수업후기
The origins and evolution of the Ribosome
https://youtu.be/Z2XOhgRJVb4
제8강 (2021.07.18: Zoom online) rRNA & ncRNA world
#0. Review
오늘 마지막 시간은 그간 강의를 리뷰한다. 5가지로 지식을 요약해서 전달한다.
첫번째는 RNA world이다. 생명의 진화, 모든 것을 설명한다.
두번째는 RNA world의 구체적 버전인 후성유전학(Epigenetics)이다. 4가지 구성요소가 1) DNA methylation, 2) Chromatin remodeling, 3) Histone modification, 4) non-coding RNA이다. 4가지 모두 상호연결되어 있다. 유전학(genetics)도 후성유전학의 극히 일부일 뿐이다. 생물학은 이 4가지 밖에 없다. 생물학 모든 것은 후성유전학의 드러난 현상일 뿐이다. 생물학이 통합되는 큰 버전이다.
세번째는 상호작용이다. 1) DNA와 단백질의 상호작용, 2) DNA와 RNA의 상호작용, 3) 단백질과 단백질의 상호작용, 4) DNA와 DNA의 상호작용이 있다. 상호작용은 조절이 되기도 하고, 무작위 충돌되기도 한다. DNA와 DNA의 상호작용은 복제할 때이다. DNA와 단백질의 상호작용(충돌)은 단백질이 전사조절인자(Transcription factor)로 가이드 되어 충돌한다. 전사조절인자로는 RNA polymerase II가 있다. 전사조절인자가 왜 갖다 붙는가? 1.5%의 DNA 유전자 부위를 RNA로 전사하고 싶어서다. RNA polymerase II가 붙으면 DNA에서 RNA로 전사가 된다. 이때 mRNA, tRNA, rRNA가 만들어지는데, 이를 유전학(genetics)라고 한다. 여기에 더해서 miRNA, siRNA, snoRNA, eRNA, gRNA 등이 만들어지는 것을 후성유전학(epigenetics)라고 한다.
네번째는 스위치이다. 프로모터 단백질이 유전자(gene) 앞에 오면 유전자에서 RNA가 전사되고 단백질을 만든다. 그 단백질이 다시 다른 유전자의 프로모터가 되어 단백질이 만들어지고, 그 단백질은 다시 처음의 유전자의 프로모터 앞에 붙어서 스위치를 조절한다. 이러한 단백질을 전사조절인자(TF)라고 하는데, DNA의 전사를 온/오프하는 스위치가 된다. 수정란에서 성체가 되면 각 부위에서 발현되는 단백질이 다르다. 모든 세포는 동일한 유전자를 가지고 있지만 어떤 세포가 뇌세포가 되느냐, 간세포가 되느냐는 스위치의 온/오프에 따라서 달라진다.
스위치 중에서 왕초스위치가 혹스유전자(Hox gene)이다. 유전자의 마스터 키이다. 발생 때 머리-가슴-배의 순서를 맞추는 유전자인데, 초파리나 마우스나 동일한 혹스유전자 부위가 있다. 그것을 Homeobox라고 한다. 1000개 아미노산 중 60개 아미노산이 박스형태로 있는데, 6억년 동안 바뀌지 않았다. “오 마이 사이언스!”이다. 왜 바뀌지 않고 박스형태로 되었나? 전사조절인자(TF)로 쓰이기 때문이다. 전사조절인자는 곧 스위치이다. TF가 DNA붙어서 전사를 조절한다. DNA에 붙는 60개 아미노산은 거의 바뀌지 않았다. 식물->해면동물->강장동물->선형동물->절지동물->척색동물->척추동물에 이르기까지 호모에박스 60개 아미노산 서열은 거의 바뀌지 않았다.
