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비번역 RNA

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목차

1. 개요

비번역 RNA(ncRNA)는 단백질로 번역되지 않고 다양한 세포 과정에 관여하는 RNA 분자이다. 1868년 핵산 발견 이후 tRNA, rRNA, snoRNA, miRNA, piRNA 등 다양한 종류의 ncRNA가 발견되었다. ncRNA는 번역, RNA 스플라이싱, DNA 복제, 유전자 발현 조절, 유전체 방어, 염색체 구조 유지 등 다양한 생물학적 역할을 수행하며, 암, 자폐증, 알츠하이머병 등 다양한 질병과 연관되어 연구되고 있다. 최근에는 '기능성 RNA'(fRNA)와 ncRNA를 구분하여, fRNA가 ncRNA를 포함하는 더 넓은 개념으로 사용되기도 한다. 또한 파라스페클, 핵 스페클과 같은 핵 내 구조체 형성에 관여하며 유전자 발현 조절에 기여한다.

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비번역 RNA
개요
비암호화 RNA의 종류와 기능
다양한 종류의 비암호화 RNA와 그 기능에 대한 개요.
종류RNA
기능단백질로 번역되지 않음
상세 정보
정의단백질로 번역되지 않는 RNA 분자
유래유전체의 상당 부분에서 전사됨
전통적인 단백질 코딩 유전자와 유사한 방식으로 유전자좌에서 전사될 수 있음
기능적 역할세포에서 다양한 기능 수행
유전자 발현 조절
촉매 활성
구조적 역할
종류tRNA
rRNA
miRNA
siRNA
piRNA
lncRNA
연구질병에서의 역할 연구 활발
새로운 치료법 개발 가능성 제시
논쟁기능이 명확하지 않은 비암호화 RNA 존재
명명법명확한 합의가 이루어지지 않음
보존진핵생물에서 잘 보존됨
세균에서도 발견됨
진핵생물유전체의 상당 부분을 차지
진핵생물 유전자 발현의 복잡성 증가에 기여

2. 역사 및 발견

핵산은 1868년 프리드리히 미셰르에 의해 처음 발견되었고,[12] 1939년까지 RNA는 단백질 생합성에 관여하는 것으로 밝혀졌다.[13] 20년 후, 프랜시스 크릭은 번역 (유전학)을 매개하는 기능적 RNA 성분을 예측했다. 그는 RNA가 순수한 폴리펩타이드보다 mRNA 전사체와 염기쌍을 이루는 데 더 적합하다고 추론했다.[14]

가장 먼저 특성화된 비번역 RNA는 빵 효모에서 발견된 알라닌 tRNA였으며, 그 구조는 1965년에 발표되었다.[15] 로버트 W. 홀리 등은 정제된 알라닌 tRNA 샘플을 생산하기 위해 140kg의 상업용 빵 효모를 사용하여 분석을 위해 1g의 정제된 tRNAAla만 얻었다.[16] 80개의 뉴클레오타이드 tRNA는 먼저 췌장 리보뉴클레아제로 소화(시토신 또는 우리딘으로 끝나는 단편 생성)한 다음 타카디아스타제 리보뉴클레아제 Tl로 소화(구아노신으로 끝나는 단편 생성)하여 서열 분석되었다. 크로마토그래피와 5' 및 3' 말단의 식별은 RNA 서열을 설정하기 위해 단편을 정렬하는 데 도움이 되었다.[16] 이 tRNA에 대해 원래 제안된 세 가지 구조 중[15] '클로버 잎' 구조는 이후 여러 출판물에서 독립적으로 제안되었다.[17][18][19][20] 클로버 잎 2차 구조는 1974년 두 개의 독립적인 연구 그룹에서 수행한 X선 결정학 분석에 따라 최종 결정되었다.[21][22]

리보솜 RNA가 다음으로 발견되었고, 그 뒤를 이어 1980년대 초에 URNA가 발견되었다. 그 이후로 snoRNA, Xist, CRISPR 등 새로운 비번역 RNA의 발견이 계속되고 있다.[23] 최근 주목할 만한 추가 사항으로는 리보스위치와 miRNA가 있으며, 후자와 관련된 RNAi 메커니즘 (생물학)의 발견으로 크레이그 C. 멜로와 앤드루 파이어는 2006년 노벨 생리학·의학상을 수상했다.[24]

최근 비번역 RNA의 발견은 실험적 방법과 생물정보학적 방법을 통해 이루어졌다.

