2024 노벨 생리의학상 “마이크로RNA 발견”

Victor Ambros와 Gary Ruvkun은 유전자 조절의 핵심 역할을 확인했다.

2024년 노벨 의학상은 유전학의 중요한 질문인 '모든 세포가 동일한 DNA를 포함하고 있음에도 불구하고 우리 몸이 어떻게 그렇게 많은 다른 세포와 조직을 형성할 수 있는가?'를 명확히 한 두 명의 미국 연구원에게 돌아갔다.

빅토르 암브로스(Victor Ambros)와 개리 루브쿤(Gary Ruvkun)은 선충에 관한 연구를 통해 이에 대한 중요한 과정을 발견했다. 1993년에 그들은 소위 마이크로RNA(microRNA)라고 불리는 짧은 RNA 조각이 불필요한 단백질의 생성을 차단하고 우리의 게놈에는 그러한 마이크로RNA에 대한 수천 개의 유전자가 포함되어 있다는 사실을 알게 된 것이다. 

우리의 DNA가 '우리'를 만든다. 유전 분자에는 세포와 조직을 구성하고 신진대사를 조절하며 뇌 기능을 조절하는 모든 단백질에 대한 구성 지침이 들어 있다. 그러나 이 모든 것은 단 하나의 세포, 즉 수정란에서 유래한다. 그들의 유전 물질은 피부 세포, 뉴런, 혈액 세포 등 우리 몸의 모든 세포에서 발견된다. 그런데 DNA 코드에도 불구하고 어떻게 그렇게 많은 조직과 세포가 발생할 수 있을까?이 질문에 대한 첫 번째 대답은 1960년대에 전사 인자(유전 물질에 부착되어 특정 유전자의 판독을 차단할 수 있는 특수 단백질)에 의해 제공되었다. 하지만 그들만으로는 관찰된 차이점을 설명할 수 없었다.

▲ 우리의 모든 세포는 동일한 DNA를 가지고 있지만 서로 다른 조직과 기관을 형성한다. 그런데 어떻게? © nobelprize.org

세포핵과 단백질 공장 사이

올해의 노벨상 수상자들이 등장하는 곳이 바로 여기다. Victor Ambros와 Gary Ruvkun은 이전에 인식할 수 없었던 또 다른 수준의 유전자 조절을 발견했다. 이는 세포핵의 DNA에서 발생하는 것이 아니라 두 연구자가 회충에 관한 연구 중에 발견한 것처럼 유전자가 판독되고 해당 단백질 구성 지침에 따라 메신저 RNA가 생성된 후에만 발생한다.

일반적으로 단백질을 만드는 지침이 포함된 전령 RNA(mRNA)는 세포핵에서 세포질로 이동하고 세포의 단백질 공장인 리보솜에서 읽혀진다. 이들은 유전암호에 따라 단백질에 필요한 아미노산을 조합하여 단백질을 생성한다. 선충류 실험 중에 Ambros와 Ruvkun은 특정 단백질 Lin-14의 생성을 방해하는 돌연변이를 발견했다.

차단제로서의 RNA 조각

이러한 막힘의 원인을 찾기 위해 연구자들은 Lin-14 메신저 RNA의 전사가 돌연변이 선충에서 올바르게 기능한다는 것을 발견했다. 하지만 벌레의 세포에는 이 메신저 RNA에 결합된 다른 짧은 RNA 조각이 있어서 리보솜에서 읽을 수 없게 되었다. 더 자세히 분석한 결과, 소위 마이크로RNA(miRNA)의 기본 서열이 Lin-14 메신저 RNA의 서열과 정확히 일치하는 것으로 나타났다.

얼마 후, Ruvkun의 연구팀은 또 다른 단백질의 형성을 차단하는 또 다른 마이크로RNA를 발견했다. 이는 그러한 RNA 조각이 선충뿐만 아니라 인간을 포함한 동물계 전체에서 발견된다는 것을 입증했다. “암브로스와 루브쿤의 이 획기적인 발견은 예상치 못한 일이었으며 모든 생명체에 필수적인 유전자 조절의 완전히 새로운 차원을 드러냈다”고 노벨상 위원회는 설명했다.

완전히 새로운 차원의 유전자 조절마이크로RNA의 발견은 유전자 판독을 제어하는 ​​유전자 스위치와 화학적 부속물 외에도 이미 생성된 메신저 RNA에 작용하는 또 다른 제어 메커니즘이 있음을 입증했다. 염기서열 덕분에 이러한 마이크로RNA 중 다수는 여러 다른 메신저 RNA와 결합하여 동시에 많은 단백질 생산을 조절할 수 있다.

반대로, 단백질은 여러 다른 마이크로RNA에 의해 차단될 수 있다. 이 메커니즘을 통해 우리의 유전자 활동과 단백질 생산을 효율적이고 정밀하게 조절할 수 있으며, 이것이 바로 우리 몸이 단 하나의 유전 코드를 기반으로 매우 다양한 세포와 ​​조직 유형을 생성할 수 있게 해준다. “마이크로RNA의 조절 역할에는 배아 발생 시기, 세포 계통의 출현과 안정성, 생리학 및 항상성 균형이 포함된다”고 노벨상 위원회는 설명했다.

오늘날 우리는 우리의 게놈에 그러한 마이크로RNA에 대한 수천 개의 유전자가 포함되어 있다는 것을 알고 있다. 그들은 세포 분화에 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 내부 시계의 리듬에 영향을 미치고 혈관을 보호하며 학습 능력에도 영향을 미칠 수 있다.

반대로, 마이크로RNA는 세포 변성과 암 발병에도 기여할 수 있다.진화의 엔진마이크로RNA는 다른 면에서도 중요하다. 즉, 마이크로RNA는 생명의 진화와 발전에 결정적인 역할을 했을 수도 있다. “마이크로RNA 유전자의 출현과 확장은 점점 더 복잡해지는 유기체의 진화와 밀접하게 연관돼 있다”고 노벨상 위원회는 설명했다. 이러한 마이크로RNA 중 일부는 최초의 단순한 다세포 유기체에 이미 존재했다. 그들은 초기 단세포 유기체부터 해면동물, 기타 다세포 동물, 인간까지 살아남았다.

그러나 다른 많은 마이크로RNA는 진화 과정에서만 추가되었다. 예를 들어 연구자들은 최근 문어와 기타 두족류의 큰 뇌와 높은 지능이 유난히 풍부하고 활동적인 마이크로RNA 함량 덕분에 가능하다는 사실을 발견했다. 빅터 앰브로스(Victor Ambros)와 게리 루브쿤(Gary Ruvkun)은 마이크로RNA 발견과 전사 후 유전자 조절에서의 역할에 대한 공로로 2024년 노벨 의학상을 받게 됐다.

출처: Nobel Foundation