강장동물에서 선형동물로 오면서 비서가 복사를 하는 과정에서 1권 더 복사하는 사건이 발생한다. ‘잉여’가 생긴 것이다. 잉여는 마음대로 바꿀 수 있다. 환경압력에 따라 바꾸는 것이 진화이다. 창고기에서 포유류로 진화하는 과정에서는 실수로 4벌을 더 복사하는 사건이 발생한 것이다. 진화에서 가장 강력한 법칙은 ‘윌리스톤 법칙’이다. 연속상동기관의 변이가 진화를 이끈다는 것이다. 파충류의 갈비뼈는 연속상동기관으로 복부까지 있었으나, 포유류에서 복부의 갈비뼈를 없애고 태반을 만들어 환경에 적응하며 진화하였다. 파충류의 이빨은 모두 송곳니로 상동기관이나, 포유류로 오면서 어금니로 변형하는 진화를 하였다.
다섯번째, 생명은 이빨과 구슬이다. 이빨은 핵산으로 DNA, RNA이다. 리보오스 5탄당에 –OH가 붙으면 RNA, -H가 붙으면 DNA이다. 리보오스는 G3P 3탄당에서 왔다. G3P는 글루코스 6탄당에서 왔다. 글루코스는 해양의 H2O와 대기의 CO2로부터 왔다. 모두가 연결된다.
#1. RNA content in mammalian cells
최고의 장수는 이겨놓고서 전쟁을 한다. 최악의 경우라도 잃어버릴 것이 없게 만든 상태에서 싸우는 사람이 가장 무섭다. 다음 자료는 이겨놓고 하는 게임 중 하나이다.
진핵세포는 직경이 약 20μm이다. 여기에 RNA가 몇 개나 있을까? tRNA는 1억개이다. rRNA는 1000만개이다. mRNA는 100만개이다. 무게로는 rRNA가 80%, tRNA가 15%이고, mRNA가 꽁지이다. ncRNA는 1만~10만개이다.
생명은 이빨과 구슬이라고 할 때, 이빨(nucleotide) 하나는 수소원자 110개, 구슬(amino acid)은 수소원자 140개에 해당하는 질량이다. 여기에 분자 2개가 더해지는데, 메틸(CH4)과 아세틸(COCH3)이다. 메틸은 수소 16개, 아세틸은 수소 44개 질량이다. 이들이 맹활약하는 분야가 후성유전학(epigenetics)이다. 아세틸을 떼어내는 SIRT단백질은 수소 10만개 질량이다. 단백질에 아세틸이 붙어 있으면 단백질을 소각로로 보내지 못한다. 이때 떼어내는 경찰이 SIRT이다.
#2. rRNA
RNA 본질을 보여주는 그림이다. 인간의 28S rRNA로 5077 NT로 구성된다. 40억년전부터 이랬다는 것이다. 자연은 진화하는 것이 아니다. 원래부터 그랬다는 생각이 든다. 5,077개 NT는 상당히 많이 변형된다. RNA modification이다. 코비드-19의 mRNA 이빨 개수는 29,903개이다. mRNA백신은 이중 50군데를 바꾸었다.
리보솜의 LSU는 28s rRNA, SSU는 18s, 5.8s, 5s rRNA가 들어가고 여기에 단백질이 결합된 RNP 형태이다.
크리스퍼 가위는 tracrRNA 와 crRNArk 상보결합하고 여기에 cas9단백질의 HNH과 Ruvc가 가위처럼 위, 아래에서 바이러스에서 온 유전자를 spacer로 대조하여 잘라내는 것이다. 박테리아가 바이러스에 대처하는 면역시스템이다.
박테리아 원핵세포의 리보솜은 16s rRNA를 가진다. 진핵세포는 mRNA가 세포질로 나오면 리보솜이 붙어서 단백질을 만들지만, 원핵세포는 전사가 되는 동시에 리보솜이 붙어 단백질을 만든다. 전사와 번역이 동시에 일어나기에 수정할 시간이 없다. 그래서 바이러스와 박테리아는 수선하는데 시간을 보내지 않는다. 진화는 번식을 많이 하는 것이 대장이기에 무조건 새끼를 많이 놓으려고 한다. 박테리아가 번식하려면 DNA copy에 시간이 많이 걸리니 이빨을 다 숙주세포에 버리고 생명정보의 일부만 카피하여 번식한다. 진핵세포는 아무 때나 유전정보를 열면 박테리아와 바이러스 유전자도 나오게 되니, right time, right place가 중요해졌다.
rRNA구조를 보았더니 박테리아와 바이러스가 한 수 위다. 남과 비교하지 마라. 박테리아는 박테리아 대로 위대하고 인간은 인간 대로 위대할 뿐이다. 시선이 다른 것이다. 40억년 구조의 위대함을 보고나니 진화한다는 것이 무엇인가? 다시 생각하게 된다. 원래 그 자리이다. 인간이 언어 쓰고 우주 나가는 것만을 위대하다 할 수 있는가?
