2006년 10월 4일 스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회(The Nobel Assembly at Karolinska Institutet)는 노벨상수상위원회(NobelPrize.org)를 통해 “세포 내 유전자(DNA)에서 유전정보전달물질(mRNA)로 유전정보가 전달되는 과정인 세포핵체 전사(for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription)"를 규명한 공로를 인정해 미국 스탠포드대(Stanford University)의 로저 콘버그 교수(Roger D. Kornberg, 1947-)를 노벨화학상 수상자로 선정했디고 발표했다. DNA에서 mRNA로 유전정보가 복사되는 과정을 ‘전사(transcription)’라고 부르고, 리보솜에서 단백질이 만들어지는 과정을 '번역(translation)'이라 부른다. 공교롭게도 2006년 10월 2일에 발표된 노벨생리의학상도 mRNA를 분해하는 이중가닥 RNA(dsRNA)의 간섭현상(RNAi)의 메커니즘을 규명한 공로로 미국인들에게 돌아갔는데, 결국 2006년도의 화학상과 생리의학상의 핵심은 RNA 이라는 사실이다. 그만큼 2000년도 들어 RNA의 역할이 DNA 만큼이나 중요해지고 있다는 것을 의미한다.
Roger D. Kornberg(1947~)
Stanford University
Stanford, CA, USA

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[목차]

1. 들어가기 전에 - RNA에 의한 전사(Transcription)와 번역(Translation)이란 무엇인가?
2. 요약, 아버지의 뒤를 이어 유전정보 전달 연구로 역대 6번째 부자(父子) 노벨상 수상의 영광을
3. 세포핵체(eukaryotes) 생명의 핵심인 전사(transcription)
4. 독버섯의 독에 전염되면 사망하는 이유
5. 줄기세포에서 다양한 차별화 세포로의 분화/성장에도 전사가 반드시 필요
6. 전사과정의 결정학적 구조의 이미지화
7. 핵심 연구 내용, RNA-polymerase - DNA - RNA 라는 트라이앵글 과정 구조화
8. 용어 설명
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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.]
1-3. [줄기세포란? 줄기세포를 얻는 방법]

2. 아버지의 뒤를 이어 유전정보 전달 연구로 역대 6번째 부자(父子) 노벨상 수상의 영광을

40년 전에 로저 콘버그 교수는 12살로 그의 아버지 아더 콘버그(Arthur Kornberg)를 만나기 위해 스톡홀롬(Stockholm)에 왔다. 그 아버지 아더 콘버그는 1959년에 DNA 분자에서 어떻게 유전 정보가 다른 곳으로 전이되는지 "RNA와 DNA의 생물학적 조합의 메커니즘 발견(for their discovery of the mechanisms in the biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid)"의 공로로 노벨 생리의학상을 수상했다. 아버지 아더 콘버그는 그 당시 유전자 정보가 어머지 세포(mother cell)에서 딸 세포(daughters)로 전이 되는 과정을 밝혀냈지만, 이번에 아들인 로저 콘버그는 DNA로부터 전령 RNA라 불리는 mRNA로 유전 정보가 어떻게 전사되는지 그 과정을 정확하게 그려낸 것이다. 이때 mRNA는 유전자 핵으로부터 정보를 전사하여 단백질을 만드는 역할을 하는 것이다.
[그림 : 올해 노벨화학상 수상 소식을 들은 미국 스탠퍼드대 로저 콘버그 교수(오른쪽)가 이 대학에 다니는 아들 가이 콘버그 씨를 얼싸안으며 기뻐하고 있다. 작은 사진은 1959년 노벨의학생리학상을 받은 콘버그 교수의 아버지 아더 콘버그 교수. AP 연합뉴스]

당시 12세였던 로저 콘버그 교수는 아버지의 수상을 보고 유전자 연구를 결심했다고 한다. 결국 아들은 아버지의 뒤를 이어 유전정보 전달 연구로 역대 6번째 ‘부자(父子) 노벨상 수상’의 영광을 이뤘다. 아더 콘버그 교수의 손자이자 로저 콘버그 교수의 아들인 가이 콘버그 씨도 스탠퍼드대에 재학 중이다.

