 끊임없이 증식함을 확인했다.
전문가들은 miRNA를 인공적으로 만든 뒤 세포 안에 넣으면 질병을 치료할 수 있다고 말한다. 특별한 목적으로 만들어진 인공 miRNA가 표적인 RNA의 특정 부위에만 결합해 질병을 유발하는 유전자 발현을 억제한다면 발병 자체를 억제할 수 있기 때문이다. 인공 miRNA를 이용한 치료법은 아직까지는 실험 단계에 머물러 있다.
생명과학계에서는 miRNA가 불치병을 치료하는 열쇠가 될 것으로 기대한다. 이미 시작된 질환의 증상을 완화하거나 몸속에 있는 질병인자를 없애는 치료가 아니라 miRNA를 증가시키거나 감소시켜 유전자가 단백질을 만드는 정도를 억제하면 된다는 생각에서다.
뉴클레오티드 22개 정도로 구성된 작은 크기에도 불구하고 세포 내에서 중요한 역할을 맡고 있는 miRNA와, 작고 소박한 꿈을 하나씩 이루면서 언젠가는 한국 과학에 기여하고 싶다는 김빛내리 단장 연구팀은 어딘가 닮은 듯하다. 연구팀을 통해 miRNA를 이용한 안전한 약물들이 개발돼 불치병을 해결하는 데 한 걸음 나아가길 기대한다.
http://dongascience.donga.com/news/view/22644
Science 제공
발달생물학에서 신경 발달을 위한 기초 연구는 예쁜꼬마선충(Caenorhabditiselegans), 장기 발달 연구는 제브라피쉬(Danio rerio)를 사용해 진행한다. 이 분야 학자들이 실험을 설계할 때 염두에 두는 기본 공식이다.
예쁜꼬마선충이 가진 약 300여 개 신경세포와 8000여 개 신경연결망의 상호작용이 이미 20여년 간의 연구 끝에 모두 밝혀져 있어 신경 발달 연구에 널리 활용되고 있다. 제브라피쉬는 인간이 지닌 심장이나 간, 췌장, 신장, 흉선 등 대부분의 장기를 가지고 있는데다 유전자가 약 70% 가량 인간과 동일한 것으로 알려졌다.
이런 동물을 통해 기본 시스템을 이해한 뒤 이보다 훨씬 복잡한 인간의 발달 과정을 밝히겠다는 전략이다. 5월의 마지막 날 (31일 현지시각) 나온 학술지 ‘사이언스’의 표지는 각종 형광을 띤 세포들로 나타낸 제브라피쉬가 차지했다.
이번 호에는 대표적 실험동물인 제프라피쉬나 아프리카발톱개구리(Xenopus laevis)의 수정란 (배아) 세포가 특정 장기 세포로 결정되는 과정을 밝힌 미국 하버드의대 연구팀의 논문 2편이 발표됐다. 이에 대해 버클리대 생면과학과 리처드 하랜드 교수가 쓴 ‘배아의 발달과 재증식에 대한 새로운 관점’이란 리뷰논문 1편도 함께 실렸다.
초기 배아의 발달 과정을 밝히기 위해 빼놓을 수 없는 것이 배아의 운명을 결정짓는데 관여하는 RNA 전사체다. 제브라피쉬의 경우 수만 개로 알려져 있으며, 고등동물로 갈수록 전사체의 수는 기하급수적으로 증가한다.
이들의 전체적 상호작용 과정을 추적하기 위해 미국 하버드의대 시스템생물학과 다니엘 와그너 박사팀은 제브라피쉬의 배아 속 RNA 전사체의 염기를 분석했다. 그 염기 변화 정보를 입력해 컴퓨터 프로그래밍으로 분석한 결과, 하나의 제브라피쉬 배아에서 약 9만 2000여 개의 제브라피쉬 전사체가 작용함을 발견했다. 이들의 작용을 거쳐 25 가지 종류의 특정 장기 세포로 운명이 결정되는 과정을 나무에서 가지가 퍼지는 것처럼 모식도로 작성하는데 성공했다.
제프라피쉬 배아가 분열하는 첫날 나타나는 RNA 전사체들의 변화과정을 시각적으로 나타냈다. 빨간것일수록 신경과 관련된 전사체, 파란것일수록 상피조직, 초록생을 중내배엽과 관련된 전사체들의 연결성을 나타낸다. –science 제공
와그너 박사와 같은 과에 속한 제임스 브릭 박사는 또 다른 주요 실험동물인 아프리카발톱개구리의 13만 7000개의 전사체가 작용해 69 종류의 세포로 결정되는 과정도 확인해 논문을 실었다.
와그너 교수는 논문에서 “분화능을 가지고 있던 배아세포가 각각의 성숙한 세포로 결정되는 과정을 이해하는 게 발생학이 추구하는 목표”라며 “(새로운 분석법으로) RNA 전사체 데이터를 분석해 전체 배아세포 간 유전자 변화와 발현 흐름을 파악하면 향후 고등생물의 발달 과정을 이해하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.
리처드 하랜드 교수는 리뷰 논문을 통해 “각각의 전사체를 연구하기 위해 개별 실험도 진행해야 겠지만 이 시기 배아의 발달 과정에선 딱 한가지 원인만 있는 것이 아니기 때문에 전체 상호작용을 보는 연구가 필요하다”며 “(이번 연구처럼) 수만개 이상의 RNA전사체들의 상호 작용과정를 분석해 발생 과정을 입체적으로 구성하는 노력이 계속돼야 할 것”이라고 밝혔다.