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[김민정 칼럼] - 세포 속 유전자 발현을 조절하는 물질, microRNA

이 기사는 임정예 기자가2020년02월10일 11시30분에 최종 입력하였습니다. 총 683명이 방문하여 읽었습니다.

글: 김민정 (김민정 한의원장)

DNA가 단백질이 되는 것을 조절하는 단백질로 발현되지 않는 DNA의 조절부분은 어떤 것이 있는가-micro RNA
2000년대 초반 Science, Nature를 비롯한 과학서적에서 “유전자 조절의 새로운 패러다임”, “생물학계의 빅뱅” 이라는 타이틀로 Non-coding RNA에 대해 다루기 시작했습니다. DNA의 발현을 조절하는 부분인 Non-coding RNA(micro RNA)에 대해 이야기 하려합니다. DNA는 단백질로 발현되는 ‘엑손’이란 부분과 엑손사이사이에 있는 단백질로 발현되지 않는 ‘인트론’이란 부분이 있습니다. DNA가닥중 ‘엑손’은 단백질로 발현되지만 ‘인트론’은 기능이 밝혀지지 않고 잘 모르는 부분으로 알려져 있었습니다. 이 부분이 Non-coding RNA입니다. Non-coding RNA는 유전체의 90%를 차지하지만 그 역할이 오랜 기간 동안 알려져 있지 않아 “유전자의 어두운 물질”이라고 표현되어 왔습니다.

이 부분은 단백질이 발현되는 과정 중에 쓰이는 RNA와 달리 크기가 작기 때문에 micro RNA라고 불립니다. ‘초반에 별 기능이 없는 줄 알았던 micro RNA가 실은 DNA발현에 아주 큰 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다. micro RNA는 뱃속에서 태아가 자랄 때 장기가 발생하는 것에도 영향을 주고 세포분열에도 영향을 줍니다. micro RNA 조절이 잘못되면 각종질병이 발생하는데 그 중 하나가 암입니다. 정상세포에서 microRNA가 어떤 작용으로 DNA발현을 조절하는지 살펴보고 암세포에서는 microRNA가 어떻게 바뀌었는지 살펴보겠습니다. 그리고 진단과 치료에 있어서 어떻게 쓰일 수 있는지 살펴보겠습니다.

* 정상세포에서 microRNA가 RNA를 통해 DNA발현을 조절하는 방식
이것을 설명하기에 앞서 DNA에서 단백질로 발현되는 절차인 “센트럴 도그마”를 다시 살펴보겠습니다.

DNA -> RNA -> 단백질

이렇게 발현되는 과정에서 후에 밝혀진 것이 있는데 DNA-->RNA과정이 일어난 후 RNA를 조절하는 과정(post-transcription)과 RNA--->단백질(post-translation)이 있습니다. 후에 다시 RNA와 단백질을 조절하는 과정입니다. RNA를 조절하는 과정에 관여하는 것이 microRNA입니다. 이것 중 잘 알려진 것이 siRNA라는 것인데 만들어진 RNA를 억제하여 DNA에서 만들어진 RNA양을 조절합니다. 처음에 microRNA의 연구는 c.elegans라는 선충을 이용하였습니다. 선충의 1종. 자유생활을 하는 작고 투명한 토양선충으로 자웅동체와 웅성개체가 있습니다. 유전자의 수는 약 15,000개로 비교적 유전체가 작고 세포의 종류도 적습니다. 약 16시간 만에 발생이 완료되며, 발생유전학이나 행동유전학 연구에 귀한 재료가 됩니다.

