광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 김정욱 화학과 교수팀이 생명현상 핵심인 단백질 합성과정에 관여하는 운반 RNA(tRNA) 화학적 변형 기작 및 필수 요인을 규명했다고 27일 밝혔다.
지금까지 결정화에 사용된 기질인 세린-특이적 tRNA의 온전한 고해상도 구조도 알려진 바가 없었는데 이번 연구의 공결정(co-cocrystal) 구조 규명으로 세계 최초로 확인됐다.
단백질은 우리의 몸을 구성하는 핵심 요소이다. 단백질을 만드는 유전정보가 들어있는 DNA가 RNA 형태로 복사된 뒤 단백질 생산 공장인 리보솜으로 전달돼 다양한 형태와 기능의 단백질이 만들어진다. RNA는 이 과정에서 핵심 역할을 담당한다.
세포 내 정상적으로 작동하는 단백질을 합성하려면 리보솜에서 tRNA에 의한 번역과정이 오류 없이 일어나야 하는데 그렇지 못한 경우 잘못된 단백질이 합성돼 생명 유지에 필수적인 작용들이 일어날 수 없게 된다.
tRNA가 효과적으로 기능하기 위해서는 tRNA 분자 내에 화학적 변형이 선행돼야 한다. 각각의 화학적 변형은 서로 다른 tRNA 변형 효소에 의해 조절된다. tRNA 변형이 진행되지 않으면 제대로 된 단백질 합성이 어려워지고 궁극적으로 생명 유지에 치명적일 수 있어 tRNA 변형의 역할 및 효소의 조절 기작을 이해하는 것은 매우 중요하다.
tRNA 변형의 원리는 기질 tRNA와 결합된 변형 효소가 이루는 복합체의 구조를 얻음으로써 가장 효과적으로 이해할 수 있다.
생화학 분야에서 구조 연구에 이용되는 X-선 결정학은 반세기 넘게 마이오글로빈을 시작으로 수많은 단백질과 핵산 등의 구조를 밝혀냈지만 안정적인 단결정이 있어야 분석이 가능하다. 특히 단백질과 RNA의 복합체는 결정화하기 쉽지 않은데, 생체 분자의 구조들이 등록돼 있는 데이터베이스(PDB)에 따르면 단백질-RNA 복합체의 구조가 차지하는 비율은 전체 5% 정도에 불과하다.
연구팀은 CmoM 효소와 세린-특이적 tRNA의 고해상도 공결정 구조를 X-선 결정학을 통해 규명하고, 이 구조를 통해 효소가 어떻게 기질인 tRNA를 선택적으로 인식하고 메틸기를 안티코돈 워블 유리딘에 전달하는지 확인했다.
세린-특이적 tRNA가 지니고 있는 안티코돈 워블 유리딘 위치는 화학적 변형이 다른 위치에 비해 극심하게 일어나고 유전자 암호 해독에 특히 중요하다고 알려져 있다. 지금까지 복합체 구조가 부재해 CmoM 효소의 작동원리 및 메틸기를 받아들이는 기질 tRNA를 원자 수준에서 이해하기에 많은 한계가 있었는데, 연구팀이 새로운 구조를 밝혀냄으로써 이 한계를 극복한 것이다.
김정욱 교수는 “이번 연구 성과는 단백질 번역에 필수적인 tRNA, tRNA 변형에 관여하는 단백질 효소의 구조 기반 메커니즘 연구로 생체 내에서 변형 활성이 어떻게 일어나는지, 또한 변형이 부재하면 어떤 결과가 초래되는지를 이해하는 데 중요한 실마리를 제공할 것”이라고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
