RNA 폴리메라아제의 구조 변환 메커니즘 해명

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-09

일본 이화학연구소(RIKEN)는 유전자 전사담당효소 ‘RNA 폴리머라아제’가 전사 상황에 대응하여 기능을 변화시킬 때, 구체적인 구조가 변화한다는 사실과 이를 제어하는 메커니즘을 해명하였다고 발표하였다. 생명의 설계도인 유전정보는 세포 내 DNA의 염기서열로 보존되어 있다. 생물의 DNA 중 유전정보를 가진 일부 영역(유전자)가 적절한 시기에 적절한 장소(세포)에서 작동하는 것으로 우리 몸이 유지되고 활동할 수 있다. 유전자가 활동하기 위해서는 유전자 서열이 먼저 RNA라는 물질로 전사된다. 다음으로 이 전사된 배열을 기초로 하여 단백질이 번역(합성)된다. 전사를 담당하는 RNA 폴리머라아제는 생명활동에 불가결한 효소로, DNA 배열을 정확하게 전사하여 RNA를 합성하는 역할을 담당하고 있다. RNA 폴리머라아제는 복수의 단백질로 이루어진 거대한 복합체로, 세균에서 인간까지 공통적으로 ‘집게발’ 형태로 이루어져 있다. RNA 폴리머라아제는 ‘집게’ 사이에 형성되는 도랑에서 DNA를 결합시켜, 집게의 근원인 활성부위에서 1잔기씩 DNA의 염기와 대응하여 RNA를 신장 합성한다. 활성부위에는 RNA 합성반응에 필요한 마그네슘 이온 등이 ‘Trigger Loop’나 ‘Brigdge Helix’와 같은 중요한 단백질의 부분으로 존재한다. 연구진은 지난 2010년 세균의 RNA 폴리머라아제와 그 움직임을 저해하는 단백질 복합체 결정구조를 분석하여 새로운 RNA 폴리머라아제 입체구조를 발견하였다. 이 새로운 입체구조는 RNA 폴리머라아제의 집계 시작 부분이 뒤틀려 활성 부위나 DNA에 결합하는 도랑이 재편성되어 있는 구조로 연구팀은 이 특징적인 입체구조를 ‘Ratchet 형’이라 부르며 기존의 ‘Tight 형과 구별하였다. RNA 폴리메라아제가 DNA 배열을 RNA로 전사하는 과정이 반드시 부드럽게 진행되는 것은 아니다. RNA 폴리메라아제는 DNA상에서 자주 일시정지나 후퇴를 반복하며 전사를 진행한다. ([그림 3]) RNA 폴리메라아제는 전사에 실패하여 전혀 다른 염기(미스매치 염기)를 만난 경우에는 미스매치 염기를 포함하여 RNA 일부를 절단 및 제거하는 기능도 가지고 있어 이러한 ‘교정’ 작업을 하면서 전사가 일어난다. ([그림 3]) 하지만 RNA 폴리메라아제가 어떻게 상황에 따라 다양한 기능을 발군하는지 그 분자 메커니즘은 잘 알려지지 않았다. 연구진은 ‘Ratchet 형’의 입체구조가 전사의 일시정지나 후퇴 및 교정을 포함한 전사기능 교체에 깊이 관여하고 있다고 생각하여, RNA 폴리메라아제의 입체구조와 그 기능의 상관관계를 밝히고자 하였다. 연구진은 CPX법(Cys-pair crosslinking)을 이용하여 생화학적 해석 및 X선 결정구조해석을 방법을 통해 전사 중 RNA 폴리메라아제가 어떤 입체구조를 가지고 있는지 조사하였다.먼저 세균(고도호열균)의 RNA 폴리메라아제를 이용하여 두 곳에 시스템 염기를 도입한 ‘CPX 변이체’를 제작하였다. 이 두 염기는 ‘Tight 형’일 때 두 곳의 잔기에 고효율적으로 결합하여 이황화물 결합(S-S 결합)을 형성한다. 다음으로 이 S-S 결합을 형성효율 지표로 하여 RNA 폴리메라아제의 입체구조를 조사하여 미스매치 염기를 도입하여 DNA 상 후퇴한 상태에서 RNA 폴리메라아제의 입체구조를 조사하여 ‘1염기 분’ 후퇴한 상태에서는 ‘Tight 형’을, 대폭 후퇴한 상태에서는 ‘Ratchet 형’을 구성하고 있다는 것을 확인하였다. ([그림 5]) 또한 ‘1 염기 분’ 후퇴한 상태에서는 RNA의 절단(전사의 교정)을 촉진하는 전사인자 Gre가 RNA 폴리메라아제를 ‘Tight 형’에서 ‘Ratchet 형’으로 교체하는 높은 절단 활성을 이끌어낸다는 사실을 확인하였다. 또한 RNA 폴리메라아제로 만들어진 RNA가 헤어핀 구조를 취하는 특수한 경우에는 RNA 폴리메라아제는 안정적으로 전사 휴지상태에 들어가 RNA 해리로 전사를 종료시키며, RNA 폴리메라아제는 헤어핀 구조를 가진 RNA를 포함한 것과 같은 전사 복합체에서도 ‘Ratchet 형’이 된다는 것을 밝혀내었다. ([그림 5]) 또한 연구진은 CPX법에 의한 해석도 병행하여 ‘1염기 분’씩 후퇴하는 상태 및 Gre 인자를 결합한 상태의 RNA 폴리메라아제의 결정구조 해석을 수행하였다. 