전사(Transcription)와 mRNA 가공

RNA 중합효소는 DNA 서열을 주형으로 하여 상보적인 RNA 분자를 합성하는 효소 복합체이다. 이 효소는 전사 과정의 핵심 촉매로서, 뉴클레오타이드들을 연결하여 RNA 사슬을 중합하는 역할을 담당한다. 원핵세포에서는 주로 하나의 RNA 중합효소가 모든 유형의 RNA의 합성을 담당하지만, 진핵세포에서는 전사 대상에 따라 다른 RNA 중합효소가 관여한다[1].

RNA 중합효소의 기능은 여러 단계로 나뉜다. 먼저, 효소는 프로모터 영역에 특이적으로 결합하여 전사를 개시한다. 이후 이중나선 DNA의 국부적인 풀림을 유도하고, 주형 가닥의 염기 서열에 따라 상보적인 리보뉴클레오타이드 삼인산(rNTP)을 선택적으로 결합시킨다. 효소는 인산다이에스터 결합을 형성하여 RNA 사슬을 5'에서 3' 방향으로 신장시킨다. 전사가 종결 신호에 도달하면, 효소는 새로 합성된 RNA 분자와 DNA 주형으로부터 분리된다.

진핵세포의 RNA 중합효소 II는 특히 복잡한 조절을 받는다. 효소 자체만으로는 프로모터에 안정적으로 결합할 수 없으며, 여러 전사 인자들의 도움을 받아 전사 개시 복합체를 형성해야 한다. 이 과정에서 효소의 C말단 도메인(CTD)의 인산화 상태는 전사 개시, 신장, 종결 및 이후의 mRNA 가공 과정과의 연계에 중요한 신호로 작용한다.

전사 개시는 전사 과정의 첫 번째이자 가장 중요한 조절 단계이다. 이 과정은 DNA 상의 특정 프로모터 영역에서 시작된다. 프로모터는 일반적으로 전사 시작 지점의 상류에 위치하며, RNA 중합효소와 다양한 전사 인자가 결합하여 전사 복합체를 형성하는 서열을 포함한다.

전사 개시 복합체의 형성은 순차적으로 일어난다. 먼저, 전사 인자들이 프로모터의 특정 서열(예: TATA 박스, CAAT 박스 등)에 결합하여 DNA의 이중 나선을 풀고, RNA 중합효소가 정확한 위치로 유인하는 기반을 마련한다. 이후 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하여 폐쇄형 복합체를 형성한 후, DNA가 풀려 열린 복합체로 전환된다. 이 상태에서 첫 번째 리보뉴클레오타이드가 결합하면 전사 개시가 완료되고, RNA 사슬의 신장 단계로 넘어간다.

프로모터의 구조와 강도는 전사 빈도를 결정하는 핵심 요소이다. 강한 프로모터는 전사 인자와의 친화력이 높아 전사가 빈번하게 일어나는 반면, 약한 프로모터는 상대적으로 낮은 전사 수준을 보인다. 또한, 프로모터의 서열 변이는 유전자 발현 패턴을 조직 특이적으로 또는 발달 단계에 따라 조절하는 데 기여한다[2].

이러한 복잡한 조절 메커니즘을 통해 세포는 필요한 시기에 적절한 양의 mRNA를 생산할 수 있다. 프로모터와 전사 개시 과정의 정밀한 통제는 유전자 발현 조절의 초기 관문 역할을 한다.

전사 종결은 RNA 중합효소가 DNA 템플릿을 따라 RNA 합성을 끝내고, 새로 합성된 RNA 사슬을 방출하는 과정이다. 이 과정은 특정한 DNA 서열 신호에 의해 유도된다. 원핵세포와 진핵세포는 서로 다른 전사 종결 메커니즘을 사용한다.

