허원도 교수님                   김나연 박사님

빛으로 RNA 이동과 단백질 합성 조절한다

- 세포 내 특정 RNA의 리보솜 결합·분리를 제어하는 RNA 광유전학 기술 개발 -

빛으로 세포 내 특정 RNA 이동과 단백질 합성을 조절할 수 있는 기술이 개발됐다. KAIST 생명과학과 허원도 교수팀은 빛을 이용해 유전정보를 전달하는 전령RNA와 단백질을 생성하는 리보솜의 결합을 제어하여, 단백질 합성을 조절하는데 성공했다.

DNA의 유전정보는 RNA를 거쳐 단백질로 전달된다. 이 때 중간에서 유전정보를 전달하는 RNA를 ‘전령RNA’라고 한다. 단백질 생성공장인 리보솜이 전령RNA의 유전정보를 읽어 단백질을 합성한다. 단백질 합성에 있어 전령RNA는 DNA 유전정보의 중간 전달자, 리보솜은 생성공장, 단백질은 완성품인 셈이다.

이전에는 화학물질을 처리해 전령RNA를 조절하는 방법으로 모든 전령RNA를 한꺼번에 조절하기 때문에 특정 종류의 전령RNA만을 세밀하게 조절하기 어려웠다. 이번 연구에서는 살아있는 세포에 청색광을 비춰줌으로써 세포 내 특정 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 시공간 특이적으로 조절하는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 개발했다.

연구팀은 이전 연구로 개발한 라리아트 올가미(LARIAT, Light-Activated Reversible Inhibition by Assembled Trap) 기술과 RNA 이미징 기술을 융합하여 mRNA-LARIAT 기술을 개발했다. mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 이용하면 빛의 유무에 따라 라리아트 올가미에 전령RNA를 가두거나 분리하고, 이를 실시간으로 관찰하는 것이 가능하다.

연구팀은 헬라 세포에 청색광을 비춰주면 라리아트 올가미에 전령RNA가 가둬지면서 리보솜과 격리되고 단백질 합성이 감소함을 관찰했다. 이어 청색광을 차단하면 라리아트 올가미로부터 전령RNA가 빠져나오면서 리보솜과 단백질 합성을 다시 시작함을 확인했다. 이는 mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 빛의 유무에 따라 매우 빠르고 가역적으로 단백질 합성을 조절할 수 있음을 의미한다.

대부분의 단백질은 전령RNA와 리보솜에 의해 합성된 후, 각 단백질이 작용하는 위치로 이동한다. 하지만 전령RNA가 라리아트 올가미에 가둬지면 전령RNA가 향후 단백질이 작용하는 위치까지 이동이 멈추고 단백질 합성이 차단된다. 전령RNA는 단백질에 비해 비교적 작은 분자로, 세포 내 이동이 더 효율적이고 빠르다. 이와 같이 mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 빛으로 조절하면 살아 있는 세포에서의 RNA의 위치 및 합성되는 신생단백질의 기능을 보다 효율적으로 연구할 수 있게 되었다.

연구팀은 베타액틴(β-actin) 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 mRNA-LARIAT 기술을 적용했다. 베타액틴 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 청색광을 비추니 세포 골격 구성 및 이동 기능이 제대로 이뤄지지 않음을 관찰했다. 또한 베타액틴 단백질 합성 효율이 최대 90%까지 감소됨을 확인했다.

허원도 교수는 “mRNA-LARIAT 광유전학 기술을 활용하면 암세포, 신경세포 등 다양한 세포 내 전령RNA 이동 및 단백질 합성을 빛으로 조절할 수 있다”며 “앞으로 암세포 전이, 신경질환 등 전령 RNA관련 질병 연구에 응용 가능할 것이다”고 말했다.

이번 연구성과는 네이처 셀 바이올로지(Nature Cell Biology, IF 17.728)에 2월 18일 오전 1시(한국시간)자 온라인 판에 실렸으며, Nature Reviews Genetics에 하이라이트 논문으로 소개되었다.

< 그림 설명 > 

   

그림 1. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 전령RNA(mRNA)의 이동과 단백질 합성을 조절하는 모식도.

전령RNA에 청색광을 비추면 전령RNA가 이동을 멈추고, 단백질 합성이 저해됨. 빛을 차단하면 전령RNA의 이동과 단백질 합성이 다시 시작됨. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 세포 내 특정 시점 및 위치에서 전령RNA 이동과 단백질 합성의 중요성을 연구할 수 있음.

 

  

그림 2. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해

a. mRNA-LARIAT 광유전학 기술 모식도

b. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해

c. 청색광에 의해 형성된 단백질-전령RNA 복합체 유도 및 전령RNA 확인

 

 

  

그림 3. mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해

a. 내인성 전령RNA 표적을 위한 유전자 가위(RCas9) 기반의 mRNA-LARIAT 광유전학 기술 모식도

b. 유전자 가위(Cas9) 기반의 mRNA-LARIAT 광유전학 기술로 단백질 합성 저해

c. 청색광에 의해 형성된 단백질-전령RNA 복합체 유도 및 내인성 베타액틴(β-actin) 전령RNA 확인

    

    

  

그림 4. 베타액틴(β-actin) 단백질과 세포의 이동 기능과의 상관관계

베타액틴(β-actin) 단백질 합성에 관여하는 전령RNA에 청색광을 비춰줌으로써 단백질 합성을 억제하고 세포의 이동 기능을 6시간 동안 관찰함. 베타액틴(β-actin) 전령RNA가 단백질 복합체(LARIAT)에 가둬지면 세포의 이동 기능이 현저히 감소됨. 이는 새롭게 합성된 베타액틴(β-actin) 단백질이 세포의 이동 기능에 필수적임을 의미함.

그림 5. 새롭게 형성된 β-actin 단백질의 세포이동 기능과의 상관관계 

새롭게 형성된 베타액틴(β-actin)이 세포의 이동시 세포전반부로 이동하고 focal adhesion생성에 관여하여 세포의 이동에 필수적인 역할을 함. 이는 기존의 베타액틴(β-actin) 단백질과 기능이 다름을 RNA광유전학 기술로 밝힘.