마이크로 RNA

[ MicroRNA ]

마이크로 RNA (MicroRNA, miRNA)는 약 23개의 뉴클레오타이드로 구성된 작은 비암호 RNA 분자로, 식물, 동물, 바이러스 등에서 내인적으로 발견된다. 마이크로 RNA는 식물과 동물 등 진핵 생물의 핵에 있는 DNA와 mRNA 분자에 있는 상호보완적인 염기쌍을 통해 기능을 한다. 그 결과, 타겟팅 된 mRNA 분자들은 그 가닥이 두 개의 조각으로 절단되거나, 폴리 A 꼬리의 축소를 통한 불안정화가 나타나거나, 리보솜에 의한 효율적인 번역의 억제 중에서 하나 이상의 과정들에 의해 침묵된다. 따라서 마이크로 RNA는 RNA 침묵과 전사 이후의 유전자 발현 조절의 기능을 한다.

마이크로 RNA, 작은 간섭 RNA, 그리고 Piwi-상호작용 RNA는 모두 RNA 침묵 현상에서 가이드 RNA로서 역할 한다. 마이크로 RNA는 짧은 헤어핀을 형성하기 위해 스스로 꺾여서 접히는 RNA 전사체의 영역으로부터 나온 마이크로 RNA를 제외하고는 간섭 RNA (RNAi)경로의 작은 간섭 RNA (siRNA)와 유사하다. 그러나 siRNA는 이중가닥 RNA의 더 긴 영역으로부터 합성되는 것으로 알려져 있고, Piwi-상호작용 RNA (piRNA)의 경우 이중가닥을 형성하지 않는 전구체로부터 형성된다고 알려져 있다.

마이크로 RNA는 식물과 동물 모두에서 잘 보존되며, 필수적이고 진화적인 고대 유전자 조절 요소로 여겨진다. 마이크로 RNA 경로의 핵심 요소는 식물과 동물 사이에서 보존되지만, 각각의 마이크로 RNA 레퍼토리는 서로 다른 방식으로 나타난다. 예를 들어 식물의 마이크로 RNA는 주로 그들의 표적 mRNA와 거의 완벽한 쌍을 이루는데, 이것은 표적 전사체의 절단을 통해 유전자를 억제한다. 반면, 동물의 마이크로 RNA는 5‘ 말단에 있는 6~8개 정도의 적은 뉴클레오타이드를 써서 그들의 표적을 인식할 수 있다. 결합 조절은 동물의 마이크로 RNA 조절의 특징이다. 하나의 마이크로 RNA는 수백 가지의 다른 표적 mRNA를 조절하고, 하나의 표적은 다수의 마이크로 RNA에 의해 조절될 가능성이 높다.

마이크로 RNA는 1993년에 Victor Ambros, Rosalind Lee, Rhonda Feinbaum가 예쁜 꼬마선충의 유충의 성장을 조절하는 lin-4 유전자를 연구하던 중에 처음 발견되었다. 그들은 lin-4 유전자를 격리시켰을 때, 단백질을 암호화하는 mRNA를 생산하는 대신에 암호화되지 않은 RNA를 생산해내는 것을 발견하였고, 그것들 중 하나는 lin-14 mRNA의 3‘ UTR에 있는 많은 순서에 대해 부분적으로 상보적인 순서를 포함한 22개 뉴클레오타이드의 RNA였다. 이 상보적 상태는 lin-14 mRNA가 LIN-14 단백질로 번역되는 것을 막게끔 했다. 당시에는 작은 lin-14 RNA가 선충의 특이한 성질로 여겨졌다. 2000년이 되어서야 두 번째 작은 RNA가 특징지어졌는데, 그것은 예쁜 꼬마선충의 나중에 있을 성장 상의 변화를 증진하기 위해 lin-41을 억제하는 let-7 RNA였다. let-7 RNA는 곧 많은 종들에서 보존되는 것으로 발견되었고, let-7 RNA를 비롯한 더 많은 RNA가 인간을 포함한 다양한 동물의 성장 시점을 조절할 것이라는 제안에 이르렀다. 그로부터 1년 후에, lin-4와 let-7 RNA는 예쁜 꼬마선충, 초파리, 사람의 세포에 존재하는 작은 RNA들의 매우 큰 분류의 일부로 여겨졌다. 새롭게 발견되는 이러한 분류의 많은 RNA는 그들의 발현 패턴이 주로 성장 시점을 조절하는 역할에서 일관성이 없다는 것을 제외하고는 lin-4와 let-7과 유사했다. 이 시점에서 연구자들은 이러한 작은 조절 RNA의 분류를 지칭하기 위해 "마이크로 RNA"라는 용어를 처음 사용했다.