현재 88세인 아더 콘버그 스탠퍼드대 명예교수는 이 대학 생화학 연구자들의 정신적 지주로 영향력을 행사하고 있다. 아버지 아더 콘버그 교수가 열정적이고 카리스마 넘치는 성격인 데 반해 아들 로저 콘버그 교수는 차분하고 조용한 성격이라고 한다. 성격은 판이하게 달랐지만 ‘피’는 속일 수 없었던 셈이다. 생명체는 DNA에 저장된 정보를 바탕으로 만들어진다.
[출처 : 임소형 동아사이언스 기자 sohyung@donga.com(05/Oct/2006]

3. 세포핵체(eukaryotes) 생명의 핵심인 전사(transcription)

우리 몸이 우전자에 저장된 정보를 이용하려면 복사(copy)가 반드시 먼저 일어나야 하고 그 다음 만들어진 물질(단백질)들을 세포 외부로 내보내야 한다. 예를 들어 유전 정보는 단백질 생산을 위한 명령으로 이용되는데, 그러면 그 다음 단백질들은 실제 유기체(organism)를 구축하고 그 유기체의 기능을 활성화 한다. 이때 DNA에서 mRNA로의 유전 정보 복사과정을 전사(transcription)라 부른다.

로저 콘버그 교수는 박테리아의 반대 개념인, 잘 정제된 핵(well-defined nucleus)을 가진 세포 유기체들을 세포핵체(eukaryotes)라 정의하는데, 이들 세포핵체 내의 분자 수준에서 전사가 어떻게 일어나는지를 실제 그림으로 작성한 최초의 과학자이다. 인간과 같은 포유류들을 비롯한 이스트(yeast)에 이르기까지 이 과정은 동일하며 이들은 모두 세포핵체 그룹에 속한다. 따라서 전사는 모든 생물체에 반드시 필요한 과정이다.

생명 현상을 유지하기 위해선 인슐린이나 소화효소 등 수만 가지의 단백질이 있어야 한다. 어떤 단백질이 만들어지려면 반드시 DNA→RNA→단백질 합성으로 이어지는 유전 정보 전달 과정을 거친다. 즉, 몸에 혈당이 높아 인슐린이 필요하다는 정보가 세포로 전달되면 DNA는 인슐린을 만들 수 있는 유전 정보를 전달하기 위한 RNA를 합성한다. 인슐린은 DNA로부터 RNA가 가져온 유전 정보를 바탕으로 만들어진다. 콘버그 교수는 DNA에서 RNA가 합성되는 과정을 분자 수준에서 규명한 것이다.

4. 독버섯의 독에 전염되면 사망하는 이유

만약 전사가 중지되면 유전 정보(genetic information)는 더 이상 인간 몸의 다른 부분으로 전이(transferred)가 일어나지 않는다. 따라서 새로운 물질이 만들어지지 않으므로 유기체들은 몇일 내에 사망하게 된다. 예를 들어 독버섯(toadstools, death cap, death cup)에 의해 독에 전염되면, 독소(toxin)가 전사 과정을 중지 시키기 때문에 사망하게 되는데, 이때 독소는 특정 효소인, 전사과정에서 중요한 역할을 하는 RNA 중합효소 복합체(RNA-polymerase)의 기능을 막기 때문이다. 그러면 몇일 내에 독소들이 장(bowel)에서 간(liver)과 콩팥(kidney)을 퍼지고, 결국 모든 장기(organs)들을 파괴하기 때문이다.

그러므로 전사 과정을 이해하는 것은 의학의 기본이다. 전사 과정에서 혼란(disturbances)이나 방해가 일어나면 암, 심장병, 그리고 다양한 전염(inflammation)에 감염되기 때문이다.

5. 줄기세포에서 다양한 차별화 세포로의 분화/성장에도 전사가 반드시 필요

인간의 모든 세포(666조 게로 추정됨)에는 똑같은 유전 정보(same genetic information)가 들어있다. 그러나 실제로 전사되고 번역되어 단백질을 만드는 정보는 모든 기관(organs)들 사이에 다양한 차별화가 있다. 바로 줄기세포인데, 줄기 세포(stem cells)의 능력은 잘 정제된 기능을 하는 다양한 장기(organs)들로 성장할 수 있는 세포들의 차별화에 있으며, 또한 어떻게 전사가 일어나고 조절되는지와 연관되어 있다. 따라서 전사 과정을 잘 이해하고 그 메커니즘을 잘 적용하면 서로 다른 다양한 줄기세포들을 적용한 치료법을 개발할 수 있다.

