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유전자 발현 메커니즘, 초저온전자현미경으로 규명
이름 : 언론홍보 | 작성일 : 2020.12.21 10:26 | 조회수 : 847
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유전자 발현 메커니즘, 초저온전자현미경으로 규명
KBSI·연세대 등 국제공동연구, 전사복합체의 3차원 입체구조 규명
Nature Communications誌 논문 게재

 

 

[그림 1] RNA 중합효소 및 전사복합체의 초저온전자현미경 구조

 
 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI) 연구장비운영부 전자현미경·분광분석팀 전성훈 박사 연구팀은 국제공동연구를 통해 유전자 발현의 첫 단계를 수행하는 ‘전사(Transcription)복합체’의 3차원 구조를 규명함으로써 복잡한 유전자 발현 과정에 대한 이해의 지평을 넓혔다.


 전사는 DNA의 유전정보를 이용해 ‘mRNA*’를 만드는 과정을 말한다. mRNA를 합성하는 ‘RNA 중합효소’는 거대단백질 복합체로, 수십 가지의 전사 인자들과 상호작용을 통해 전사 과정을 수행한다.


* mRNA(전령 RNA): 유전자 발현 과정에서 DNA의 유전정보를 전달하는 기능을 수행함


 인간의 전사복합체*는 구조가 매우 복잡하기 때문에 분자 수준에서 다양한 전사 인자들이 RNA 중합효소에 어떻게 작용하여 전사를 조절하는지는 잘 알려지지 않았다.


* 전사복합체: RNA 중합효소와 다양한 전사 인자들이 유전자 조절 부위에 모여서 형성한 복합체로 RNA를 합성하는 분자 기계의 역할을 수행함

 

 이번 연구에서 연구팀은 단세포 미생물인 고세균(Archaea)의 전사 시스템이 인간세포 전사 시스템과 진화적으로 보존되어 있음에 착안하여, 전사 인자 TFE⍺의 작용 기작을 이해하고자 고세균의 전사 과정을 분석했다. 

[그림 2] 초저온전자현미경 구조를 기반으로 한 전사복합체 작용 기작


 연구팀은 KBSI의 선도연구장비인 초저온 투과전자현미경 시스템(Cryo-EM System)을 활용해 전사복합체 생체시료를 급속 동결시킨 후 시료의 3차원 입체구조를 분석했다. 그 결과, TFE⍺가 RNA 중합효소의 ‘집게(clamp) 도메인’ 및 ‘줄기(stalk) 도메인’에 직접 결합해 효소의 구조를 열림 상태로 변화시켜, RNA 중합효소가 DNA와 결합하게 한다는 사실을 확인했다. 또한 결합 후 집게(clamp) 도메인과 줄기(stalk) 도메인이 다시 닫힘 상태로 변화함으로써 전사 과정이 안정적으로 진행되도록 한다는 것을 밝혔다.  


 연구팀은 전사복합체의 3차원 입체구조를 기반으로 하는 생화학 실험을 통해 TFE⍺의 특정 아미노산이 쐐기 역할을 하여 DNA 이중 나선을 풀어 전사가 시작되도록 유도함을 알아냈다.

 

 

[그림 3] KBSI 초저온 투과전자현미경 시스템(Cryo-EM system)의
에너지여과 초저온투과전자현미경(왼쪽), 고분해능 바이오 투과전자현미경(오른쪽)


 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 이공학 개인기초연구지원사업으로 수행됐으며, 연구결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’(논문명: Direct binding of TFE⍺ opens DNA binding cleft of RNA polymerase, IF=12.121, JCR 상위 8.45%)에 게재되었다. 

 

 

(왼쪽) KBSI 전성훈 선임연구원(공동제1저자 및 공동교신저자),

(중앙) OIST 현재경 박사(공동제1저자), (오른쪽) 연세대 조현수 교수(공동교신저자)


 이번 연구에는 KBSI 전성훈 선임연구원(공동제1저자 및 공동교신저자), OIST 현재경 박사(공동제1저자), 연세대 조현수 교수(공동교신저자), 펜실베니아 주립대 Katsuhiko S. Murakami 교수(공동교신저자) 연구팀이 참여하였다.


 KBSI 전성훈 박사는 “많은 질병들이 유전자 발현 이상으로 발생하는데, 전사 과정 초기에 대부분의 유전자 발현이 조절된다”며, “RNA 중합효소 및 전사 과정에 대한 분자 수준에서의 이해는 구조를 기반으로 한 질병 치료제 개발에 바탕이 될 것.”이라고 밝혔다.    <끝>

 

 

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