3. 생물학적 역할

비번역 RNA(ncRNA)는 다양한 세포 과정에 관여하는 여러 그룹으로 나뉜다.[25] 이들은 대부분의 세포 생명체에서 보존되는 중심적인 중요성을 가지는 ncRNA에서부터 한 종 또는 몇몇 밀접하게 관련된 종에 특이적인 보다 일시적인 ncRNA에 이르기까지 다양하다. 더 보존적인 ncRNA는 분자 화석 또는 최후 보편 공통 조상 및 RNA 세계의 유물로 여겨지며, 현재 역할은 대부분 DNA에서 단백질로의 정보 흐름을 조절하는 데 있다.[26][27][28]

3. 1. 번역

mRNA와 단백질 사이에서 '어댑터 분자' 역할을 하는 것은 tRNA이다. tRNA는 번역 과정에서 아미노산을 운반하여 단백질 합성을 돕는다.[30] tRNA는 73~93개의 염기로 이루어진 작은 RNA로, 아미노아실-tRNA 합성효소에 의해 특정 아미노산과 결합하여 아미노아실-tRNA가 된다. tRNA의 안티코돈은 리보솜 내에서 mRNA의 코돈을 인식하여 결합하고, mRNA 서열에 맞는 아미노산을 폴리펩타이드 사슬에 추가한다.

리보솜 RNA(rRNA)는 리보솜의 주요 구성 성분으로, 펩타이드 결합 형성을 촉매하여 단백질 합성을 돕는다.[30] 리보솜은 60% 이상 rRNA로 구성되며, 원핵생물은 3개, 진핵생물은 4개의 ncRNA로 구성된다.

snoRNA는 rRNA, tRNA, snRNA의 화학적 변형을 유도하여 성숙을 돕는다.[30]

RNase P는 tRNA의 5' 말단을 성숙시키는 역할을 한다.[30]

SRP는 특정 단백질을 소포체 또는 세포막으로 수송하는 역할을 한다.[30]

전달-메신저 RNA(tmRNA)는 정지된 리보솜을 구출하고 비정상적인 mRNA 분해를 촉진한다.[30]

3. 2. RNA 스플라이싱

진핵생물에서 스플라이소솜은 mRNA 전구체에서 인트론 서열을 제거하고 엑손을 연결하는 스플라이싱 반응을 수행하여 성숙한 mRNA를 만든다. 스플라이소솜은 snRNA와 단백질로 구성된 복합체(snRNP)이다. 주형 스플라이소솜의 ncRNA 구성 요소는 U1, U2, U4, U5 및 U6이고, 부형 스플라이소솜의 ncRNA 구성 요소는 U11, U12, U5, U4atac 및 U6atac이다.

효모 스플라이소솜의 전자 현미경 이미지


snRNA는 진핵생물의 핵 내에 존재하는 저분자 RNA의 일종으로, 다른 단백질과 함께 RNA 스플라이싱 (hnRNA에서 인트론을 제거하는 것) 및 rRNA 프로세싱을 비롯한 다양한 반응 과정에 관여한다. snRNA와 단백질과의 복합체를 핵내 리보핵단백질 복합체(snRNP)라고 부른다. snRNA 중에서도 우리딘이 풍부한 서열을 가진 것은 U snRNA (혹은 U RNA)라고 불리며, U1, U2, U4, U5, U6는 표준적인 RNA 스플라이싱 반응에 관여하는 것으로 알려져 있다. 이들 U snRNA를 포함하는 snRNP는 스플라이소솜이라고 불리는 거대 효소 복합체를 형성한다. 스플라이소솜은 RNA의 포스포디에스테르 결합의 전이 반응(라리아트 구조 형성 반응과 엑손의 재결합 반응)을 촉매하는 리보자임이며, 그 반응 중심은 U6 RNA와 Mg++ 이온에 의해 형성된다.