핵속의 인(nucleolus) 부위에서 rRNA가 처리된다. Polymerase II는 mRNA를, Polymerase I은 rRNA를, polymerase III는 tRNA를 만든다. Polymerase I에서 47s rRNA를 만들고, Polymerase III에서 tRNA와 5s rRNA를 만드는데, 47s와 5s가 합쳐져서 90s pre-ribosome을 만든다. snoRNA가 작용하여 18s의 SSU와 5.8s, 28s, 5s의 LSU 리보솜이 만들어져 핵공을 빠져 나와 mRNA에 붙어서 단백질을 만들어낸다. ribosome을 조립하기 위해서는 고가사다리가 필요하다. 이때에 PAR이 크레인타워로 투입된다. 리보솜에서 만들어진 단백질의 불량률은 30%이다. 불량품은 분해해서 다시 써야 하는데, 아세틸기(COCH3)가 붙으면 분해가 되지 않는다. RNA world의 방대한 실체를 알기 시작한 것이 20-30년 밖에 되지 않는다. 이제 인류는 암을 제대로 공략하기 시작했다.
미토콘드리아의 rRNA구조를 보자. 이렇게 복잡하다면 인간만이 고등하다고 하기가 어렵다. 미토콘드리아의 DNA는 16,500개의 NT로 되어 있고 원형이다. mRNA로 전사하여 리보솜에서 7가지 단백질을 만들어 미토콘드리아 내막에 박아 호흡효소가 된다. 코비드-19의 RNA는 29903개의 이빨로 미토콘드리아의 DNA보다 이빨이 많다.
대장균에 있는 16s rRNA를 보자. 박테리아 DNA에 Polymerase가 붙어서 mRNA가 전사되면 LSU와 SSU의 리보솜이 붙어서 단백질을 만든다. 이때 SSU가 16s rRNA로 1983년 노벨상을 받았다. 수천 종류의 박테리아 16s rRNA를 조사하여 생물을 분류하였는데, 고세균, 진정세균, 진핵생명이다. 이 연구로 분류학 교과서가 바뀌었다.
이런 전체 이야기는 rRNA 감잡기이다. rRNA, tRNA, mRNA는 직접 단백질을 만드는 계열이다. mRNA 수명이 종에 따라 다르다. 침팬지와 인간의 차이는 여기에서 나온다. mRNA 수명이 다르면 만드는 단백질 개수가 달라진다. 개수가 일정수준의 밀도가 되어야 표현형으로 드러난다.
#3. mRNA
수정란은 단백질 형태가 아니라 mRNA형태로 가지고 있다. 공간과 시간 문제가 된다. 필요할 때 단백질을 만든다. 스위치 역할을 할 때에는 mRNA 형태가 유리하다. 그래야 시간을 조절하여 필요할 때만 단백질을 만든다. 발생의 핵심이다.
학습을 하면 뉴런의 말단에 mRNA형태로 와 있다가 다시 전율하는 순간 단백질을 만들 수 있다. 시간을 조절하는 것이다. 그래서 씨를 뿌리는 것이 중요하다. 잘 모르지만 중요하다고만 인식해 놓으면 mRNA로 기억하고 있다가 나중에 계기가 오면 단백질을 만들어 발현을 한다. 선행학습이 그래서 중요하다. 세계적인 물리학자들은 유명한 영재고등학교를 나왔다. 고등학교 때 이미 대학 3, 4학년 물리학을 선행학습하였다. 중요한 거는 초등학교때부터 미리 알려 주어야 한다. 이스라엘에서는 초등학교 1학년때 알파벳 배울 때 꿀단지를 가져와서 끌을 찍어 알파벳 쓰고 혀로 맛보게 해준다. 공부가 달콤하다는 것을 각인시키는 것이다. 그래서 박자세에서는 책이라도 사두라고 하는 것이다. 선행학습에 도움이 된다.
