역전사효소

유전 정보의 전달·발현에 관한 중심원리(central dogma)에 따르면 유전정보는 DNA 분자로부터 RNA 분자로 전달되나, 이 반대 방향으로 유전정보가 전달되는 경우도 존재한다. 역전사효소(reverse transcrtipase)는 이와 같이 RNA 분자를 주형으로 하여 상보 DNA 분자(complementary DNA, cDNA)가 형성되는 과정, 즉 역전사 과정 중에 이용되는 단백질 효소이다. 유전물질로 단일 가닥 RNA 분자를 지니고 있고, 숙주세포 내에서 이 RNA 분자를 주형으로 DNA를 합성해 증식하는 레트로바이러스(retrovirus)와 밀접한 관련이 있으며, 역전사효소가 이들 바이러스의 생활사에 있어 필수적이기 때문에 이 역전사효소의 저해제가 레트로바이러스에 대항하기 위한 약물로 개발/이용되기도 한다. 레트로바이러스 외에도 역전사효소는 레트로트랜스포존(retrotransposon)의 증식과 진핵생물의 텔로미어(telomere)의 신장 등에도 사용되는 것으로 알려져 있다.

역전사효소의 3차원 입체구조(출처: )

목차

역전사효소는 1970년 미국 위스콘신 메디슨 대학(University of Wisconsin-Madison) 하워드 테민(Howard Temin) 박사가 라우스 육종 바이러스(Rous sarcoma virus; RSV)로부터 처음 발견하였으며¹⁾, 비슷한 시기 이와 별개로 MIT 대학 데이비드 볼티모어(David Baltimore) 박사도 생쥐 백혈병 바이러스(murine leukemia virus MLV)와 RSV에서 역전사효소를 발견하였다²⁾. 이들은 역전사효소 발견에 대한 공로로 레나토 둘베코(Renato Dulbecco)박사와 함께 1975년 노벨 생리의학상을 수상하였다.

이들이 역전사효소를 발견하기 이전에는 유전 정보의 전달·발현에 관한 중심원리(central dogma)에 따라 DNA는 RNA로 전사(transcription) 되고 이후 단백질로 번역(translation) 된다고 여겨지고 있었기 때문에, RNA를 주형으로 DNA가 만들어진다는 역전사 개념은 널리 받아들여지지 못하였다. 그러나 1970년에 두 박사가 각각 별개의 연구를 통해 이 과정을 담당하는 효소, 즉 역전사효소를 발견함에 따라 반대 방향(RNA로부터 DNA)으로의 유전정보 전달 가능성이 학계에서 인정되었다³⁾.

역전사효소는 RNA 분자로부터 이중가닥 DNA 분자를 만든다. 역전사효소를 지니고 있는 바이러스들은 DNA를 주형으로 하여 DNA를 중합하는 활성이 없기 때문에, 이중가닥 DNA를 형성하기 위해 숙주세포가 지닌 DNA 중합효소(DNA polymerase)의 활성을 이용한다. 이때 숙주의 DNA 중합효소는 바이러스 DNA-RNA 복합체를 DNA에 프라이머(primer)가 결합 형태로 인지하며, 프라이머가 제거될 때와 유사한 방식으로 원본 RNA 주형이 새로 합성된 DNA로 대체되면서 이중가닥 DNA 분자가 만들어진다.    

인간 면역결핍 바이러스 (HIV)에서의 역전사 과정 (출처: )

역전사효소는 RNA 분자에 대하여 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)을 적용하는 역전사 중합효소 연쇄반응(reverse transcription PCR, RT-PCR) 기법에서 주로 이용된다. 일반적인 PCR 반응은 DNA 분자에 대해서만 적용가능하지만, 역전사효소를 이용하면 RNA로부터 상보적인 DNA가 합성될 수 있기 때문에 결국 RNA 분자로부터 PCR반응과 분석이 가능한 것이다. 세포 유래의 총 전령 RNA(messenger RNA, mRNA)로부터 상보DNA 라이브러리(cDNA library)를 제작할 때도 역전사효소가 이용된다.

한편 인간 면역결핍 바이러스(human immunodeficiency virus, HIV)와 같은 레트로 바이러스(retrovirus)는 자신의 유전 물질을 복제하여 새로운 바이러스를 만드는데 역전사효소를 이용하므로, 특정 약물을 이용해 이 과정을 방해하면 결과적으로 바이러스의 증식을 저해할 수 있다. 즉 역전사효소의 저해제들이 바이러스 억제용 약물로 개발될 수 있으며, 실제 Retrovir, Epivir, Viramune 등의 제품이 개발된 바 있다. 

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김병식/이화여자대학교

이진원/한양대학교

1. Temin, H.M. and Mizutani, S. 1970. RNA-dependent DNA polymerase in virions of Rous sarcoma virus. Nature 226, 1211–1213.
2. Baltimore, D. 1970. RNA-dependent DNA polymerase in virions of RNA tumour viruses. Nature 226, 1209–1211.
3. No authors listed. Central dogma reversed. Nature 226, 1198–1199.