숙주 전사체에서 자체 제거를 촉매할 수 있는 인트론을 자기 스플라이싱 RNA라고 한다. 자기 스플라이싱 RNA에는 그룹 I 촉매 인트론과 그룹 II 촉매 인트론의 두 가지 주요 그룹이 있다. 이러한 ncRNA는 광범위한 유기체에서 mRNA, tRNA 및 rRNA 전구체로부터 자체 절단을 촉매한다.

포유류에서 snoRNA가 mRNA의 선택적 스플라이싱을 조절할 수 있음이 밝혀졌으며, 예를 들어 snoRNA HBII-52는 세로토닌 수용체 2C의 스플라이싱을 조절한다.[31]

선충류에서 SmY ncRNA는 mRNA 트랜스 스플라이싱에 관여하는 것으로 보인다.[32]

3. 3. DNA 복제

Y RNA는 염색질 및 개시 단백질(개시 복합체 포함)과의 상호작용을 통해 DNA 복제에 필요한 줄기 고리이다.[34][35] Ro60 리보핵단백질 입자의 구성 요소이기도 하며,[36] 이는 전신 홍반 루푸스 환자에서 자가면역 항체의 표적이 된다.[37]

3. 4. 유전자 발현 조절

미생물 RNA(miRNA)는 3' UTR에서 하나 이상의 메신저 RNA(mRNA) 분자에 부분적으로 상보적인 결합을 통해 유전자 발현을 하향 조절한다.[38] miRNA는 mRNA에 결합하여 번역을 억제하거나 분해를 촉진하는 방식으로 유전자 발현을 조절한다.

RNase P는 RNA 중합 효소 III에 의해 전사되는 다양한 비번역 RNA(ncRNA)의 전사에 관여한다. 여기에는 tRNA, 5S rRNA, SRP RNA 및 U6 snRNA 유전자가 포함된다.[38]

7SK RNA는 RNA 중합 효소 II 신장 인자 P-TEFb의 음성 조절 인자로 작용한다.

세균의 6S RNA는 시그마70 의존적인 프로모터로부터의 발현을 억제한다.

OxyS RNA는 샤인-달가노 서열에 결합하여 번역을 억제한다.

B2 RNA는 열 충격에 반응하여 mRNA 전사를 억제한다. B2 RNA는 핵심 Pol II에 결합하여 전사를 억제하고, 프로모터에서 전사 개시 복합체로 조립되어 RNA 합성을 차단한다.[39]

리보스위치는 특정 작은 분자를 직접 결합할 수 있으며, 이 결합은 유전자의 활성에 영향을 미친다.

RNA 리더 서열은 아미노산 생합성 오페론의 발현을 조절한다. 조절 아미노산이 과도하면 종결자 구조가 형성되고, 부족하면 반종결자 구조가 형성되어 RNA 중합효소가 오페론을 전사할 수 있게 된다. 알려진 RNA 리더는 히스티딘 오페론 리더, 류신 오페론 리더, 트레오닌 오페론 리더, 트립토판 오페론 리더이다.

철 반응 요소 (IRE)는 철 반응 요소 결합 단백질 (IRP)에 의해 결합되며, 철 농도에 따라 번역을 조절한다. 철 농도가 낮으면 IRP는 페리틴 mRNA IRE에 결합하여 번역을 억제한다.

내부 리보솜 진입 부위 (IRES)는 mRNA 서열 중간에서 번역 시작을 허용하는 RNA 구조이다.

3. 5. 유전체 방어

Piwi-상호작용 RNA(piRNA)는 포유류의 고환과 체세포에서 발현되며, Piwi 단백질과 함께 RNA-단백질 복합체를 형성한다. 이러한 piRNA 복합체(piRC)는 특히 정자 형성 과정에서 레트로트랜스포존과 기타 유전 요소의 전사적 유전자 침묵과 관련이 있다.

규칙적으로 간격을 둔 짧은 회문 반복(CRISPR)은 많은 세균과 고세균의 DNA에서 발견되는 반복 서열이다. 반복 서열은 비슷한 길이의 스페이서에 의해 분리되어 있는데, 이 스페이서가 파지에서 유래하며, 결과적으로 세포를 감염으로부터 보호하는 데 도움이 된다는 것이 밝혀졌다.

3. 6. 염색체 구조

텔로머라아제는 진핵생물 염색체 끝 부분(텔로미어)에 특정 DNA 서열 반복("TTAGGG" (척추동물))을 추가하는 RNP 효소이다. 텔로미어는 응축된 DNA 물질을 포함하여 염색체에 안정성을 부여한다. 이 효소는 각 세포 주기 후 짧아지는 텔로미어를 신장시킬 때 템플릿으로 사용되는 텔로머라제 RNA를 운반하는 역전사 효소이다.[41]

Xist (X-불활성화 특이 전사체)는 바디 소체를 형성하는 X 염색체 불활성화 과정의 주요 이펙터 역할을 하는 태반 포유류의 X 염색체에 있는 긴 ncRNA 유전자이다. 안티센스 RNA인 Tsix는 Xist의 음성 조절자이다. Tsix 발현이 없는 X 염색체(따라서 Xist 전사가 높은 수준)는 정상 염색체보다 더 자주 비활성화된다. 초파리는 XY 성 결정 시스템을 사용하며, roX (X 염색체상의 RNA) RNA는 유전자량 보상에 관여한다.[41] Xist와 roX는 모두 히스톤 변형 효소를 모집하여 전사의 후성 유전학적 조절을 통해 작동한다.

3. 7. 이중 기능 RNA

이중 기능 RNA(Dual-function RNA) 또는 이중 역할 RNA는 두 가지 뚜렷한 기능을 가진 RNA를 말한다.[42][43] 알려진 이중 기능 RNA의 대부분은 단백질과 ncRNA를 모두 암호화하는 mRNA이다.

SgrS RNA와 RNAIII는 잘 알려진 이중 기능 RNA의 예시이다. 이 외에도 스테로이드 수용체 활성제(SRA),[46] VegT RNA,[47][48] Oskar RNA,[49] ENOD40,[50] p53 RNA,[51] SR1 RNA,[52] Spot 42 RNA[53] 등 여러 가지 다른 이중 기능 RNA가 존재한다.

3. 8. 호르몬 조절

초파리에서 엑디손, 유충 호르몬과 같은 호르몬은 특정 miRNA의 발현을 촉진할 수 있다. 이러한 조절은 예쁜꼬마선충의 발달 과정에서 뚜렷한 시점에 발생한다.[55] 포유류에서 miR-206은 에스트로겐 수용체-알파의 중요한 조절 인자이다.[56]

비번역 RNA는 여러 내분비 기관의 발달뿐만 아니라 당뇨병과 같은 내분비 질환에서도 중요하다.[57] 특히 MCF-7 세포주에서 17β-에스트라디올을 첨가하면 에스트로겐 활성화 코딩 유전자 근처의 lncRNA라고 불리는 비코딩 RNA의 전사가 전반적으로 증가한다.[58]

3. 9. 병원성 회피

예쁜꼬마선충은 단일 비번역 RNA에 노출된 후 병원성 회피를 학습하고 상속하는 것으로 나타났다.[59][60]

4. 질병과의 연관성

단백질과 마찬가지로, 신체 내 ncRNA 레퍼토리의 돌연변이 또는 불균형은 다양한 질병을 유발할 수 있다. 작은 RNA는 RNA 유도 침묵 복합체(RISC)를 통해 그 기능을 발휘한다.

작은 RNA 중 siRNA와 miRNA는 이중 가닥 RNA를 거쳐 RISC 형성 과정에 공통점이 많다. siRNA는 바이러스 감염 등 외인성 또는 내인성 긴 이중 가닥 RNA를 전구체로 하여 Dicer에 의해 절단되어 생합성된다. miRNA는 일시 전사 산물(pri-miRNA)이 핵 내에서 Drosha에 의해 절단되어 전구체 miRNA(pre-miRNA)가 만들어진 후, 세포질로 수송되어 Dicer에 의해 miRNA 이중 가닥으로 생합성된다. siRNA와 miRNA 이중 가닥은 모두 21~23염기 정도의 이중 가닥 RNA이며, 5' 말단에는 인산기, 3' 말단에는 2염기 정도의 돌출 구조를 가진다.