#4. Non-coding RNA world
후성유전학 4가지 요소를 다시 보자.
1) DNA methylation은 어떤 유전자가 어느 때 발현되는가를 조절해준다. 전사조절인자가 착륙하는 활주로에 메틸기가 붙어서 착륙을 못하게 막는다. 시토신에 메틸이 붙어 전사조절인자(TF)가 못 앉게 하여 조절을 한다. 발생의 핵심도 모든 세포로 분화할 수 있는데, 200가지 다른 기능의 세포가 되려면 몇가지만 발현되게 조절을 한다는 것이다. 메틸기는 CPG island와 promotor에 많이 붙는다. 후성유전학의 핵심으로 내가 살아있는 동안 어떤 단백질을 언제 만들 것인가를 결정한다.
2) Histone modification은 히스톤 실패 1000만개이고, 히스톤단백질이 9종류이니, 9000만개의 단백질 이야기이다. DNA를 풀었다 감았다 하는 과정이다. 여기에 관여하는 것이 아세틸과 메틸이다. 히스톤 꼬리의 아미노산에 methylation, acetylation, phosphorylation, ubiquitination, SUMOylation 등으로 변형(modification)된다. 실패에서 풀고 감아주는 과정을 조절한다. 그 중 아세틸기를 떼고 붙이는 것에 관여하는 효소가 SIRT-1으로 deacetylase라고도 한다.
3) Chromatin remodeling은 실패와 실패 사이의 간극을 조절하고, 실패가 쏙 빠지기도 하고, 실패의 단백질을 변형하기도 한다.
1), 2), 3)은 적당한 시기에 적당한 장소에서 DNA가 발현되는 것을 조절한다. 그래서 아프리카 살 때와 도시에 살 때 발현되는 단백질이 달라진다. 적당한 환경에서 적당한 단백질이 발현되도록 하는 것이 후성유전학이다. 그러나 4) non-coding RNA(ncRNA)는 완전히 다른 이야기이다. 새로운 세계로 들어간다.
ncRNA는 200NT 이상을 Long non-coding, 이하를 small non-coding이라 한다. ncRNA는 유방, 간, 췌장, 뇌, 갑상선 등 인체 모든 부위에 있으며, 잘못되면 암이 된다. ncRNA는 X-inactivation에도 관여한다. 여성의 X염색체 2개는 완전히 같기 때문에 한쪽에 메틸기를 모두 붙여서 불활성화 시켜서 평생 발현되지 않게 하는 것이다. ncRNA는 입체구조를 가져서 촉매와 효소작용을 한다. DNA에도 ncRNA가 붙어서 chromatin remodeling에 관여한다. 전사에도 ncRNA가 붙어서 조절을 한다(Transcriptional activation). 집합관계로 보면 게놈집합에 ncRNA가 70%이고, 단백질 코딩 부위는 1.5%이다. 단백질 코딩 1.5%를 유전학이라고 하고, 1950년-2000년까지 주류이다. ncRNA를 다루는 후성유전학은 2001년-2021년까지의 주류이다.
DNA에서 전사를 위해서 이중나선을 벌리는데, 이때 유전자 코딩되어 있는 가닥을 sense, 반대쪽 상보코드로 되어 있는 부위를 anti-sense라고 한다. ncRNA는 anti-sense에 붙어서 mRNA 전사를 조절하기에 유전자의 코딩부위에서도 ncRNA가 나올 수 있다. 또한 유전자 1.5%중에서도 코딩되지 않는 인트론(intron)에서도 ncRNA가 동작한다. 나머지 98.5%의 non-coding DNA에서도 ncRNA가 동작한다. 그래서 ncRNA world가 확 열린다. 수십 종류 암과 직결된다. DNA 98%가 놀고 있는 것이 아니고 깡그리 ncRNA를 만들 수 있다는 것을 안 순간 아마존 정글을 만난다. 과학혁명은 매년 일어나는데 전달이 안되고 있다.
인류의 메인기술은 코로나백신에 사용한 기술인 RNA modification과 TET 효소에 남아있는 과거 메틸기의 흔적을 원상회복하여 10대 DNA를 찾아내는 DNA methylation 기술이 될 것이다.