줄기세포를 신경세포(nerve cells), 혈구세포(blood cells), 표피세포(epidermal cells), 근육세포(muscle cell) 등 원하는 세포로 분화시킬 때도 콘버그 교수의 업적은 큰 역할을 한다. 예를 들어 줄기세포를 신경세포로 만들려면 그와 관련된 단백질이 활동하도록 해야 한다. 그러나 RNA 전사 과정을 모르면 이를 조절할 수 없다. 전사 과정을 정교하게 조절하지 못하면 신경세포를 만들려던 것이 근육세포 등 엉뚱한 세포로 자랄 수도 있는 것이다.

6. 전사과정의 결정학적 구조의 이미지화

로저 콘버그의 기여는 이 과정을 X-레이를 이용하여 결정학적인 그림(crystallographic pictures)으로 나타냈다는데 있다. 그의 그림들은 대부분 2001년에 만들어진 것들인데, 우리는 그의 그림에서 새로운 RNA 가닥들이 지속적으로 만들어지고 있으며, 전사 과정에서 다른 분자들의 역할도 중요함을 볼 수 있다. 그의 그림들은 너무도 상세해서 몇몇 원자까지 분리해 낼 수 있으며 전자사 어떻게 일어나고 조절되는지를 자세히 이해할 수 있다. 물론 아래 그림들은 실제 분자들의 이미지가 아니라 컴퓨터로 만든 것이다. 그러나 컴퓨터를 활용한 DNA와 RNA의 전체 합성 과정을 그림으로 나타내어 분자 메커니즘을 이해할 수 있도록 한 것이 그의 업적이다.

아래 그림에서 중요한 것은 하얀 실타래들인 RNA 중합효소 복합체(RNA-polymerase)들이다. 이들은 DNA 정보로부터 빨강색의 RNA를 합성게하고, 유전 정보를 구성하는 32억 개의 염기서열들이 정확하게 RNA로 전사되도록 아주 작은 공간(cavity)을 만든다. 그리고 이 공간에 32억 개의 염기서열들이 상보성 원칙에 따라 A->U(T를 U로), T->A, G->C, C->G의 순서로 정확하게 전사토록 한다. 이렇게 하여 정확하게 전사되면, 푸른색의 DNA 가닥들은 중합효소체 내에 있는 초록색의 아주 작은 나선 구조(a small helical structure in green color)에 의해 즉시 그 자리를 떠나 앞으로 전진하게 한다. 그 다음 RNA가 핵에서 빠져나가 리보솜으로 이동하면, 중합효소체들의 지속적이고 즉각적인 형성에 의해 이 스프링 같은 그린색의 나선구조가 앞으로 갔다 뒤로 갔다하면서, 또 다른 RNA 합성 및 전사를 위해, DNA 가닥으로 하여금 다시 중앙의 제자리에 위치토록 한다. 앞서 설명했듯이 독버섯에 의해 독에 감염되면 독소들은 바로 이 중합효소체들의 과정을 파괴하는 것이므로 RNA 합성도 불가능하고 전사도 불가능하게 된다.
[그림 : 유전물질 DNA에서 유전정보를 전달하는 RNA가 만들어지는 과정을 보여주는 분자구조도이다. 사진 중앙에서 오른쪽으로 뻗은 이중나선 띠 형태의 DNA(DNA-helix, 푸른색)에서 RNA 중합효소 복합체(RNA-polymerase, 주변의 흰색 실타래)에 의해 RNA(빨강색)가 만들어지고, RNA 중합효소 복합체는 DNA로부터 RNA로 A->U(T를 U로), T->A, G->C, C->G의 순서로 정확하게 전사할 수 있도록 한다. 정확한 전사가 끝나면 중합효소체 내의 그린색의 아주 작은 나선형 구조에 의해 임무가 끝난 DNA 가닥은 즉시 앞으로 전진하게 한 후, RNA가 핵에서 빠져 나와 리보솜으로 이동하면, 다음의 새로운 RNA 합성과 전사를 위해 DNA 가닥들로 하여금 중앙의 제자리에 위치토록 한다. 미 스탠포드대 로저 콘버그 교수는 RNA 중합효소체의 역할 및 RNA 형성 과정을 구조적으로 정확하게 집대성했다. 사진 : 노벨상수상위원회(04/Oct/2006), Credit : Roger D. Kornberg]