원핵세포에서는 주로 두 가지 방식의 종결이 관찰된다. 하나는 내재적 종결(또는 Rho-비의존적 종결)으로, 새로 합성된 RNA가 GC 염기쌍이 풍부한 역평행 구조(헤어핀 구조)를 형성한 뒤, 뒤이어 일련의 U 염기가 나타나는 서열에 의해 발생한다[3]. 다른 하나는 Rho-의존적 종결으로, Rho 단백질이 RNA의 특정 부위(C-rich rut 사이트)에 결합하여 RNA 중합효소를 추적하다가 효소를 멈추고 RNA를 떼어내는 방식이다.

진핵세포의 전사 종결은 주로 mRNA의 3' 말단 처리(폴리아데닐화) 과정과 밀접하게 연계되어 있다. RNA 중합효소 II가 전사하는 유전자의 경우, 전사 서열 하류에 존재하는 AAUAAA나 그 변형 서열(폴리아데닐화 신호)을 인식하여 절단/폴리아데닐화 복합체가 모집된다. 이 복합체가 RNA를 절단하면, 새로 생성된 3' 말단이 폴리아데닐화되고, 이어서 RNA 중합효소의 전사가 종결된다. 이 과정은 종결 인자들의 참여를 통해 효율적으로 이루어진다.

5' 말단 캡핑은 진핵생물의 mRNA 가공 초기 단계에서 일어나는 필수적인 변형 과정이다. 이 과정은 새로 합성된 mRNA 전사체의 5' 말단에 7-메틸구아노신 캡 구조를 부착하는 것을 의미한다. 캡핑은 전사가 시작된 직후, RNA 사슬 길이가 약 20-30 뉴클레오타이드에 도달했을 때 일어난다.

캡 구조는 5'-5' 삼인산 결합을 통해 mRNA의 첫 번째 뉴클레오타이드에 역방향으로 연결된 변형된 구아닌 뉴클레오타이드이다. 이 구아닌은 7번 질소 원자가 메틸화되어 7-메틸구아노신(m7G)을 형성한다. 종종 첫 번째와 두 번째 뉴클레오타이드의 리보스도 추가로 메틸화될 수 있다[5].

5' 캡은 mRNA의 안정성, 핵 수송, 그리고 단백질 합성에 중요한 다중 기능을 수행한다. 주요 역할은 다음과 같다.

캡핑이 제대로 이루어지지 않은 mRNA는 효율적으로 번역되지 못하고 빠르게 분해되므로, 이 과정은 유전자 발현 조절의 핵심적인 단계이다.

3' 말단 폴리아데닐화는 진핵생물의 mRNA 가공에서 핵심적인 단계 중 하나로, 전사된 RNA 전구체의 3' 말단에 50~250개의 아데닌 뉴클레오타이드로 구성된 폴리(A) 꼬리를 추가하는 과정이다. 이 과정은 mRNA의 안정성, 핵에서 세포질로의 수출, 그리고 번역 효율에 결정적인 역할을 한다.

폴리아데닐화는 두 단계로 이루어진다. 먼저, 전사된 RNA 전구체의 특정 서열(AAUAAA 또는 그 변형)을 인식한 폴리아데닐화 특이 인자(CPSF) 복합체가 절단 효소와 결합하여 RNA 사슬을 절단한다. 그 후, 폴리(A) 중합효소(PAP)가 절단된 3' 말단에 ATP를 기질로 하여 아데닌 잔기를 하나씩 첨가하여 폴리(A) 꼬리를 합성한다. 이 꼬리는 폴리(A) 결합 단백질(PABP)에 의해 즉시 덮여 보호받는다.

폴리(A) 꼬리의 길이는 mRNA의 수명과 직접적으로 연관되어 있다. 일반적으로 긴 폴리(A) 꼬리는 mRNA를 더 안정하게 만들어 세포질에서 더 오래 존재하고 활발하게 번역되도록 한다. 시간이 지남에 따라 꼬리가 점차 짧아지면, mRNA는 분해 경로로 들어가게 된다. 또한, 이 과정은 대체 폴리아데닐화 부위를 통해 조절될 수 있어, 하나의 유전자에서 서로 다른 3' 말단을 가진 여러 mRNA 아이소형이 생성될 수 있다[6].