이를 통해 RNA 폴리메라아제는 전자에서는 ‘Tight 형’을, 후자에서는 ‘Ranchet 형’의 입체구조를 가진다는 것을 확인하였다. ([그림 6] 상단) 특히 ‘1염기 분’ 후퇴하는 상태에서는 RNA 폴리메라아제의 Trigger Loop가 RNA의 후퇴 (3’말단 돌출)로 인해 ‘구부러진’ 상태가 된다. ([그림 6] 하단 중) 상기의 CPX법을 이용한 실험에서 ‘1염기 분’ 후퇴하는 상태의 RNA 폴리메라아제는 RNA를 합성 중의 상태와 비교하여 이 경우가 보다 쉽게 ‘Ranchet 형’으로 이동할 수 있는 성질을 가지고 있다는 것을 확인하였으며, 이는 Trigger Loop가 구부러진 것이 그 큰 원인의 하나로 작용하는 것으로 보인다. 이상의 결과를 통해 연구진은 RNA 폴리메라아제의 ‘Ranchet 형’의 입체구조는 복수의 중요한 전사기능을 지지하는 필수적인 구조상태라는 것이 밝혔다. 이는 전사기능을 ‘Tight형’과 ‘Ranchet형’의 2가지 입체구조의 변환에 의해 제어된다는 보편적인 메커니즘의 존재를 보여준다. 또한 RNA 폴리메라아제에 따라 만들어지기 시작하는 RNA가 2개의 입체구조의 변환에 깊이 관여하는 것과, 전사의 진행의 휴지 및 종결, 및 효소 활성의 변환에 중요한 역할을 담당하고 있다는 것을 확인하였다. 그 동안 거대 복합체인 RNA 폴리메라아제가 전사의 상태나 여러 가지 시그널에 대응하여 그 활성이나 기능을 변환하는 것을 알려져있지만, 그 구체적인 메커니즘은 거의 알려지있지 않았다. 본 연구는 RNA 폴리메라아제의 두 가지 구조상태의 각각 다른 기능을 담당하고 있는 것을 보여주며, 이는 전사 제어의 기본원리의 해명을 위해 큰 진전을 할 것으로 기대된다. 또한 본 연구는 향후 RNA 폴리메라아제의 활동을 자유자재로 제어하는 방법의 개발이나 세균의 RNA 폴리메라아제의 활동을 정지시켜 항균제를 개발하는 등 응용의 주요한 기초가 될 것으로 기대된다. 본 연구내용은 Molecular Cell지에 "The ratcheted and ratchetable structural states of RNA polymerase underlie multiple transcriptional functions”(doi: 10.1016/j.molcel.2014.12.014)라는 제목의 논문으로 발표되었다. [그림 3] 전사의 일시정지나 RNA 폴리메라아제의 후퇴, RNA의 절단 : RNA 폴리메라아제(RNAP)는 주형 DNA상을 이동하면서 RNA를 합성하지만, 그 과정에서 반드시 스무스 한 것은 아니고, DNA위에서 일시정지나 후퇴가 일어난다.주형에 적합하지 않은 미스매치 염기를 만나는 경우 후퇴가 일어나는 경우, RNA폴리메라아제는 미스매치 염기를 포함한 RNA일부를 절단, 제거하면서 RNA합성을 재개하는 교정기능을 가지고 있다. [그림 5] RNA 폴리메라아제 입체구조와 전사기능의 관계 : RNA 폴리메라아제(RNAP)의 기능의 변환은 tight형과 Ranchet형의 입체구조의 변환으로 설명가능하다. [그림 6] 후퇴상태 및 Gre인자 결합상태의 RNA 폴리메라아제의 구조와 RNA 전사의 각종 상태에서 활성부위 부근의 구조를 비교 상단 좌측: “1염기 분” 후퇴한 상태 RNA 폴리메라아제(RNAP)의 구조 상단 우측: Gre인자 결합상태의 RNA 폴리메라아제의 구조 하단은 RNA전사의 각종 상태에 따른 RNA 폴리메라아제의 활성부위 부근의 구조를 보여준다. 하단 좌측: 염기 NTP(DNA의 염기와 대응하는 염기)를 포함하여 결합하는 신장복합체. 활성 부위가 Trigger Loop에 의해 닫힌다. 하단 중간: “1염기 분” 후퇴하는 상태. Trigger Loop의 휘어짐에 의해 Gre인자의 결합 채널이 점점 닫히고 있다. 하단 우측: Gre인자를 결합시킨 상태. Gre인자는 하단의 상태에 접근하여 RNA 폴리메라아제를 ‘Ranchet형’으로 변환시키는 것으로 보인다. fig3-2.jpg fig5.jpg fig6.jpg http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150206_3/