2006년 10월 2일 스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회(The Nobel Assembly at Karolinska Institutet)는 노벨상수상위원회(NobelPrize.org)를 통해 미국 스탠포드 의대(Stanford University School of Medicine Stanford)의 앤드루 Z 파이어(47, Andrew Z. Fire, 아래 사진 좌, 1959-)와 매사추세츠대 의대(University of Massachusetts Medical School)의 크레이그 C 멜로(46, Craig C. Mello, 아래 사진 우, 1960-) 박사가, "RNA 간섭 - 이중가닥 RNA에 의한 유전자의 침묵(비발현)"RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA)"을 발견한 공로로 두 사람을 올해 노벨 생리/의학상을 공동 수상자로 선정했다고 발표했다. 놀라운 것은 이 두 분의 출생연도가 1959년과 1960년 생이라는 점과 1998년 처음 논문이 발표된 후 10년도 안되어 노벨상을 수상했다는 점이다. 공교롭게도 10월 4일 발표된 노벨화학상은 RNA에 의한 유전자 정보의 전사(Transcription) 과정을 규명한 미국 과학자들이 수상했는데, 이를 같이 동시에 소개해야 하지만 지면상 별도로 소개한다.
앤드루 Z 파이어(47, Andrew Z. Fire, 1959-)
Stanford University School of Medicine
Stanford, CA, USA
크레이그 C 멜로(46, Craig C. Mello, 1960-)
University of Massachusetts Medical School
Worcester, MA, USA
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[목차]

1. 들어가기 전에 - RNA에 의한 전사(Transcription)와 번역(Translation)이란 무엇인가?
2. 수상 요약 - RNA 간섭(RNA interference, RNAi)의 발견, 이중가닥 RNA(dsRNA)가 유전자의 침묵(silencing) 이끌어
3. 세포 내에서의 유전 정보의 전달 과정 : mRNA를 통한 유전 정보가 단백질을 만드는 과정
4. RNA 간섭(RNA interference, RNAi)의 발견, 유전자의 침묵을 이끌어, 단백질 생성이 안 되
5. RNA 간섭 메커니즘의 발견
6. RNA 간섭을 이용한 바이러스 제거 및 유전정보발현 사전 제거로 기타 질병 치료 기대
7. 참고 - 바이러스가 세포를 공격하는 메커니즘
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1. 들어가기 전에 - RNA에 의한 전사(Transcription)와 번역(Translation)이란 무엇인가? 다음 단백질을 만드는 과정을 학습해야 본 내용을 이해할 수 있습니다.

1-1. [B형 유전자의 이중나선(Double Helix)을 풀다]
1-2. [DNA의 종류 - 엑손과 인트론]
1-2. [단백질을 만드는 방법, 세포와 유전자는 바로 기업이다]
1-2-1. [유전자 암호(코돈, Codon=Genetic Code)]
1-2-2. [전사(Transcription)란 무엇인가?]
1-2-3. [번역(Translation)이란 무엇인가?]
1-2-4. [비즈니스 전략 기회 - 세포와 유전자는 바로 기업이다.]

2. 수상 요약 - RNA 간섭(RNA interference, RNAi)의 발견, 이중가닥 RNA(dsRNA)가 유전자의 침묵(silencing) 이끌어

2006년도의 노벨 생리의학상은 유전 정보의 흐름을 콘트롤(flow of genetic information) 하는 기본적인 메커니즘을 발견한 공로로 수상하게 되었다. 일반적으로 우리 인간의 게놈(genome, 유전체학)은 세포질(cytoplasm) 내의 리보솜에서 단백질을 만들라는 세포핵 내에 있는 유전자(DNA)로부터의 명령(instructions)에 따라 단백질을 만든다. 이같은 명령은 바로 전령 RNA(mRNA)에 의해 유전 정보들을 전사(Transcription)하게 된다. 즉, 유전자의 명령만 있으면 언제라도 mRNA에 의해 유전정보가 전사되고 리보솜에서 원하는 효소(enzyme), 수용체(receptor), 항체(antibody) 등을 만드는 것이다.