#5. PARP-1 inhibitor
rRNA가 많아져서 리보솜이 많아지면 암이 된다. 적당히 리보솜을 만들어야 한다. 그러려면 PARP-1을 억제하면 된다. PARP-1은 리보솜을 만들기 위한 고가사다리를 만드는 효소이다. NAD에서 NA를 짤라낸 사슬이 AR이 되고 poly로 모인 PAR이 리보솜 만드는 고가사다리가 된다. 그래서 억제제가 PARP-1 inhibitor이다. NAD가 충돌 못하도록 Active site를 변형한다. 그러면 PAR이 만들어지지 못하고, PAR 고가사다리가 없으면 리보솜이 만들어지지 못하고, 그러면 단백질이 적게 생성되어 암에 대해서 안전모드가 된다.
#6. Mitochondrial biogenesis & Autophagy
미토콘드리아의 생성(mitochondrial biogenesis)은 내년도 강의를 준비하고 있다. 정적이 아닌 동적과정으로 복제(replication)하고, 분열(fission)하고, 융합(fusion)한다. 늙은 것은 골라서 빼낸 후 골지체에서 막으로 싸서 분해한다(mitophage).
오토파지(autophagy)는 자기가 자기를 잡아먹는 것이다. 단백질 30%가 불량이다. 불량단백질에 유비퀴틴(Ub)을 붙여주면 소각장(proteasome) 가서 분해된다. 그러나 아세틸(Ac)을 붙여주면 소각장으로 가지 못한다.
오토파지는 깡그리 없애 버리는 것이다. 선별에 너무 많은 에너지가 드니 깡그리 없애고 다시 시작한다. 이것이 가장 빠른 방법이기도 하다. Proteophagy는 단백질을 없앤다. Ribophagy는 리보솜을 없앤다. ERphagy는 소포체를 없앤다.
노화의 9가지 원인 중 Loss of proteostasis가 있다. 단백질의 생성과 파괴의 균형이 상실된 것이다. Input과 output의 균형인데, 늙으면 output이 잘 안된다. 고장난 것 빨리 부수고, 실수한 것 빨리 없애야 하는데, 부수는 기계도 같이 노화가 된다. 그래서 적게 먹어야 한다. 먹는 양이 모두 글루코스가 되고 단백질이 되므로 총량이 줄어들어야 부서야 될 대상이 줄어든다. 그래야 온화해진다.
#7. Ending
후성유전학은 당신과 당신의 환경의 상호작용이 당신의 운명이라는 것이다. 세포레벨에서는 옆에 있는 세포가 환경이 된다. 코키리, 고래와 같은 큰짐승은 암에 거의 걸리지 않는다. 암세포가 있으나 적의 적은 아군이 되는 원리로 암세포끼리 내전이 일어나 저절로 줄어든다. 부피가 큰 대형동물은 암세포가 자라는 시간이 길어 2차, 3차의 중복종양이 생겨 서로 싸우면서 자멸하게 되는 것이다. 공룡이 온혈이나 냉혈이냐의 논쟁이 있는데, 또한 부피로 결정된다. 몸집이 작으면 온혈로, 커지면 냉혈로 가야 한다.
함축하는 바는 다층적으로 보라는 것이다. 돌연변이의 반대가 정상(normal)이 아니라 야생형(wid-type)이라는 것이다. 노멀(Normal)은 우주에 없다. 정상이란 개념은 우주에 없다. 짧은 하모니를 주류라고 할 뿐이다. 잠시 주류가 있는 것이다. 뉴-노멀(New-normal)이라고 한다. 노멀은 정지상태가 아니다. 뉴-노멀로 끊임없이 대체된다. 그런데 잠시의 주류가 자신을 정상이라고 규정하고 나머지를 비정상이라고 낙인 찍으면서 복잡한 사회문제가 생긴다. 내가 언제든 비주류가 될 수 있다. 현재 과학이 그 구조를 밝혀내고 있다.
인간의 언어의 정교성, RNA의 정교성은 묘하고 묘하고 묘하다. 항상 바뀌는 관계일 뿐이다.