▲ 전사과정의 재생(가운데 그림)과 재개시(오른쪽 그림)의 발견. DNA(짙은 청색)의 끝에 Cy5(빨강색)와 접착제(검정색)을 붙이고, 합성되는 RNA(옅은 청색)의 끝에 Cy3(초록색)를 붙이고 RNA 중합효소(왼손)에 의한 전사반응을 진행시키면(왼쪽 그림), 전사종결로 RNA가 방출된 후 중합효소(왼손)가 DNA 위에서 양방향으로 이동하다가(가운데 그림), 전사원점을 만나 전사를 재개시한다(오른쪽 그림). 출처 : KAIST 강창원 교수  © 특허뉴스

한국연구재단은 KAIST 생명과학과 강창원 명예교수와 서울대학교 물리천문학부 홍성철 교수 공동 연구팀이 유전정보(DNA)를 토대로 단백질을 합성하는 유전자 발현과정의 세부단계 하나를 새로이 규명했다고 밝혔다.

생명체가 유전정보를 발현하는 과정에서 RNA를 합성하는 복합체를 재사용하는 과정이 밝혀진 것이다. 기존에는 RNA가 완성되면 합성 복합체가 곧장 완전히 해체되었다가 다시 조립되는 것으로 추정해 왔다.

유전정보가 담긴 원본(DNA)으로부터 복사본(RNA)을 만드는 전사과정은 개시, 연장, 종결 세 단계였으나, 이번 연구를 통해 네 번째 단계, 재생(recycling) 단계가 새로이 추가되었다.

전사과정을 주도하는 RNA중합효소의 역할이 알려진 지 60여년 만에 RNA 합성이 끝나고 어떻게 다시 시작되는 지 구체적으로 알려진 것이다.

연구팀은 거푸집 역할을 하는 DNA로부터 RNA가 본떠진 이후에도 중합효소가 DNA로부터 떨어지지 않고 DNA상에서 이동하는 것을 알아냈다.

나아가 이렇게 잔류한 중합효소가 DNA상에서 자리를 옮겨 전사를 다시 시작하는 것을 알아내고 재개시(reinitiation)라고 명명하였다.

중합효소는 마치 선로 위를 달리는 기차처럼 DNA 위를 이동하면서 RNA를 합성하다가 완성된 RNA를 방출한다.

기존에는 RNA 방출과 동시에 중합효소가 DNA로부터 떨어져 나온 후 다시 전사 복합체가 만들어져 전사과정을 되풀이하는 것으로 추정해왔다.

하지만 이번 연구결과, 대부분의 경우 중합효소가 DNA에서 떨어지지 않고 계속 붙은 채로 이동하다가 새로 전사과정을 시작하는 것을 알아냈다.

연구팀은 우리 생명체가 복잡한 전사복합체를 해체하고 다시 조립하는 것보다 경제성을 택한 것으로 해석했다. 실제 한 유전자에서 전사를 연속해서 수행하거나 인접한 여러 유전자를 한꺼번에 전사할 때 매우 효율적일 것으로 보인다.

전사반응은 모든 세포에서 일어나는 매우 기본적인 과정으로 고등학교 생물학 교과서에서부터 나오는데 연구팀은 이번 발견으로 전사의 <재생>과 <재개시> 단계가 추가될 것으로 기대하고 있다.

한편 DNA와 RNA에 형광물질을 결합시킨 후 단일분자의 형광을 추적하는 방식으로 이뤄진 이번 연구는 생물리학 분야 연구팀과의 융합연구 결과여서 더욱 의미가 있다.

이번 연구의 성과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 1월 23일 게재되었다.