Single-molecule FRET studies on the cotranscriptional folding of a thiamine pyrophosphate riboswitch

RNA, 단백질 등의 생체분자가 제 기능을 발휘하기 위해서는 그 기능에 맞는 삼차원 구조를 이루어야 한다. 헌데 주어진 생체분자가 가질 수 있는 삼차원 구조의 수는 아주 많아서, 아미노산 100개로 이루어진 비교적 작은 단백질을 생각하더라도 이 단백질이 가질 수 있는 구조는 3100개나 되고 이러한 방대한 구조들 하나하나를 테스트하고 그 들 중 자신의 기증에 맞는 구조를 찾아가는데 예상되는 시간은 우주의 나이보다 많다는 패러독스(Levinthal’s paradox)를 만나게 된다. 하지만 세포내의 생체분자의 수명은 짧은 경우 수 초에서 수백 초 밖에 안 되는 경우가 허다하기 때문에 이들 생체분자들이 어떻게 그 짧은 시간동안 제대로 된 삼차구조를 이루고 또 자신의 짝을 정확히 찾아낼 수 있는까? Anfinsen의 실험 이후 열역학적으로 가장 안정된 구조가 생체분자의 기능적 구조를 결정한다는 이론이 교과서적 정설이 되어 왔습니다만 세포 내에서 생체분자의 접힘은 합성과 동시에 이루질 수밖에 없고, 때문에 합성과 접힘의 동력학적 상호작용이 생체분자의 기능적 구조를 결정한다는 가설이 최근 힘을 얻고 있다. 본 연구실은 RNA 전사과정에서 발생하는 RNA 접힘을 실시간에서 관찰할 수 있는 단일분자 프렛(FRET: Fluorescence Resonance Energy Transfer)기술을 개발하고 이를 이용하여 TPP 리보스위치의 삼차원 구조 형성 과정이 RNA 전사 과정 중에 결정됨을 보였다.

TPP 리보스위치는 비타민의 일종인 TPP(vitamin B1)분자를 감지해서 새포내 TPP의 양을 조절하는 RNA구조이다. 본 연구에서는 인공적으로 전사복합체를 만들어서, 단분자프렛기술을 이용해 TPP 리보스위치의 전사과정중의 구조형성과정을 관찰하였다. 그 결과 우선 TPP 리보스위치의 구조가 전사과정이 끝나고 나면 TPP분자에 의한 영향을 받지 않음을 알 수 있었다. 결과적으로 TPP의 양을 조절하는 유전자조절 메커니즘은 전사과정중에 TPP분자가 달라붙었을 때 구조를 안정화시키는 방식으로 작동한다는 것을 밝혀내었다. 본 연구를 통해 앞으로 RNA구조형성과 유전자조절 관련 연구에 새로운 방법론을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

https://www.pnas.org/content/115/2/331.abstract