1993년 Victor Ambro와 Gary Ruvkun이란 학자는 “lin-4”, “let-7”이라는 microRNA를 발견했는데 이 물질들이 없으면 세포가 분열하고 분화해야 되는 시간에 분열과 분화가 안 됩니다. 예를 들면 선충의 피부가 4번의 분 열후 분화가 되어 피부세포가 되고 더 이상 분열을 안하는 것이 정상입니다. lin-4가 돌연변이가 생기면 지속적으로 분열만 일어납니다. let-7에 돌연변이가 생기면 분화가 일어나는 시기에 분화가 되지 않습니다. 암의 특성이 지속적인 세포의 분열(세포가 계속 생기는 것)이므로 microRNA는 암과도 큰 연관성이 있을 것이라고 생각이 되었습니다. microRNA의 형성은 처음 핀모양을 띄다가 핀 모양에서 잘라져 처음 형성된 것의 일부인 20-22개의 뉴클레오타이드가 다른 RNA에 결합하여 RNA를 조절하는 역할을 합니다. 보통은 microRNA가 RNA에 결합하여 RNA가 단백질이 되는 과정을 억제합니다. microRNA는 수천개라고 알려져 있고 아직 다 밝혀져 있지 않습니다. 이스트나 곰팡이 같은 단세포 생물에서는 발견되지 않습니다.
다른 microRNA들이 후에 많이 발견되었는데 어떤 microRNA는 스트레스 상황에서만 발견되었습니다. 예를들면 영양이 부족하거나 열이 많은 상황, 방사선 스트레스, 세포손상스트레스등 스트레스 상황에서만 등장하는 microRNA가 있었습니다. microRNA의 다른 예로는 생물이 발생할 때(태아가 엄마뱃속에서 자라듯이) 조절하는 microRNA들이 발견되었습니다. 어떤 microRNA는 뇌의 발달을 조절해서 그 microRNA에 변이가 일어나면 뇌가 발달하지 못합니다.

한 개의 micro RNA가 여러 개의 유전자의 발현에 관여하기도 하고 여러 개의 micro RNA가 한 개의 유전자 발현에 관여하기도 합니다. 전체 사람 유전자중 약 1/3-2/3정도가 microRNA의 조절을 받는 것으로 추정됩니다. microRNA는 RNA를 조절하여 유전자가 발현되는 것 자체를 막기도 하지만 RNA의 양을 조절해서 발현되는 단백질의 양을 조절하기도 합니다. 그리고 RNA가 세포 안에서 안정적으로 있게 만들기도 합니다. 따라서 microRNA는 RNA를 공고하게 하거나 제거하는 역할을 함으로서 단백질의 발현을 조절하는 것입니다. 단백질은 우리 몸을 이루기도 하고 신호전달물질로 쓰이기 때문에 어떤 단백질이 있는지 유무와 얼마나 있는지 정도가 세포의 활동에 매우 중요한 역할을 합니다. microRNA의 변화는 여러 질병과 연관 되어 있는데 특히 암에서 잘 나타납니다.

* microRNA가 정상세포와 암세포의 차이점
1. 암에서 microRNA는 주변 정상세포와 다르게 나타납니다. 암에서 microRNA는 주변 정상세포와 비교해서 많이 나타나기도 하고 적게 나타나기도 합니다. c.elegan연구에서 나왔던 let-7은 인간에 있게도 let-7과 상동인 microRNA가 있는데 폐암에서는 변이가 되어 적게 나타납니다. 사실 인간의 let-7은 암억제유전자의 역할을 합니다. 폐암에서 let-7의 양이 정상세포에 비해서 적어지면서 암이 억제되지 않아 폐암이 발생하는 것입니다.
microRNA는 정상세포와 암세포에서 차이남으로 microRNA를 진단의 도구로 사용할 수 있습니다. 예를 들면 앞에서 말씀드린 let-7의 양을 측정하여 환자의 예후를 판단할 수 있습니다. 비소세포암을 가진 폐암환자가 수술 후 let-7의 양이 많은 경우 그렇지 않은 경우보다 예후가 좋습니다. let-7이 많으면 암환자가 살 확률이 높습니다. miR-155라는 microRNA는 유방암 대장암 폐암에서 증가 되어있습니다. 폐암환자에서 miR-155가 증가 되어 있으면 예후가 좋지 않습니다. microRNA는 그 종류와 몸의 조직에 따라 양이 많은 것도 양이 적은 것도 문제가 되는 것입니다.