그런데 1998년, 미국의 두 과학자들인 Andrew Fire와 Craig Mello 박사가 mRNA의 기능을 쪼개(cleave) 파괴(degrade, destroy)하는 메커니즘을 밝혀 논문을 발표한 것이다. 즉, 유전자의 정보가 발현(expression)되지 않고 침묵(silencing)하도록하여 어떤 특정 단백질을 만들지 못하게 함으로써 단백질을 이용하여 에너지를 얻거나 스스로 복제하는 바이러스나 기타 항원에 대항토록 한다는 새로운 사실을 발견한 것이다. 이 메커니즘을 RNA 간섭((RNA interference, RNAi)이라 하는데, 일반 mRNA 분자들이 같은 세포 내의 이중가닥 RNA(double-stranded RNA) 를 만날 때 일어나는 것이다. 이중가닥 RNA(dsRNA)는 mRNA로 하여금 전사한 유전자 코드를 이중가닥 RNA에 넘기도록 한 후 이들 mRNA 분자들을 분해하는(degrade) 생화학적 기계(biochemical machinery ) 작용을 하는 것이다.

이러한 RNA 간섭을 통해 mRNA들이 사라지면 그에 상응하는 유전자들은 침묵을 지킴으로써 결국 엔코딩된 단백질이 만들어지지 않는 것이다.

RNA 간섭은 식물, 동물, 그리고 인간에서도 항상 일어나는 작용이다. 이번에 발견된 메커니즘은 유전자 발현을 원하는 대로 조절하여 바이러스 전염이나 특정 질병에 대한 방역기능을 강화 하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대되는데, 다시 말하면 유전 정보의 발현을 사전에 조절할 수 있기 때문이다(keeps jumping genes under control). 이미 RNA 간섭은 기초 과학분야에서 유전자의 기능 조절 등에 적용하여 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 앞으로 새로운 치료법 발견에 중대한 가교역할을 하게 될 것이다.

3. 세포 내에서의 유전 정보의 전달 과정 : mRNA를 통한 유전 정보가 단백질을 만드는 과정

DNA에 있는 유전 코드(32억 개의 염기 코드)는 단백질을 어떻게 만들 것인지를 결정한다. DNA에 포함된 이들 명령은 mRNA에 전사되고 그 다음 단백질을 합성한다. 이와 같은 mRNA를 통한 DNA으로부터의 유전 정보의 전달은 1962년 노벨상 수상자인 Francis Crick, James Watson, 그리고 Maurice Hugh Frederick Wilkins가 발견한 DNA 분자 생물학의 핵심 도그마(이론, central dogma)로 알려져 있다. 이런 과정을 통해 만들어진 단백질들은 모든 생명체의 모든 과정에 관여하고 있는데, 예를 들면, 음식을 소화시키는 효소(enzyme), 두뇌에서 신호(signal)를 잡아내는 수용체(receptor), 그리고 박테리아 등의 항원에 대한 면역시스템인 항체(antibody)등이 그 것들이다.

인간의 게놈은 대략 33,300 여 개의 유전자(Exon)로 구성되어 있다. 하지만 이들 유전자들 중 각 세포에서 사용되는 유전자는 아직까지 극소수에 불과하다. 이들 유전자의 발현(단백질 합성)은 유전 정보가 mRNA로 전사되는 과정을 거치게 되고 그 다음은 다양한 요인들에 의해 조절된다. 이러한 유전자 발현에 대한 규명은 이미 40년 전인 1965년에 "효소와 바이러스 합성에 대한 유전학적 조절 가능"을 발견하여 노벨 생리의학상을 수상한 프랑스의 Francois Jacob, Andre Lwoff, 그리고 Jacques Monod 에 의해 규명되었다.

그리고 오늘날 우리들은 이분들의 덕분에 박테리아에서 인간에 이르기까지 이와 같은 유전자 발현 원칙들이 적용되고 있음을 알게 되었다. 그리고 이러한 발견들은 유전기술에 기초가 되었으며, 그 결과 DNA 염기서열을 세포 내에 주입하여 새로운 단백질을 원하는대로 만들 수 있게 되었다.

그런데 새로운 문제가 야기되었다. 1990년 초에 분자생물학자(molecular biologists)들은 설명하기 어려운 새로운 실험결과를 얻었는데, 가장 혁혁한 실험 효과는 식물생물학자(plant biologists)들로 이들은 짙은 자주 빛 댕강나무메꽃(petunias)의 꽃잎의 색깔을 더욱 짙게 만드는 실험을 한 것이다. 즉 꽃잎의 빨강색소(red pigment)를 형성케하는 유전자를 삽입했다. 그런데 그 결과 색깔이 짙어지는 것이 아니라 꽃잎의 색이 모두 흰색으로 변했던 것이었다. 이러한 색의 변화 효과를 가져온 메커니즘은 이번 노벨상을 수상한 Fire와 Mello의 발견이 있기까지 수수께끼로 남아 있었다.