기작

40 %에 가까운 마이크로 RNA 유전자들이 인트론이나 엑손에 존재한다. 이들은 대부분 5’ 말단에서 3‘ 말단으로의 방향이기 때문에 호스트 유전자와 함께 조절되는 경우가 많다. 주형 DNA는 마이크로 RNA의 최종 결과물과는 사뭇 다르다. 약 6 %의 인간 마이크로 RNA가 RNA 편집을 거쳤다고 보여지며 (IsomiRs), RNA상의 특정 부분 변형을 통해 DNA 서열과는 다른 결과물을 얻게 된다. 이러한 현상은 원래 게놈상의 서열 만으로는 불가능한 다양성과 더 넓은 활동범위를 가능케 한다. 그림 1은 마이크로 RNA 의 생성 과정을 보여주고 있다.

그림 1. 마이크로 RNA 의 생합성 과정 (출처: 위키피디아 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MiRNA-biogenesis.jpg)

마이크로 RNA는 RNA 발현의 억제에 관여한다. 이런 유전자 침묵은 마이크로 RNA가 mRNA를 퇴화시키거나 mRNA가 전사되는 것을 억제함으로써 이루어진다. 성숙한 마이크로 RNA는 RNA에 의해 유도된 침묵 콤플렉스 (RISC)의 일부이며 이것은 Dicer 와 그 외의 여러 단백질을 포함하고 있다. RISC는 마이크로 RNA 리보뉴클리오단백질 복합체 (miRNP)라고도 불린다.

유전자 침묵은 mRNA 분해나 번역을 억제함으로써 가능하다. 예를 들어 miR16은 불안정한 mRNA의 3’UTR에 AU가 많은 영역과 상보적인 서열을 갖고 있다 (예를 들어 TNFalpha 나 GM-CSF). 특히 miRNA와 타겟 mRNA 서열이 상보적으로 완벽하게 일치하는 경우 Ago2가 mRNA를 자르고 mRNA의 분해를 직접적으로 초래할 수 있다고 알려져 있다. 상보성이 떨어지는 경우 mRNA 번역을 저해하여 유전자침묵을 이뤄내는 방식도 있다. 마이크로 RNA는 히스톤 잔기의 변형과 프로모터상의 DNA 메틸화를 유도하여 타겟 유전자의 발현을 조절한다고도 보고되어 있다.

분해과정

마이크로 RNA 발현 프로파일의 빠른 변화에 중요한 요소중에 하나는 성숙한 마이크로 RNA의 분해다. 세포질에서 일어나는 마이크로 RNA의 성숙 과정에서 Argonaute 단백질에 의해 가이드 RNA가 안정화 되고 반대편 가닥은 우선적으로 분해된다. Argonaute 는 더 많은 타겟을 가진 마이크로 RNA를 더 적은 타겟을 가진 마이크로 RNA보다 우선적으로 남겨둘 가능성이 있으며, 결국 적은 타겟을 가진 마이크로 RNA 는 분해 된다. 예쁜 꼬마선충에서 성숙한 마이크로 RNA의 붕괴는 5’ 에서 3’ 엑소리보뉴클리아제인 XRN2에 의해 일어난다. 식물에서는 SDN과의 분자들이 마이크로 RNA를 3’ 에서 5’ 방향으로 분해한다. 유사한 효소들이 동물 유전자에 존재하지만 아직 그 기능이 규명되지 않았다. 여러 종류의 마이크로 RNA 변형이 마이크로 RNA의 안정성에 영향을 준다. 애기장대에서는 성숙한 식물 마이크로 RNA가 3’ 말단에 메틸화 되면서 안정화 된다. 또한 유리딜화가 일부 마이크로 RNA를 보호하는 기능을 갖지만 유리딜화가 어떠한 기능을 갖는지는 자세히 알려지지 않았다. 그리고 식물 및 동물 마이크로 RNA에서 아데닌 잔기가 마이크로 RNA의 3’ 말단에 결합하는 현상이 보고된 바 있다. 이 현상은 포유류의C형 간염에 중요한miR-122번에서 나타나며 이 변형에 의해 마이크로 RNA 가 더 느리게 분해된다.

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