2. microRNA의 유전자는 많은 경우 암에서 변이가 일어나 있습니다. microRNA가 DNA의 non-coding(단백질로 발현되지 않는 DNA부분)에서 DNA를 복사하여 나오는 것입니다. 다른 RNA와 같습니다. 그런데 암의 경우 microRNA가 복사하는 원본DNA의 부분이 돌연변이 된 경우가 많습니다. DNA의 그 부분이 없어지기도 하고 증가되기도 하여 microRNA의 돌연변이를 일으킵니다.

3. micro RNA자체가 암유발유전자(oncogene)이나 암 억제유전자(tumor suppressor gene)으로 작용합니다. miR-21이 증가하면 B림프암이 발생합니다. 동물 실험에서 miR-21이 증가하면 암이 발생하고 없애면 암이 없어지는 것이 발견되었습니다. microRNA는 암을 발생하기도 하고 없애기도 하는 역할을 하여 암 발생 유전자 혹은 암억제유전자같은 역할을 합니다.

4. microRNA는 암 발생 유전자와 암억제유전자가 단백질로 발현되는 것을 조절합니다. 암 발생 유전자와 암억제유전자는 DNA에서 단백질로 발현되어 우리 세포안의 신호와 성장을 조절하는 역할을 합니다. 마치 차의 엑셀과 브레이크 같은 역할을 하여 암 발생 유전자가 많이 발현되면 세포가 많이 분열하여 암이 되고(엑셀) 암억제유전자가 많이 발현되면 세포분열이 억제되어 암 발생을 막습니다(브레이크) microRNA는 이런 유전자들이 단백질이 되어 실제로 세포내에서 작용하는 것을 조절합니다. 예를 들면 앞에서 언급한 let-7은 폐암환자에게서 let-7이 증가되면 예후가 좋다고 말씀드렸습니다. let-7은 폐암을 일으키는 암 발생 유전자인 kRAS의 역할을 억제하여 암 발생을 억제합니다. 암 억제 유전자처럼 일을 하는 miRNA를 암억제 miRNA라고 하는데 mir-15/16, let-7,mir-34등이 있습니다. 암에서는 이런 microRNA가 없거나 양이 줄어들어 있습니다. 암 발생유전자처럼 일하는 miRNA는 mir-155, mir-21인데 이것들이 암세포에서는 증가되어 있습니다.

5. microRNA를 가공하는 단백질들에 변이가 생기면 암이 발생합니다. Dicer라는 microRNA를 자르고 가공하는 효소가 있는데 이 효소에 돌연변이가 생기면 암이 발생합니다. 어떤 신장암의 경우는 Dicer에 돌연변이가 생겨서 발생하기도 하는데 이 돌연변이는 유전이 되어 같은 가족들에게서 많이 발생합니다.

* microRNA의 종류와 암치료제로 쓸수 있을 지 여부
암에서 많이 증가된 microRNA(예를 들면 miR-21, miR-155)의 경우 이것을 차단하는 물질을 투여하고 (달라붙어서) 암에서 감소하는 microRNA의 경우(let-7, miR-34)는 이것과 유사한 물질을 가공해서 몸에 넣어주고 암이 어떻게 변하는가 살펴보았습니다. let-7이나 miR-34를 KRAS돌연변이가 생긴 폐암에 투여하였더니 투여하지 않은 군에 비해 암세포가 작아진 것을 발견할 수 있었습니다. 암에서 증가된 miR-21, miR-155의 경우 이것들을 막는 가공된 물질(항체같이 작용)을 투여했을 때 암세포가 줄어드는 것을 발견할수 있습니다. microRNA는 20년간 계속 발견되어 왔습니다. 사실 DNA는 인트론 부분까지 포함하여 거의 다 RNA로 전사(복사)됩니다. 이 중 실제로 단백질로 발현되는 것은 2%정도이고 나머지는 단백질 발현을 조절하는 microRNA입니다. microRNA는 DNA의 대부분을 차지하며 마치 빙산의 보이지 않는 부분과 같습니다. 다른 종류들도 발견 되었습니다. 약 38,000이상의 lncRNA와 100,000이상의 circular RNA등입니다. lncRNA는 long non coding RNA의 약자입니다. (긴 형태입니다)