RNA 스플라이싱은 진핵세포에서 전사를 통해 생성된 전사체 RNA에서 인트론을 제거하고 엑손을 연결하여 기능성 mRNA를 만드는 과정이다. 이 과정은 스플라이스좀이라는 복합체에 의해 수행되며, RNA 자체의 특정 서열 신호에 의해 정밀하게 조절된다.

스플라이싱의 핵심은 인트론의 5' 말단(도너 부위), 3' 말단(애셉터 부위), 그리고 내부의 분기점 서열을 인식하는 것이다. 스플라이스좀은 소형 핵 리보핵단백질과 단백질 인자들로 구성되며, 이 복합체는 인트론을 제거하는 2단계의 에스터 교환 반응을 촉매한다. 첫 번째 반응에서 분기점의 아데노신 잔기가 도너 부위를 공격하여 올가미 구조를 형성하고, 두 번째 반응에서 절단된 엑손의 3' 말단이 애셉터 부위를 공격하여 두 엑손을 연결하고 올가미 형태의 인트론을 방출한다[7].

스플라이싱은 단일 유전자에서도 다양한 mRNA 이소형을 생성할 수 있도록 조절된다. 이 현상을 대체 스플라이싱이라고 한다. 특정 엑손의 포함 또는 생략, 혹은 서로 다른 도너/애셉터 부위의 사용을 통해 하나의 유전자에서 구조와 기능이 다른 여러 단백질을 만들어낼 수 있다. 대체 스플라이싱은 전사 인자, SR 단백질, hnRNP 등의 조절 인자에 의해 조직 특이적이거나 발달 단계별로 조절되며, 이는 생물의 복잡성을 증가시키는 중요한 기작이다.

전사 인자는 DNA 서열에 특이적으로 결합하여 전사 속도를 조절하는 단백질이다. 이들은 RNA 중합효소가 프로모터 영역에 정확하게 위치하도록 돕거나, 전사 기구의 조립을 촉진하거나 억제함으로써 유전자 발현을 조절한다.

전사 인자는 일반적으로 DNA 결합 도메인과 활성화 또는 억제 도메인을 가지고 있다. DNA 결합 도메인은 염기서열을 인식하여 특정 부위에 결합하며, 활성화 도메인은 다른 단백질들과 상호작용하여 전사를 촉진한다. 주요 DNA 결합 도메인의 예는 다음과 같다.

전사 인자의 활성은 세포 신호 전달 경로에 의해 정교하게 조절된다. 예를 들어, 인산화, 아세틸화 같은 번역 후 변형은 전사 인자의 세포 내 위치, 안정성, DNA 결합 능력 또는 활성화 능력을 변화시킨다[9]. 또한, 전사 인자들은 종종 다른 인자들과 복합체를 형성하여 협동적으로 또는 길항적으로 작용하며, 이는 특정 유전자의 발현 패턴을 세포 유형이나 환경에 따라 다르게 만드는 기초가 된다.

RNA 스플라이싱 과정은 단일한 전사체로부터 다양한 mRNA를 생성할 수 있게 하는 중요한 조절 기작이다. 이 과정에서 인트론이 제거되고 엑손이 연결되는 패턴이 변할 수 있는데, 이를 스플라이싱 변이 또는 대체 스플라이싱이라고 한다. 하나의 유전자가 여러 가지 다른 단백질 이소형을 암호화할 수 있게 하여, 진핵생물의 유전체 복잡성을 크게 증가시키는 역할을 한다.

스플라이싱 변이는 스플라이스오좀을 구성하는 snRNP와 다양한 스플라이싱 인자에 의해 정교하게 조절된다. 이 인자들은 스플라이싱 강화자 또는 스플라이싱 억제자로 작용하여, 특정 스플라이스 부위의 사용을 촉진하거나 방해한다. 조절 메커니즘은 주로 다음과 같은 요소에 의해 이루어진다.

