마이크로RNA (miRNA): 생물정보학적 분석과 최신 연구

마이크로RNA(miRNA)는 약 22개의 염기서열로 이루어진 짧은 non-coding RNA로서, 유전자 발현의 조절자로서 중요한 역할을 합니다. miRNA는 다양한 생물학적 과정에서 중요한 조절자 역할을 하며, 많은 질병과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다. 이번 글에서는 miRNA의 생성 과정, 기능, 생물정보학적 분석 방법, 그리고 최신 연구 동향을 포괄적으로 살펴보겠습니다.

 

 

1. 마이크로RNA의 발견과 역사

miRNA는 1993년 하버드대학교 앰브로스(V. Ambros) 교수팀에 의해 처음 발견되었습니다. 예쁜 꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 발달 시기를 조절하는 유전자를 연구하던 중, lin-4라는 짧은 RNA 단편이 LIN-14 단백질의 합성에 영향을 준다는 것을 발견하였습니다. 이후 let-7이라는 또 다른 miRNA가 발견되며, miRNA의 존재와 기능에 대한 연구가 활발히 진행되었습니다.

2. miRNA의 생성 과정

miRNA는 두 가지 중간 전사체, **pri-miRNA(초기 전사체)**와 **pre-miRNA(전구체)**를 거쳐 생성됩니다.

1. pri-miRNA: 초기 전사체로서 RNA 중합효소 II에 의해 전사됩니다. 일부 miRNA는 RNA 중합효소 III에 의해 전사되기도 합니다. pri-miRNA는 mRNA와 유사한 구조를 가지며, 전두부에 cap 구조와 후미부에 다량의 아데닌을 포함한 poly-A 구조를 가지고 있습니다.
2. pre-miRNA: pri-miRNA는 Drosha라는 핵 내 RNase III 단백질에 의해 절단되어 약 70개의 염기 서열로 이루어진 pre-miRNA로 변형됩니다. 이 pre-miRNA는 exportin-5 단백질과 결합하여 핵에서 세포질로 운반된 후, 세포질에서 또 다른 RNase III 단백질인 Dicer에 의해 절단되어 약 22개의 염기로 구성된 **성숙한 miRNA(mature miRNA)**가 생성됩니다.

miRNA는 최종적으로 여러 단백질과 결합하여 **RNA-induced silencing complex(RISC)**를 형성하며, 표적 mRNA와 결합하여 유전자 발현을 억제하거나 mRNA를 분해합니다.

3. miRNA의 기능과 역할

miRNA는 주로 유전자의 발현을 억제하는 **전사 후 조절인자(post-transcriptional regulator)**로서 작용합니다. miRNA는 표적 mRNA와 상보적으로 결합하여 해당 mRNA를 분해하거나 단백질로의 번역을 억제함으로써 유전자 발현을 조절합니다. 이러한 조절 기능은 개체의 발달 과정은 물론, 여러 질병의 발생과도 밀접하게 관련되어 있습니다.

4. 생물정보학적 분석

miRNA 연구의 발전과 함께 miRNA 서열 및 기능을 분석하기 위한 생물정보학적 방법들이 도입되었습니다. 대량의 miRNA 데이터를 관리하기 위해 다양한 데이터베이스가 개발되었으며, 대표적으로 miRBase, ASRP, miRNAMap 등이 널리 사용되고 있습니다. 또한 miRNA 유전자 후보와 표적 유전자를 예측하기 위해 여러 생물정보학적 도구와 알고리즘이 개발되었습니다.

4.1 miRNA 유전자 예측 방법

• RNA 구조 기반 검색: miRNA의 전구체인 pre-miRNA가 가지는 머리핀(hairpin) 구조의 물리화학적 특징을 이용해 특정 염기 서열이 열역학적으로 안정한 구조를 가지는지를 계산하여 miRNA 후보를 예측합니다.
• 호몰로지 검색(homology search): 이미 알려진 miRNA와의 서열 유사도를 바탕으로 후보를 예측합니다. 이는 진화적으로 보존된 miRNA 서열의 예측에 유용하게 사용됩니다.
• 기계 학습(machine learning): 이미 알려진 miRNA의 서열, 구조적 특이성, 진화적 보존성 등을 학습하여 새로운 염기 서열이 입력되었을 때 이를 예측하는 방법입니다. 최근에는 **차세대 염기서열법(Next Generation Sequencing, NGS)**을 이용해 miRNA의 발현량을 측정하고 새로운 miRNA를 발굴하는 데 활용되고 있습니다.

4.2 miRNA 표적 유전자 예측

miRNA의 표적 유전자를 정확히 예측하는 것은 miRNA의 기능을 이해하고 생명 현상을 설명하는 데 중요합니다. 그러나 하나의 miRNA가 여러 표적 유전자를 조절하고, 동물과 식물에서 miRNA와 표적 유전자의 결합 방식이 달라 표적 유전자 예측은 어려운 과제입니다. 동물의 miRNA는 주로 표적 유전자의 **3'-비번역 영역(3'UTR)**에 결합하며, 부분적으로 상보적 결합을 이루는 반면, 식물의 miRNA는 **코딩 영역(coding region)**에 결합하는 것이 일반적입니다.

최근에는 표적 mRNA와 miRNA의 결합 부위로 **'centered site'**라는 새로운 인식 규칙이 발견되었으며, 이를 기반으로 TargetScan, miRanda, PicTar와 같은 예측 알고리즘이 개발되었습니다. 이 알고리즘들은 miRNA의 'seed site' 및 **'centered site'**의 결합을 이용해 표적 유전자를 예측하며, 이를 통해 miRNA와 표적 간의 상호작용을 보다 정확히 분석할 수 있습니다.

5. miRNA 분석 도구와 알고리즘

• TargetScan: miRNA의 seed region을 기반으로 표적 유전자를 예측하는 최초의 프로그램으로, 최근에는 성능이 개선된 TargetScanS가 개발되었습니다.
• miRanda: miRNA와 표적 유전자의 상보성뿐만 아니라 결합의 자유 에너지(free energy)를 계산하여 가장 안정적인 결합 구조를 예측합니다.
• PicTar: 다중 서열 비교(multiple sequence alignment)를 통해 서열의 유사성을 통계적으로 분석하여 표적 유전자를 예측하는 알고리즘을 사용합니다.

6. 최신 연구 동향과 과제

miRNA와 표적 유전자 간의 상호 인식 규칙의 발견은 표적 예측의 정확도를 높였지만, 여전히 모든 miRNA의 표적 유전자를 정확히 예측하는 것은 어려운 문제로 남아 있습니다. miRNA의 발현과 관련된 프로모터를 찾거나 염색체 내에서 miRNA 후보를 예측하는 생물정보학적 연구도 초기 단계에 있으며, 이를 해결하기 위한 지속적인 연구와 새로운 예측 모델 및 알고리즘 개발이 필요합니다.

7. 결론

miRNA는 유전자 발현 조절에서 중요한 역할을 하며, 질병의 발병과도 밀접한 관련이 있습니다. 생물정보학적 분석을 통해 miRNA와 그 표적 유전자의 상호작용을 이해함으로써 생명체의 다양한 과정에 대한 이해를 높일 수 있습니다. 앞으로 miRNA와 관련된 연구와 예측 모델의 개발이 지속적으로 이루어지며, 이를 통해 생명과학 연구와 질병 치료에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.