RNA와 단백질의 결합자리, 염기 종류에 따라 정확히 찾아낸다

연구진 사진. 왼쪽부터 김빛내리 RNA 연구단장(공동교신저자), 배종우 연구원(제1저자), 김종서 연구위원(공동교신저자). 인물 뒷쪽 기기는 본 프로젝트에 사용한 질량분석기이다 (Orbitrap Fusion Lumos, Thermo Fisher Scientific).

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) RNA 연구단 김종서 연구위원(서울대 조교수)·김빛내리 단장(서울대 석좌교수)이 세포 내 단백질에서 RNA와 결합을 형성하는 ‘RNA 결합자리^[1]’를 염기 종류에 따라 정확하게 찾아내는 기법을 개발했습니다. 생명현상 조절에 필수적인 RNA-단백질 상호작용의 원리 규명에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

RNA 결합자리의 동정은 세포 기능 조절을 규명하기 위한 핵심 단계라고 할 수 있습니다. RNA에 단백질이 결합하여 번역 효율, 안정성, 세포 내 위치 등 단백질 생산과정을 조절해 정상적인 유전자를 발현시키기 때문인데요. 이때 RNA 결합자리를 확인하려면 작은 단백질 조각의 질량을 측정해, 해당 조각의 아미노산 및 단백질 내 위치를 추론하는 ‘질량분석^[2]’ 방법이 필요합니다.

연구진은 지난해 짧은 파장의 자외선(UVC)^[3]과 불산을 적용, RNA 내 유라실^[4]과 단백질의 교차결합을 형성하여 RNA 결합자리를 찾는 기술을 개발했습니다. 그런데 이 기술로는 RNA-단백질 상호작용의 복합적 파악이 어려웠습니다. RNA-단백질 교차결합 형성 효율이 매우 낮으며, 가능한 RNA 염기 종류도 유라실 하나뿐이었기 때문입니다.

연구진은 긴 파장의 자외선(UVA)^[5]과 광활성 RNA^[6] 표지법을 활용해 작년 연구의 한계를 극복했습니다. 우선 세포 내 RNA를 4-티오유리딘과 6-티오구아노신^[7] 두 종류의 광활성 염기로 표지했습니다. 이후 UVA를 이용해 결합된 단백질과 특이적 교차결합을 유도했습니다. 후에 단백질에 결합된 긴 RNA를 불산 처리하여 화학적으로 가수 분해했습니다. 그리고 질량분석 방법으로 남은 RNA 조각의 분자량을 확인했습니다. 이 정보를 토대로 4-티오유리딘과 6-티오구아노신의 각 염기 종류에 해당하는 특이적 RNA 결합자리를 고효율로 동정해냈습니다. 또한, 데이터 분석 프로그램을 발전시켜 RNA 결합자리를 포함하는 펩타이드를 정확히 정량했는데요.

광활성 RNA를 이용한 pRBS-ID 연구 결과 모식도. pRBS-ID를 위해서는 먼저 UVA를 이용해 광활성 RNA-단백질 간 공유결합을 형성한다. 그 뒤 단백질은 펩타이드로 만들고, RNA는 불산을 이용해 화학적으로 분해한다. 이후 질량분석을 수행하면 펩타이드에 교차결합한 광활성 RNA 조각의 질량으로부터 RNA 결합자리를 개별 아미노산 수준의 고해상도로 동정할 수 있다. 연구진은 pRBS-ID를 활용한 본 연구에서 RNA 결합자리의 염기 종류별 특성을 파악했고, RNA 결합자리를 정량값을 정확히 측정했으며, RNA-단백질 복합체의 구조 데이터에 기반한 RNA-단백질 상호작용 분석의 기반을 마련했다.

이로써 연구진은 염기 종류 및 교차결합 방식에 따른 RNA-단백질 상호작용 양상의 차이를 면밀히 규명할 수 있었습니다. 이는 새로 발견한 광활성 RNA 결합자리 뿐 아니라, 기존 UVC를 이용한 RNA 결합자리까지 망라하는 성과입니다. 나아가 RNA-단백질 복합체 구조 데이터를 접목해, 질량분석으로 규명한 RNA 결합자리가 밝혀진 단백질-RNA 구조와 일치하는 염기 종류와 상호작용함을 확인했습니다. 또 단백질의 구조가 불안정하여 기존 데이터로 파악할 수 없었던 RNA-단백질 상호작용도 RNA 결합자리를 통해 밝혀냈습니다.

이번에 개발한 질량분석 기법과 새로 동정한 3,000개 이상의 RNA 결합자리 정보는 RNA-단백질 상호작용에 의한 생명현상 조절 이해에 활용될 수 있어 가치가 큽니다. 특히 광활성 RNA의 대사표지와 최근 획기적으로 개선된 단백질 구조 예측 프로그램들을 접목하면, RNA-단백질 상호작용의 동적 변화와 분자적 기전을 세밀히 이해할 수 있으리라 기대됩니다.

이번 연구성과는 Nature Communucations(IF 14.92)에 10월 15일 온라인 게재됐습니다.

논문명 : Photoactivatable ribonucleosides mark base-specific RNA-binding sites

[1] RNA 결합자리 (RNA-binding site): RNA 결합단백질에서 RNA를 직접 인지하여 결합하는 아미노산 자리.

[2] 질량분석 (Mass spectrometry): 전체 분자 및 이를 쪼갠 분자 질량을 각각 측정해 분자의 구성을 밝히는 기술.

[3] UVC: RNA-단백질 교차결합을 형성할 수 있는 짧은 파장(254 nm)의 자외선.

[4] 유라실 (Uracil): RNA를 이루는 네 가지 염기(아데닌, 구아닌, 사이토신, 유라실) 중 하나.

[5] UVA: 광활성 RNA-단백질 교차결합을 형성할 수 있는 비교적 긴 파장(365 nm)의 자외선.

[6] 광활성 RNA (Photoactivatable ribonucleosides): 염기 내 산소 원자 하나가 황 원자로 치환되어, 특정 파장의 자외선에 의해 활성화되어 단백질과 교차결합을 형성하는 RNA. 4-티오유리딘과 6-티오구아노신이 있다.

[7] 4-티오유리딘, 6-티오구아노신: 광활성 RNA의 종류로, 각각 유리딘 및 구아노신과 대응됨.

[8] 2021년 7월 발표된 AlphaFold(Google Deepmind)와 RoseTTAFold(David Baker lab)가 있다.

이웃집과학자 다른기사 보기