조절은 조직 특이적이거나 발달 단계에 따라 달라질 수 있으며, 세포 외 신호에 반응하여 변화하기도 한다. 예를 들어, 특정 세포 종류에서는 억제 인자가 발현되어 하나의 스플라이싱 변이체가 우세하게 만들고, 다른 세포에서는 강화 인자가 발현되어 다른 변이체가 생성된다. 이는 동일한 유전자 정보를 바탕으로 뉴런, 근육 세포, 면역 세포 등 다양한 세포의 특수한 기능에 필요한 서로 다른 단백질을 만들어내는 기초가 된다.

유전적 돌연변이는 DNA 서열의 변화로, 전사 과정이나 mRNA 가공 단계에 직접적인 영향을 미쳐 최종 단백질의 기능을 변화시킬 수 있다. 이러한 돌연변이는 발생 위치와 유형에 따라 그 영향이 크게 달라진다. 특히 프로모터 영역이나 전사 인자 결합 부위의 돌연변이는 전사의 개시 빈도나 효율을 변화시켜 유전자 발현량을 비정상적으로 증가시키거나 감소시킨다. 코딩 서열 내의 돌연변이는 전사된 mRNA의 염기 서열을 바꾸어, 스플라이싱 효율을 변화시키거나 새로운 스플라이싱 신호를 만들어낼 수도 있다.

mRNA 가공 단계에 영향을 주는 돌연변이는 특히 RNA 스플라이스섬 부위에서 빈번하게 발생한다. 5' 도너 부위, 3' 애셉터 부위, 또는 분지점 서열의 돌연변이는 정상적인 스플라이싱을 방해한다. 이로 인해 인트론이 제거되지 않거나 엑손이 잘못 제거되는 비정상적인 mRNA가 생성된다. 또한 폴리아데닐화 신호 서열(AATAAA)의 돌연변이는 mRNA의 3' 말단이 적절하게 형성되지 못하게 하여, mRNA의 안정성을 떨어뜨리고 세포질로의 수송을 방해할 수 있다.

이러한 돌연변이의 결과 생성된 변형 mRNA는 종종 조기 종결 코돈을 포함하거나 틀린 읽는틀을 유발하여 기능이 없거나 독성을 가진 단백질을 만들어낸다. 반대로, 일부 돌연변이는 새로운 스플라이싱 변이체를 생성하여 단백질의 다양성을 증가시키는 진화적 동력으로 작용하기도 한다. 따라서 유전적 돌연변이가 전사와 가공에 미치는 영향은 질병의 원인이 되는 동시에 생물학적 복잡성의 원천이 되기도 한다.

베타 지중해빈혈은 헤모글로빈의 베타 사슬 합성에 결함이 생기는 유전 질환이다. HBB 유전자의 돌연변이가 RNA 스플라이싱 신호 서열을 방해하여 정상적인 mRNA 가공을 저해하고, 기능이 결여된 베단 사슬이 만들어지는 것이 주요 원인이다. 이로 인해 적혈구의 수명이 짧아지고 심각한 빈혈이 발생한다[12].

선천성 근이영양증 중 하나인 척수성 근위축증(SMA)은 운동 뉴런 생존(SMN) 유전자의 결실 또는 돌연변이와 연관되어 있다. SMN1 유전자의 결실은 기능성 SMN 단백질의 부족을 초래하지만, 백업 역할을 하는 SMN2 유전자는 대부분의 전사체가 엑손 7을 생략하는 잘못된 스플라이싱을 거친다. 이로 인해 정상적인 기능을 하는 SMN 단백질이 매우 적게 생산되어 운동 뉴런이 퇴화한다.

가족성 자율신경계 이상증(FD)은 IKBKAP 유전자의 조직 특이적 스플라이싱 변이가 원인이다. 대부분의 환자에서 발견되는 점 돌연변이는 신경 조직에서 정상적인 mRNA 스플라이싱을 방해하여 기능성 IKAP 단백질의 생산을 급격히 감소시킨다. 그러나 다른 조직에서는 정상적인 스플라이싱이 일부 유지되는 특징을 보인다. 이로 인해 자율신경계와 감각신경계의 발달에 심각한 장애가 발생한다.

