유전자 속 “잡음(노이즈)” 비밀, RNA는 알고 있다.

유전자가 동일한 쌍둥이에게는 유전질환이 똑같이 나타날까? 정답은 “아니오”다. 많은 사람들이 생활습관이나 환경에 따라 질환은 다르게 나타날 수 있다고 생각하지만, 대장균이나 환경이 동일한 곳에서 자라는 동물에서도 유전질환은 다르게 나타날 수 있다. 이처럼, 유전자가 완전히 같더라도 결과물이 저마다 다르게 나타나는 현상을 ‘잡음(노이즈)’라고 부른다. 이 현상은 화학반응에서도 전혀 통제할 수 없는 ‘무작위성’으로, 물리학 분야에서나 있음직한 현상이다. 이러한 현상에 RNA중합효소(RNAP)*1 농도변화가 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구가 국내 연구진을 통해 발표됐다.

POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 이남기 교수․통합과정 양소라씨, 중앙대 화학과 성재영 교수팀은 세계적 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 1일자를 통해 RNA중합효소 농도 변화에 따라 세포 환경이나 단백질의 농도변화로 인해 생겨나는 ‘외재적’ 노이즈가 증가하는 것을 최초로 규명해냈다.

이 연구성과는 박테리아가 항생제에 내성을 가지게 되는 경로를 규명하는 한편, 세포 속 ‘무작위성’을 인위적으로 조절하는데 응용할 수 있다.

모든 생명 현상은 흔히 확률에 의해 결정되는 화학반응이기 때문에, 100% 동일한 유전자를 가진 세포도 세포마다 생성할 수 있는 단백질 양은 매우 다르다. 이러한 현상을 잡음, 혹은 노이즈로 부르며, 특히 세포의 적응이나 발달, 사멸을 조절하는 중요한 현상으로 알려져 있다. 하지만, 이러한 노이즈현상이 세포 내에서 어떻게 조절되고 전달되는지는 중요한 문제로 남아 있는 상태다.

연구팀은 대장균의 RNA중합효소와 동일한 역할을 할 수 있는 T7 RNA 중합효소를 이용, RNA중합효소의 농도를 직접 조절하면서 단백질 발현에 어떤 영향을 미치는지 관찰했다. 그 결과, 화학반응의 확률성에 의해 발생하는 ‘내재적’ 노이즈에는 아무 영향을 미치지 않지만, 환경 변화에 따른 ‘외재적’ 노이즈는 농도변화에 따라 선형적으로 증가하는 것을 밝혀냈다. 특히 중합효소의 농도차이가 최종 발현된 단백질의 노이즈에 미치는 영향은 평균농도와는 반비례한다는 사실도 알아냈다.

연구팀은 또 이 결과를 이용해 RNA 중합효소농도 변화에 의해 만들어진 노이즈는 세포 내에 RNA 중합효소와 결합하지 않은 프로모터*2 DNA의 비율로 결정된다는 모델을 제시하기도 했다.

이 연구성과는 박테리아가 갖게 되는 항생제 내성에 대한 연구 뿐 아니라 줄기세포의 분화나 암세포의 발달 등 세포가 어떤 특정 상태로 변하는 과정, 그리고 아직까지 풀리지 않은 복잡한 생명 현상을 이해하는 데도 기여할 것으로 기대된다.

한편 이번 연구성과는 미래창조과학부․정보통신산업진흥원의 IT명품인재양성사업과 미래창조과학부․한국연구재단의 일반연구지지원사업의 지원으로 수행되었다.