밝혀진 것까지 합치면 microRNA종류는 micro RNA(miRNA)와 cricular RNA, IncRNA 3가지가 있습니다. 각각의 이름은 모양을 따서 만든 것입니다. 앞에서 언급한 microRNA는 첫 번째인 miRNA입니다. 핵안에서 머리핀 같은 모양으로 있다가 여러 효소의 영향으로 가공되어 잘라지고 작은 조각만 남게 됩니다. 이것이 다른 RNA의 끝부분에 붙어서 그 RNA가 단백질로 발현되는 것을 막습니다. cricular RNA는 동그란 모양입니다. 가공될 때 miRNA처럼 잘리는 게 아니라 동그란 모양으로 만들어 집니다. 이것의 대표적인 역할은 다른 RNA를 스펀지처럼 빨아들여서 그 역할을 하지 못하게 하는 것입니다.

lncRNA는 다른 것들에 비해 길이가 길고 역할도 여러 가지가 있습니다. 염색체의 모양을 바꾸기도 하고 다른 miRNA와 경쟁합니다.(역할을 방해합니다.) 혹은 mRNA가 DNA에 붙어서 복사하기 위해서는 transcription factor라는 것이 필요한데 이것의 역할을 방해하기도 합니다.(이 역할을 방해하여 RNA가 전사(복사)되지 못하게 합니다) 3가지 microRNA는 서로서로 영향을 줍니다. 서로 방해하기도 하고 돕기도 하면서 세포내 환경을 조절합니다. microRNA의 양과 종류가 세포활동을 조절하는 역할을 하면서 각종 질환과도 관련이 있다는 것이 발견되었습니다. micro RNA는 백혈병이나 다른 암, 심장질환 ,면역, 정신분열증에서 특징적으로 증가하거나 감소하게 나타납니다. 이런 부분들이 진단과 치료로 이어질 수 있고 앞으로 밝혀야 할 부분이 많습니다. micro RNA는 현재 각광받고 있는 면역항암치료에도 쓰일 수 있습니다. 면역항암치료는 우리 몸의 면역세포를 증진시켜 암세포를 죽이는 치료입니다. 예를 들면 암세포에 표면에는 PDL1이라는 것이 있어서 암을 죽이는 면역세포인 T세포에게 “접근하지마”라는 신호를 보냅니다. (T세포에 전기 충격기 같은 역할을 해서 T세포가 암세포에 다가가지 못하게 하여 죽음을 피하는 것입니다.)

microRNA는 이 PDL1에 붙어서 PDL1이 면역세포인 T세포에 신호를 보내는 것을 막을 수 있습니다. 이런 방식으로 microRNA는 면역항암치료에도 쓰일 수 있습니다. microRNA는 크기가 작기 때문에 인공적으로 합성하기도 쉽습니다. 그리고 현재 쓰이고 있는 면역항암제인 항체들이 세포외부에서만 작용한다면 microRNA는 크기가 작기 때문에 세포내부에서도 작용할 수 있습니다. 따라서 세포내부의 신호전달을 조절하는 역할도 할 수 있습니다. 또한 사람마다 발생하는 암마다 microRNA의 변화가 다르기 때문에 이것을 조절하면 “개인 맞춤치료”를 할 수 있습니다. 예를 들면 mir-21은 일부 췌장암환자에게서 증가 되어 있습니다. mir-21이 증가한 환자군은 그렇지 않은 군에 비해서 예후가 좋지 않습니다. 진단시에 mir-21을 확인하고 치료시 mir-21의 활동을 억제하는 항체(약)으로 치료할 수 있습니다. 같은 췌장암이라도 환자에 따라서 진단과 치료를 맞춤으로 할 수 있는 것입니다. 이런식 의 방식으로 사실 환자에게 직접 투여하기 전에 암과 암주변세포들을 채취해서 mir-21의 양을 측정하고 약을 투여해 환자에게 투여하기 이전에 결과를 미리 알 수 있습니다. 특정 항암제가 어떤 환자에게 있어서 더 효과적일지 예상할 수 있는 것입니다.