전사체 분석은 특정 조건이나 세포 유형에서 발현되는 모든 전사체의 총합을 연구하는 분야이다. 이는 유전자 발현의 전체적인 양상을 이해하는 데 핵심적인 접근법을 제공한다. 전통적인 단일 유전자 분석과 달리, 전사체 분석은 수천 개의 유전자 발현 수준을 동시에 측정하여 세포의 기능적 상태, 대사 경로, 그리고 환경 변화에 대한 반응을 체계적으로 규명한다.

주요 분석 기술로는 DNA 마이크로어레이와 RNA 시퀀싱이 널리 사용된다. DNA 마이크로어레이는 사전에 알려진 프로브를 이용해 상대적인 발현량을 측정하는 반면, RNA 시퀀싱(RNA-Seq)은 차세대 시퀀싱 기술을 바탕으로 샘플 내 모든 RNA 분절의 염기서열을 결정한다. RNA-Seq은 새로운 전사체 변이체나 희귀 전사체의 발견, 그리고 정량적 정밀도 측면에서 우수성을 보인다.

분석 과정은 일반적으로 다음과 같은 단계를 거친다.

1. RNA 추출 및 라이브러리 제작: 샘플로부터 총 RNA를 분리하고, 시퀀싱에 적합한 cDNA 라이브러리를 구축한다.

2. 시퀀싱 및 데이터 전처리: 고속 시퀀서를 통해 염기서열 데이터를 생성하고, 품질 관리, 어댑터 제거, 참조 유전체 정렬을 수행한다.

3. 정량 및 발현 분석: 정렬된 리드를 참조 유전체의 유전자나 전사체 영역에 매핑하여 발현 수준을 정량화한다.

4. 차등 발현 분석 및 기능 해석: 서로 다른 실험 조건 간에 통계적으로 유의미하게 발현이 다른 유전자(차등 발현 유전자)를 식별하고, 이들의 생물학적 기능을 유전자 온톨로지나 경로 분석을 통해 해석한다.

전사체 분석의 응용 범위는 매우 넓다. 암 연구에서는 종양의 아형을 분류하고, 예후 바이오마커를 발견하며, 표적 치료제 개발에 활용된다. 발달 생물학에서는 시간에 따른 유전자 발현의 역동적 변화를 추적하고, 신경과학에서는 다양한 뇌 영역이나 질병 상태에서의 전사체 프로파일을 비교한다. 최근에는 단일 세포 수준에서의 전사체 분석 기술이 발전하면서 세포 이질성에 대한 이해가 크게 증진되었다.

가공 변이 검출 기술은 전사체 내에서 발생하는 다양한 RNA 스플라이싱 패턴이나 다른 mRNA 가공 변이를 정확하게 식별하고 분석하는 방법을 포괄한다. 초기 연구는 젤 전기영동과 RT-PCR을 기반으로 한 방법에 의존했으나, 이는 사전에 예상된 변이만을 검출할 수 있다는 한계가 있었다.

차세대 염기서열 분석법(NGS)의 발전은 전사체 수준에서의 포괄적 분석을 가능하게 했다. RNA-seq은 샘플 내 존재하는 모든 전사체를 무작위로 읽어내어, 알려지지 않은 스플라이싱 변이나 새로운 전사 시작 부위 및 폴리아데닐화 부위를 발견하는 데 핵심 도구가 되었다. RNA-seq 데이터로부터 가공 변이를 분석하기 위해 Cufflinks, StringTie, rMATS와 같은 전용 계산 도구들이 개발되었다[13].

최근에는 장읽기 시퀀싱(롱 리드 시퀀싱) 기술이 주목받고 있다. PacBio SMRT 시퀀싱이나 Oxford Nanopore 방식을 이용하면 수 킬로베이스에 이르는 RNA 분자의 전체 길이를 단일 분자 수준에서 읽을 수 있다. 이는 짧은 리드 시퀀싱으로는 재구성하기 어려운 완전한 전사체 아이소폼의 구조를 직접 확인하고, 복잡한 교차 스플라이싱 사건을 명확히 규명하는 데 결정적 장점을 제공한다.

