KAIST, RNA 구조 분해과정 '생체 분자 기계' 원리 규명

한국연구재단은 KAIST 이광록 교수 연구팀이 단일분자 분석으로 리보핵산(RNA) 분해 효소 'Xrn1(진핵세포에서 불필요하거나 손상된 RNA를 제거하는 대표 효소)'이 ATP(위 분해 효소가 핵산을 분해하거나 RNA가 합성되는 모든 과정에 필수인 화학 에너지) 등 화학 에너지를 직접 사용하지 않고도 RNA 구조를 단계적으로 풀어내 분해하는 작동기전을 규명했다고 18일 밝혔다.

이광록 교수. 한국연구재단

RNA는 세포 안에서 유전 정보를 전달하는 역할을 마친 후 분해돼야 세포 기능이 정상적으로 유지된다. 이때 RNA를 풀어내기 위해선 통상 ATP 등 화학 에너지를 사용하는 헬리케이스(Helicase·나선형으로 꼬여 있는 가닥을 풀어주는 효소)가 필요하다.

특히 RNA 분해 과정에서 주된 분해 효소로 작용하는 Xrn1은 세포 안에 RNA 농도 조절, 항바이러스 방어, 면역 반응, 암세포 생존 조절 등 생리적 과정과 밀접하게 연관된 것으로 알려졌다.

단 전형적인 헬리케이스 구조를 갖추지 않은 Xrn1이 RNA의 복잡한 2·3차 나선을 어떻게 풀어내 분해하는지는 명확하게 밝혀지지 않았다.

이에 연구팀은 단일분자 형광 분석으로 Xrn1이 RNA 구조를 풀어내는 과정을 실시간으로 관찰, Xrn1이 RNA를 연속적으로 부드럽게 이동하는 게 아니라 단계적으로 구조를 부숴 전진한다는 것을 확인했다.

단일분자 형광 분석은 효소 분자가 RNA 위에서 어떻게 움직이는지를 나노미터 단위로 관찰하는 정밀 기술이다.

이를 통해 확인된 결과는 Xrn1이 RNA 분해 과정에서 생성되는 화학 에너지를 기계적 에너지로 축적한 후 다시 폭발적으로 방출해 RNA 구조를 돌파하는 강력한 '분자 기계'처럼 작동하는 것을 보여준다.

이 교수는 "이번 연구로 생체 내 효소가 단순 화학 반응의 매개체를 넘어 물리 화학적으로 정교하게 설계된 '생체 분자 기계'처럼 작동한다는 사실이 입증됐다"며 "이는 향후 RNA 대사 이상과 관련된 다양한 질환의 분자적 원리를 이해하는 데 중요한 기초 자료가 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 핵심 연구(전략형), 합성생물학 핵심기술 개발사업, 기초연구실사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 생명과학 분야 국제학술지 '뉴클레익 엑시드 리서치(Nucleic Acids Research)'에 지난 10일 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr