류머팡(刘默芳)팀, LARP7-Mediated U6 수식 및 그것이 정자발생세포 mRNA의 정확한 스플라이싱과 정자 형성에서의 기능에 대해 밝혔다.
연구 배경
고등 진핵 생물에서는 대부분의 유전자에 인트론이 포함되어 있고 전사가 완료된 후 스플라이싱을 거쳐 mRNA 전구체에서 인트론을 제거해 성숙하고 번역 활성이 있는 mRNA를 생성하며, 이 과정은 스플라이소솜에 의해 촉매되어 완성된다. 고전적인 스플라이소솜에는 다섯 가지 snRNA(small nuclear RNA), 즉 U1, U2, U4, U5, U6 및 이들과 상호작용하는 단백질[1]이 포함되어 있다. 이 중 U6 snRNA가 핵심적인 위치에 있어 보수성이 가장 강하며, 스플라이소솜의 촉매 센터에 위치해 스플라이소솜 촉매 활성에 필수적이다.[2] 이와 함께 U6는 후생동물에서 고도로 수식되었는데 말단의 5 γ-단일메틸화 캐핑(capping), 3' 올리고머 우라실, 중간의 2-O-메틸화, 수도유리딘, m2G와 m6A 등으로 수식되어 있다.[3,4] 40년 가까운 연구를 거쳐 연구자들은 U6 생물의 생성 과정과 그것이 스플라이싱에서의 기능 메커니즘을 비교적 포괄적으로 밝혀냈지만 U6 변형의 조절 메커니즘과 그것이 mRNA 스플라이싱에서의 기능은 아직 잘 알려져 있지 않았다.
이전 연구에 따르면 성인 포유류에서 고환은 가장 높은 전사 활성과 가장 풍부한 선택적 스플라이싱을 가진 조직[5]으로써 고환의 RNA 스플라이싱 기계가 높은 활성으로 존재할 수 있음을 의미한다. 이와 일치하게 정자 형성은 시간과 공간에서 특별히 발현되는 유전자에 의해 조절되는데 정자발생 세포 발달의 각 단계에서 특이한 유전자 조절과 신호전달에 연관된 유전자가 선택적 스플라이싱이 일어난다는 것이다. 따라서 고환 조직은 포유동물 U6 수식과 mRNA 스플라이싱의 기능을 연구하는 이상적인 시스템으로 봐야 한다.
연구 성과
2020년 2월 3일 중국과학원 분자세포과학혁신센터(바이오케미컬 및 세포생물학연구소) 류머팡(刘默芳) 연구팀이 Molecular Cell지에 LARP7-Mediated U6 snRNA Modification Ensures Splicing Fidelity and Spermatogenesis in Mice라는 글을 발표했는데 RNA 결합단백질 LARP7이 U6 snRNA와 RNA 메틸화 촉매 활성을 가진 box C/D snoRNP의 상호작용을 촉진함으로써 U6의 2-O-메틸화 수식을 매개한다고 보도하였으며 진일보로 이 과정이 마우스의 정자발생 세포에서 mRNA 스플라이싱 적합도 및 정자의 발생에 필요함을 증명하였다.
이 연구에서는 류머팡(刘默芳)은 박사 후 왕흠(王鑫), 박사연구생 리즈퉁(李智彤), 엔웨(闫越) 등으로 구성된 연구팀과 함께 마우스의 고환을 연구시스템으로 삼아 U6 snRNA 수식의 조절 메커니즘과 mRNA 스플라이싱에서의 기능을 조사했다. 그들은 고환에서 고도로 발현되는 LARP7 단백질이 정자발생 세포에서 U6의 2-O-메틸화 수식에 필수적이라는 것을 발견했다. 연구에 따르면 RNA 결합단백질인 LARP7은 7SK RNA에 결합하여 RNA 중합효소 II의 전사 확장을 억제하며[6,7] 또 다른 연구에 따르면 Larp7 유전자 돌연변이는 인간 Alazami 증후군과 관련이 있다고 했다[8]. 추가 메커니즘 연구에 따르면 LARP7이 U6 그리고 snoRNA와 동시에 결합하여 U6가 C/D snoRNP로 정착하게끔 협조한 다음 box C/D snoRNP에서 메틸기 전달 효소 FBL가 2-O-메틸화 수식을 진행할 수 있게 한다. 더 중요한 것은 U6 2-O-메틸화의 LARP7 매개 수식이 마우스 정자 발생 세포에서 정확한 mRNA 스플라이싱 및 정자 형성에 필수적이라는 점이다. 동물실험 결과 생식세포에 있는 Larp7 유전자를 조건부 녹아웃을 진행하면 수컷 마우스에 불임 현상이 생기는 것을 발견했다(생식 세포 Larp7 유전자 조건부 녹아웃 마우스는 Cyagen에서 제작했음). 이 연구는 U6 snRNA 수식의 조절 메커니즘을 밝혔고 U6 2-O-메틸화 수식이 포유류 mRNA의 정확한 스플라이싱과 정자 형성에 필수적이라는 것을 최초로 증명했다.
또 독일 레겐스부르크대 Gunter Meister 연구팀, 뷔르츠부르크대 Utz Fischer 연구팀이 류머팡(刘默芳) 연구팀과 합작하여 논문 'The Alazami Syndrome-associated Protein LARP7 Guides U6 small nuclear RNA Modification and Contributes to Splicing Robustness'를 발표했으며 인간 세포의 LARP7은 U6과 snoRNA를 결합하여 U6의 2-O-메틸화 수식을 매개할 수도 있다고 보도했다. 더 중요한 것은 Larp7 돌연변이가 있는 Alazami 증후군 환자 샘플에서 그들은 U6의 2-O-메틸화 수식이 더 적어지고 mRNA 스플라이싱이 비정상적임을 발견했다. 이 두 연구는 포유류 동물에서 LARP7이 U6 수식을 매개하고 정확한 mRNA 스플라이싱에 영향을 미친다는 것을 공동으로 증명했고, U6 수식의 조절 메커니즘과 그것이 mRNA 스플라이싱에서의 기능을 밝혔을 뿐만 아니라 남성 불임, Alazami증후군 등의 발병 원인을 분석하는 데에도 큰 기여를 했으며, 관련 질환의 진단 및 치료를 위한 이론적 근거 및 기술적 방법을 제시했다.
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참고 문헌
1. Patel, A.A., and Steitz, J.A. (2003). Splicing double: insights from the second spliceosome.Nat Rev Mol Cell Bio 4, 960-970.
2. Didychuk, A.L., Butcher, S.E., and Brow, D.A. (2018). The life of U6 small nuclear RNA, from cradle to grave. RNA 24, 437-460.
3. Epstein, P., Reddy, R., Henning, D., and Busch, H. (1980). The nucleotide sequence of nuclear U6 (4.7 S) RNA. J Biol Chem 255, 8901-8906.
4. Harada, F., Kato, N., and Nishimura, S. (1980). The nucleotide sequence of nuclear 4.8S RNA of mouse cells. Biochem Biophys Res Commun 95, 1332-1340.
5. White-Cooper, H., and Davidson, I. (2011). Unique aspects of transcription regulation in male germ cells. Cold Spring Harb Perspect Biol 3 a002626.
6. Krueger, B.J., Jeronimo, C., Roy, B.B., Bouchard, A., Barrandon, C., Byers, S.A., Searcey, C.E., Cooper, J.J., Bensaude, O., and Cohen, E.A., et al. (2008). LARP7 is a stable component of the 7SK snRNP while P-TEFb, HEXIM1 and hnRNP A1 are reversibly associated. Nucleic Acids Res 36, 2219-2229.
7. Markert, A., Grimm, M., Martinez, J., Wiesner, J., Meyerhans, A., Meyuhas, O., Sickmann, A., and Fischer, U. (2008). The La-related protein LARP7 is a component of the 7SK ribonucleoprotein and affects transcription of cellular and viral polymerase II genes. EMBO Rep 9, 569-575.
8. Alazami, A.M., Al-Owain, M., Alzahrani, F., Shuaib, T., Al-Shamrani, H., Al-Falki, Y.H., Al-Qahtani, S.M., Alsheddi, T., Colak, D., and Alkuraya, F.S. (2012). Loss of function mutation in LARP7, chaperone of 7SK ncRNA, causes a syndrome of facial dysmorphism, intellectual disability, and primordial dwarfism. Hum Mutat 33, 1429-1434.