4. RNA 간섭(RNA interference, RNAi)의 발견, 유전자의 침묵을 이끌어, 단백질 생성이 안 되

Fire와 Mello는 선충(nematode worm)인 C-엘레강스(Caenorhabditis elegans)에서 유전자 발현이 어떻게 조저되고 있는지를 연구했다.
근육 단백질(muscle protein)을 만들라는 정보가 엔코딩된 mRNA을 주입했더니 선충에서는 아무런 변화가 일어나지 않았다. 이 때 mRNA에 엔코딩된 유전 코드는 '센스(sense)' 서열로 표현된다. 그래서 이번에는 mRNA와 동료인 '앤티센스(antisense)' RNA를 주입했다. 그러나 이번에도 아무런 변화가 없었다. 그래서 이번에는 이 둘을 모두 함께 주입했다. 그랬더니 이 선충은 아주 기이하면서도 그림과 같이 실룩거리며 경련을 일으켰다. 반복 실험을 통해 근육 단백질을 만들라는 유전자 기능이 실종되고 있음을 발견한 것이다. 도대체 무슨 일이 난 것인가?

'센스'와 '앤테센스' RNA 분자들이 만나면 이들은 서로 결합하여 이중가닥 RNA(double-stranded RNA, dsRNA)를 형성했던 것이다. 이 이중가닥 RNA 분자에도 똑같은 유전자 코드를 가지고 있는데 어떻게 유전자 발현을 막은 것인가? 그러면 유전자가 침묵을 지키는 것인가? 이 가설을 세우고 Fire와 Mello는 다양한 선충 단백질을 만드는데 필요한 유전자 코드가 포함된 이중가닥 RNA 분자들을 주입했다. 모든 실험에서 유전 코드를 가지고 있는 이중가닥 RNA는 결국 똑 같은 유전 코드를 가지고 있는 유전자를 침묵시키고 있다는 사실을 발견한 것이다. 어떤 경우에도 단백질은 생성되지 않았던 것이다.

이와 같은 간단하면서도 그러나 위대한 실험을 통해, Fire와 Mello는 이중가닥 RNA가 유전자의 침묵(silence)을 이끌어내고 있음을 결론짓고, 이를 RNA 간섭이라 결론 지은 것이었다. 이와 같은 RNA 간섭은 전반적인 세포 내에서 일어나고 있으며 선천적으로 존재하고 있음을 발견한 것이다.

중요한 것은 아주 작은 양의 이중가닥 RNA만 주입해도 모두 똑같은 결과가 일어났다는 사실이다. 그러므로 Fire와 Mello 는 최종적으로 RNA 간섭(지금은 RNAi로 줄여 말함)은 하나의 촉매 과정(catalytic process)임을 제안하게 된 것이었다. Fire와 Mello는 1998년 2월 19일자의 네이쳐(Nature)지의 806페이지에 "C-엘레강스에서의 이중가닥 RNA 간섭에 의한 유전정보 조절 가능성(Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans)"이라는 논문을 게재했는데, 그 결과 매우 혼랍스럽고 이견성이 있었던 유전정보의 흐름(전달) 메커니즘에 종지부를 찍고, 새로운 치료법이나 신약개발에 발판을 마련하게 되었다.

5. RNA 간섭 메커니즘의 발견

그 다음 해인 1999년부터 이들은 그림에서 보는 것처럼 RNA 간섭의 메커니즘을 완벽하게 밝혀냈다. dsRNA가 다이서(Dicer)라는 단백질 합성물과 결합(binds)하면, 다이서는 dsRNA를 여러 개의 작은 조각으로 분해하고, 그 다음 다른 단백질 합성물인 리스크(RISC)가 이들 분해된 dsRNA과 결합한다. 그 다음 이중가닥 중 하나의 RNA가 제거 되고 남은 RNA들은 RISC와 결합하여 이들은 mRNA를 찾는 역할을 한다. 찾는 방법은 상보성(complementarity) 염기 서열인 A-U, C-G에 의해 RISC가 mRNA와 연결되고, 그 다음 RISC에 의해 mRNA가 분해되어 파괴됨으로써 단백질 형성이 안되는 것이다. 이 때 이 분해된 mRNA에 의해 유전자는 침묵을 지키게 되는 것이다.