RISC에는 Argonaute 단백질과 단일 가닥 RNA만 포함된다. siRNA 또는 miRNA/miRNA* 이중 가닥이 RISC를 형성하기 위해서는 "소분자 RNA 이중 가닥의 Argonaute 단백질로의 적재"와 "Argonaute 내에서의 이중 가닥의 분리 및 한 가닥의 배출"의 2단계 반응이 필요하다.[103] 이때, 표적 mRNA 인지에 관여하는 것을 가이드 가닥, 배출되는 쪽을 패신저 가닥이라고 한다. miRNA를 포함하는 RISC의 경우, 5' 말단의 염기쌍이 더 쉽게 해리되는 쪽이 가이드 가닥이 된다.

siRNA 이중 가닥 또는 miRNA/miRNA* 이중 가닥이 이중 가닥인 채로 Argonaute에 들어간 상태를 pre-RISC라고 한다. Pre-RISC는 분자 샤페론에 의한 ATP 가수 분해가 필요하다. piRNA와 같은 단일 가닥 RNA도 RISC를 형성하지만 이 기작은 충분히 밝혀지지 않았다. 가이드 가닥의 5' 말단의 인산 잔기는 Argonaute의 MID 도메인과 PIWI 도메인의 경계면 부근의 인산기 결합 포켓에 고정된다.

Argonaute에 적재된 RNA 이중 가닥은 단일 가닥화되어 RISC(mature-RISC)를 형성한다. RNA를 절단하는 활성을 스라이서 활성이라고 한다. Argonaute의 PIWI 도메인은 RNase H와 유사한 구조를 가지며, 스라이서 활성을 가진 것이 있다. 스라이서 활성을 가진 Ago2에 siRNA 이중 가닥과 같이 완전히 상보적인 이중 가닥 RNA가 적재되면 패신저 가닥의 중앙이 절단되어 가이드 가닥만이 Argonaute에 고정된 RISC가 생긴다.

스라이서 활성을 가지지 않는 Argonaute의 경우, 또는 중앙 부근에 미스매치를 포함하는 RNA 이중 가닥이 Argonaute에 받아들여진 경우에는, 패신저 가닥의 절단은 일어나지 않지만, Argonaute에 의해 천천히 이중 가닥이 분리되어 패신저 가닥이 배출되어 RISC가 형성된다.

4. 1. 암

miRNA, 긴 mRNA 유사 ncRNA,[61][62] GAS5,[63] SNORD50,[64] 텔로머라아제 RNA 및 Y RNA[65] 등 다수의 비번역 RNA(ncRNA)는 암 조직에서 비정상적인 발현 패턴을 보인다.[5] miRNA는 많은 단백질 코딩 유전자의 대규모 조절에 관여하며,[66][67] Y RNA는 DNA 복제 개시에 중요하며,[34] 텔로머라아제 RNA는 텔로머라아제의 프라이머 역할을 한다. 긴 mRNA 유사 ncRNA의 직접적인 기능은 덜 명확하다.

생식세포에서 miR-16-1 및 miR-15의 주요 전구체에 대한 돌연변이는 만성 림프구성 백혈병 환자에서 더 빈번하게 나타난다.[68][69]

hsa-mir-196a-2와 겹치는 희귀한 SNP(rs11614913)는 비소세포 폐암과 연관되어 있다.[70] 여러 유방암 관련 유전자를 조절하는 것으로 예측되는 17개의 miRNA를 스크리닝한 결과, 환자의 마이크로RNA miR-17 및 miR-30c-1에서 변이가 발견되었다. 이 환자들은 BRCA1 또는 BRCA2 돌연변이가 없었으며, 가족성 유방암이 이러한 miRNA의 변이에 의해 발생할 수 있다는 가능성을 제시한다.[71]

p53 종양 억제 인자는 종양 형성 및 진행을 방지하는 데 중요한 역할을 한다. p53 단백질은 세포 스트레스 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 전사 인자로 작용한다. 암에서의 중요한 역할 외에도, p53은 당뇨병, 허혈 후 세포 사멸, 그리고 헌팅턴병, 파킨슨병, 알츠하이머병과 같은 다양한 신경 퇴행성 질환에도 관련되어 있다. p53 발현은 비코딩 RNA에 의해 조절을 받는다.