7. 핵심 연구 내용, RNA-polymerase - DNA - RNA 라는 트라이앵글 과정 구조화

그간 과학자들은 박테리아의 전사과정이나 인간과 같이 잘 정제된 핵을 갖고 있는 세포핵체(eukaryotes)의 전사과정이 거의 비슷한 것으로 믿어왔다. 하지만 최근 들어 인간과 같은 포유류들의 전사 과정이 박테리아보다 복잡하다는 것이 명확해졌으며 인간 간 세포(liver cells)에서 RNA 중합효소체가 발견되었는데, 이의 역할 규명이 상당히 어려웠다. 결국 RNA-polymerase - DNA - RNA 라는 트라이앵글에 일반적인 전사 요소들(general transcription factors)이라 불리는 복잡성의 집대성이 어려웠다.

많은 과학자들이 이들 별개의 분자들을 연구하고 있지만 이들을 집대성하는데 어려움이 있어 포기했지만, 로저 콘버그 교수는 세포핵체 그룹에 속하는 이스트 세포를(yeast cells)를 대상으로 연구하고 여기에 컴퓨터 시스템을 가미하는 10여년간의 연구끝에 실제 RNA 중합효소를 만들 수 있었고 이를 이용한 전체 전사과정을 묘사할 수 있었다.

결국, 세포핵체(eukaryotes)에서의 전사를 담당하는 on-off 스위치 역할을 하는 또 다른 분자 합성체인 인핸서(enhancers)가 이중나선 DNA 가닥에 있음을 발견하게 되었고, 이 스위치는 반드시 시그널을 담당하는 리레이(relay) 역할을 하는 또 다른 합성체인 메디에이터(Mediator)에 의해 스위치가 작동됨을 발견하게 되었다.

앞으로 로저 콘버그는 RNA-polymerase - DNA - RNA라는 트라이앵글에 기다 다른 요인들, 특히 메디에이터(Mediator)을 포함하는 연구를 진행하고 있다.

8. 용어 설명

RNA 중합효소 복합체(RNA-polymerase) - mRNA가 DNA으로부터 32억 개의 문자(letters, bases)들인 A(아데닌), C(씨토신), T(티민), G(구아닌)을 전사할 때 상보성 원칙에 따라 A->U(T를 U로), T->A, G->C, C->G의 순서로 정확하게 전사할 수 있도록 하는 역할을 하고 동시에 DNA에서 RNA를 합성하는데 중요한 역할을 하는 아주 특별한 효소, 이번에 로저 콘버그 교수가 정확하게 규명했다.

RNA - 머리카락이 자라고, 피부가 만들어지는 등 생명현상이 발현되려면 유전정보가 들어있는 DNA에서 단백질이 만들어져야 한다. 이 과정에 관여하는 중간 매개 물질이 리보핵산으로 불리는 RNA다. DNA가 이중나선 구조인 반면에 DNA를 기초로 RNA 중합효소에 의해 만들어지는 RNA는 하나의 줄 구조다. 세포핵 내에서 만들어져 핵막 바깥으로 빠져나온 RNA는 리보솜이란 세포 내 구조물에 의해 단백질 합성의 지도로 사용된다. 전사를 담당하는 전령 RNA(mRNA), 리보솜에서 단밸질을 합성하는데 필요한 아미노산을 운반하는 tRNA, 그리고 최근 밝혀지고 있는 microRNA 등이 있다.

세포핵체(eukaryotes) - 박테리아의 반대 개념인, 잘 정제된 핵(well-defined nucleus)을 가진 세포 유기체들을 세포핵체(eukaryotes)라 정의

[소스]

[NobelPrize.org - The Nobel Prize in Chemistry 2006 "for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription"(04/Oct/2006)]
[NobelPrize.org-Information for the Public-02216-04-2006-BIO-05-E.PDF/319KB(04/Oct/2006)]
[동아일보-유전정보 규명 ‘代이은 노벨상’(05/Oct/2005)]
[중앙일보-올 노벨 화학상에 콘버그 교수(05/Oct/2006)]