전사와 mRNA 가공 과정에 대한 이해는 표적 치료제 개발의 핵심 기반을 제공한다. 특히 암과 유전성 질환 치료를 위해 이 과정을 표적으로 하는 다양한 의약품이 개발되고 있다. 예를 들어, 특정 암에서 과발현되는 전사 인자의 활성을 억제하는 저분자 화합물이나, 병원성 바이러스의 RNA 중합효소를 표적으로 하는 항바이러스제가 이에 해당한다.

mRNA 가공 단계, 특히 RNA 스플라이싱을 표적으로 하는 치료법은 선천성 이상 및 암 치료에 유망한 접근법으로 부상했다. 항센스 올리고뉴클레오타이드 기술을 이용해 특정 스플라이싱 사이트에 결합함으로써 돌연변이 엑손을 제거하거나 정상적인 스플라이싱 패턴을 회복시키는 약물이 개발되었다[14]. 이러한 접근법은 유전자 발현의 최종 산물을 직접 조절할 수 있다는 점에서 장점을 가진다.

최근에는 전령 RNA 자체를 치료제로 활용하는 mRNA 백신 및 치료제 플랫폼이 급속히 발전했다. 이 기술은 세포 내에서 원하는 단백질을 일시적으로 발현시킬 수 있는 합성 mRNA를 투여하는 방식이다. 개발의 성공은 5' 말단의 캡 구조와 3' 말단의 폴리A 꼬리 등 mRNA 가공 및 안정화와 관련된 요소를 최적화함으로써 mRNA의 세포 내 전달 효율과 안정성을 극대화한 데 기인한다. 이 플랫폼은 코로나19 백신을 넘어 다양한 감염병 및 암 면역 치료제 개발로 확장되고 있다.

유전자 치료는 결함이 있거나 기능하지 않는 유전자를 대체하거나 보정하여 질병을 치료하는 방법이다. 전사와 mRNA 가공 과정에 대한 이해는 이 분야의 핵심적인 발전을 이끌었다. 특히, 환자의 세포 내에서 정상적인 단백질을 생산하도록 유도하기 위해 치료용 유전자의 전사와 정확한 mRNA 가공을 조절하는 전달 시스템 설계가 중요하다.

치료 전략은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 기능성 유전자를 환자 세포에 도입하여 결핍된 단백질을 보충하는 것이다. 이 경우, 도입된 유전자가 효율적으로 전사되고, 생성된 전사체가 적절히 캡핑, 폴리아데닐화, 스플라이싱을 거쳐 안정적인 mRNA가 되어야 한다. 다른 전략은 RNA 간섭이나 안티센스 올리고뉴클레오타이드 등을 이용해 유해한 돌연변이 유전자의 전사체를 표적하여 그 발현을 억제하거나, 비정상적인 스플라이싱을 교정하는 것이다.

최근에는 크리스퍼-캐스9 시스템을 기반으로 한 유전자 편집 기술이 주목받고 있다. 이 기술은 DNA 수준에서 돌연변이를 직접 수정할 수 있어, 전사 및 가공 이상의 근본 원인을 해결할 가능성을 제시한다. 또한, 전령 RNA 자체를 치료제로 직접 투여하는 mRNA 백신 및 치료제 플랫폼도 급속히 발전하고 있다. 이 접근법은 세포 내로 전달된 mRNA가 리보솔에서 직접 번역되어 단백질을 생산하게 하므로, 전사 과정을 우회한다는 특징이 있다.

유전자 치료의 성공적인 임상 적용에는 안전하고 효율적인 전달 벡터 개발, 정확한 유전자 발현 조절, 그리고 표적이 아닌 위치에서의 유전자 삽입으로 인한 부작용 최소화 등 여러 과제가 남아있다. 전사 시작부터 mRNA 성숙에 이르는 복잡한 과정에 대한 지속적인 연구는 더 안전하고 효과적인 새로운 치료법 개발의 기초를 제공한다.