암세포에서 조절 장애를 보이는 또 다른 비코딩 RNA의 예는 긴 비코딩 RNA Linc00707이다. Linc00707은 인간 골수 유래 중간엽 줄기 세포,[72] 위암,[73] 유방암에서[74][75] 상향 조절되고 miRNA를 스폰지하며, 따라서 골 형성을 촉진하고, 간세포 암종 진행에 기여하며, 증식 및 전이를 촉진하거나, 암 공격성에 관여하는 단백질의 발현을 간접적으로 조절한다.

4. 2. 프라더-윌리 증후군

SNORD116의 C/D 상자 snoRNA 48개 복제본 삭제가 프라더-윌리 증후군의 주요 원인으로 밝혀졌다.[76][77][78][79] 프라더-윌리 증후군은 과식과 학습 장애와 관련된 발달 장애이다. SNORD116은 여러 단백질 암호화 유전자 내에 잠재적 표적 부위를 가지며, 대안적 스플라이싱 조절에 역할을 할 수 있다.[80]

4. 3. 자폐증

작은 핵소체 RNA SNORD115 유전자 클러스터를 포함하는 염색체 부위가 자폐적 특성을 가진 개인의 약 5%에서 중복되었다.[81][82] SNORD115 클러스터 중복을 갖도록 조작된 마우스 모델은 자폐증과 유사한 행동을 보였다.[83] 최근 사후 뇌 조직에 대한 소규모 연구에서는 대조군에 비해 자폐증 뇌의 전두엽 피질과 소뇌에서 장쇄 비암호화 RNA의 발현 변화가 나타났다.[84]

4. 4. 연골-모발 형성 저하증

RNase MRP의 돌연변이는 연골-모발 형성 저하증을 유발하는 것으로 나타났다. 이는 작은 키, 숱이 적은 머리카락, 골격 이상, 억제된 면역 체계와 같은 다양한 증상과 관련이 있으며, 특히 아미쉬와 핀란드에서 흔하게 나타나는 질환이다.[85][86][87] 가장 잘 특징지어지는 변이는 염기 70번에서 A에서 G로의 전이이며, 이는 보존된 의사매듭의 5'쪽 2개의 염기에 있는 루프 영역에 위치한다. 그러나 RNase MRP 내의 다른 많은 돌연변이 또한 연골-모발 형성 저하증(CHH)을 유발한다.

4. 5. 알츠하이머병

BACE1-AS 안티센스 RNA는 BACE1과 반대 가닥에서 전사되며, 알츠하이머병 환자에게서 발현이 증가한다.[88] BACE1-AS는 BACE1 mRNA의 안정성을 증가시키고 전사 후 피드포워드 기전을 통해 추가적인 BACE1을 생성함으로써 BACE1의 발현을 조절한다. 같은 기전을 통해 노인성 플라크의 주요 구성 성분인 베타 아밀로이드의 농도 또한 증가시킨다. BACE1-AS 농도는 알츠하이머병 환자와 아밀로이드 전구체 단백질 형질전환 마우스에서 상승한다.

4. 6. 청력 손실

miR-96 씨드 영역 내 변이는 인간과 생쥐에서 상염색체 우성 진행성 난청과 관련이 있다.[89][90][91] 동형 접합체 돌연변이 생쥐는 심각한 청각 장애를 보이며 달팽이관 반응이 나타나지 않았다. 이형 접합체 생쥐와 인간은 점진적으로 청력을 잃는다.

4. 7. 미토콘드리아 tRNA

미토콘드리아 tRNA 내의 많은 돌연변이는 MELAS 증후군, MERRF 증후군, 만성 진행성 외안근 마비와 같은 질병과 관련이 있다.[92][93][94][95]

5. 기능성 RNA (fRNA)와 ncRNA의 구분

기능성 RNA(functional RNA, fRNA)는 RNA 수준에서 기능을 하는 RNA를 총칭하는 말이지만, 이는 비번역 RNA(ncRNA)와 항상 일치하는 것은 아니다. 예를 들어, 리보스위치나 SECIS 요소와 같이 mRNA의 비번역 영역에 존재하며 시스 조절 기능을 하는 RNA 영역도 fRNA에 포함된다.