6. RNA 간섭을 이용한 바이러스 제거 및 유전정보발현 사전 제거로 기타 질병 치료 기대

RNA 간섭은 바이러스와의 전쟁에서, 특히 하등동물들에게는 매우 중요한 메커니즘이다. 많은 바이러스들은 이중가닥 RNA에 포함된 유전자 코드를 갖고 있다. 이들 바이러스들이 세포에 전염되는 경우, dsRNA를 주입하면 이는 즉시 Dicer와 결합하고 RISC가 작용하여 바이러스 RNA를 분해 파괴시킬 수 있다(그림 A).

전이인자(transposons)라 불리는 유전자 뛰어 넘기(jumping genes)는 게놈 속에 이리 저리 돌아다니는 DNA 염기서열을 말한다. 이들은 마구 뛰어 다니면서 잘못된 장소에 안착하면 인체를 해롭게 만든다. 대부분의 전이인자들은 그들의 DNA를 RNA로 전사할 때 일어나는데, 이 때 RNA로부터 DNA로의 역-전사가(reverse-transcribed back to DNA) 일어나 염기서열들이 제자리가 아닌 다른 자리로 주입되는 것을 말한다. 이 전이인자를 일으키는 RNA 분자들 중 일부분은 종종 이중가닥으로 되어 있어 RNA 간섭으로 주요 표적이 되어 파괴시킬 수 있다. 이와 같은 방법으로 전이인자에 대한 게놈을 안전하게 지킬 수 있을 것이다.

RNA 간섭은 유전자 발현을 사전에 조절할 수 있다(그림 B). 인간 게놈 속에 존재하는 수백개의 유전자들은 microRNAs라 불리는 조그만 RNA 분자들을 엔코딩한다. 이들은 다른 유전자의 코드도 지니고 있다. 이러한 microRNA는 이중가닥 구조를 형성할 수 있고 그 다음 RNA 간섭메커니즘을 이용해 단백질 합성(protein synthesis)을 사전에 막을 수 있다. 그러면 특정 유전자의 발현을 침묵시킬 수 있다.

또 다른 RNA 간섭은 유전공학기술에 적용할 수 있다. 이중가닥 RNA 분자들은 인간, 동물, 식물들의 특정 유전자를 침묵시키게 하는 맞춤 의약으로 만들 수 있다(그림 C).

7. 참고 - 바이러스가 세포를 공격하는 메커니즘

7-1. [어떻게 에이즈 바이러스가 인간의 세포를 공격 파괴하는가? 영국의 과학자들은 에이즈 바이러스(HIV)가 인간의 정상 세포들을 그들의 공장으로 전환시키는 과정을 밝혀, 바이러스들은 그들의 목적을 위해 세포들의 유전학적 기계 시스템을 탈취하는 능력이 있어, Nature 지 2006년 5월 11일자에 "프로그램된 리보솜의 구조변경 시에 나타나는 RNA 유사 매듭 기능의 기계적 설명(A mechanical explanation of RNA pseudoknot function in programmed ribosomal frameshifting)"이라는 논문으로 발표(How HIV can sabotage human cells. Scientists have learned more details of the process which turns human cells into factories for viruses such as HIV. It is known that viruses are able to hijack the genetic machinery of cells for their own ends(29/May/2006)]
7-2. [미국의 Doris Duke Medical Research Institute 병원 및 하버드 의대 공동 연구팀, 에이즈 바이러스(HIV)가 바이러스 전염에 대항하는 인간의 자율면역시스템의 자율방어군대인 면역세포(Immune cell) 중 가장 강력한 전투사령부 역할을 하는 T-세포를 피하는 메커니즘을 밝혀내, HIV에 감염된 사람들의 T-세포들의 스위치를 회복시키면, 심각한 부작용을 일으키지 않으면서 HIV 에 감염된 환자들을 치료할 수 있어, 연구원들은 또한 PD-1을 측정하고 콘트롤하여 HIV 치료가 가능한지도 연구, 연구결과를 Nature지 온라인판(AOP) 2006년 8월 20일자에 "HIV-관련 T-세포의 프로그램 사멸-1(PD-1)의 출현은 T-세포의 기능 소멸과 질병의 진도와 관련이 있어(PD-1 expression on HIV-specific T cells is associated with T-cell exhaustion and disease progression)"라는 논문으로 발표, 하지만 다른 부작용이나 자기면역질환 야기시킬수도(HIV 'switches off' immune cells, US scientists say they have discovered how HIV evades the body's natural defences against viral infections(12/Sep/2006)]

[소스]

[The Nobel Assembly at Karolinska Institutet & Nobelprize.Org - Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006"for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA"(02/Oct/2006)]