일부 연구자들은 대부분의 ncRNA가 실제로 기능이 없을 수도 있다고 주장한다. 이러한 혼란을 피하기 위해, 'RNA'라는 용어를 사용하고 단백질을 코딩하는 RNA는 'mRNA'로 명확히 구분하는 것이 좋다는 제안도 있다.[42][43]

6. 핵내 구조체 구축

포유류 세포의 핵 내에는 막이 없는 핵내 구조체들이 존재하며, 이들은 염색체 테리토리(크로마틴 간 영역)를 형성한다. 크로마틴 사이에는 다양한 핵내 구조체들이 존재하는데, 그 종류와 특징은 다음과 같다.

핵내 구조체 명칭크기(μm)개수마커 단백질함유 RNA추정 기능
파라스페클0.2~12~20PSPC1NEAT1, CTN-RNA이노신화 mRNA의 계류
핵소체3~81~4피브릴라린rRNA 전구체, snoRNA리보솜 생합성
핵 스페클2~320~50SC35MALAT1, 미동정 폴리A 부가 RAN스플라이싱 인자 저장
핵 스트레스 바디1~22~6HSF1SatⅢ RNA스트레스 시 전사 및 스플라이싱 조절
카할 바디0.2~1.51~10코일린snRNA, scaRNAsnRNA 생합성 및 변형
방핵소체 컴포넌트0.2~11~2PTBP1RNA 폴리머라아제 Ⅲ 전사 산물RNA 폴리머라아제 Ⅲ 전사 산물 조절
Sam68 핵 바디0.5~11~5Sam68미동정 RNA미정
폴리콤 바디0.3~112~16BMI1TUG RNA전사 조절?
PML 바디0.1~110~30PML미검출DNA 복구, 바이러스 감염 방어 등
히스톤 로커스 바디0.2~1.22~4NPAT히스톤 mRNA 전구체, U7 snRNA히스톤 합성



핵내 구조체에는 특정 단백질과 RNA가 모여 있으며, 특정 염색체 위치와 인접해 있다. 이를 통해 핵내 구조체는 국소적으로 특정 조절 인자의 농도를 높여 효율적으로 유전자 발현을 조절하는 것으로 생각된다. 또한, 핵내 구조체는 세포 내 거대 분자 장치의 생합성이 일어나는 장소이기도 하다. 핵소체와 카할 바디에서는 각각 리보솜과 스플라이소솜이라는 거대한 리보뉴클레오프로테인(RNP) 복합체가 만들어진다. 핵소체에서는 rRNA의 전사, RNA 프로세싱·변형, 그리고 단백질과의 결합이 순차적으로 일어난다. 반면, RNA 성분을 필요로 하지 않는 PML 바디에서는 PML 단백질에 SUMO 변형이 일어나 단백질 상호작용을 통해 구조가 구축된다.

많은 핵내 구조체는 동적인 구조를 가진다. 많은 핵내 구조 단백질은 구조체 외부의 핵질에도 퍼져 존재하며, 구조체와 핵질 사이를 일정한 속도로 드나든다. FRAP 및 FLIP 분석에 의해 핵 스페클 단백질인 SRSF1의 80~90%는 핵 스페클과 핵질 사이를 동적으로 이동하며, 핵 스페클에서 떨어져 나오는 속도가 핵질 내에서의 움직임보다 느리다는 것이 밝혀졌다. 이는 SRSF1이 핵 스페클 내에서 여러 구성 요소와 상호작용하기 때문으로 추정된다.

6. 1. 파라스페클

파라스페클은 2002년 Fox 등이 발견한 핵 내 구조체이다.[105] 핵 스페클 근처에 위치하는 경우가 많아 파라스페클이라는 이름이 붙었다. 전자 현미경 관찰 결과, 파라스페클의 평균 직경은 360nm이며, 이는 1993년 Visa 등이 보고했던 크로마틴 간 과립 관련 구조(Interchromatin Granules Associated Zone, IGAZ)와 동일하다.

파라스페클은 포유류의 대부분의 배양 세포에 존재하며, 세포주에 따라 2~20개 정도로 수가 다르다. 하지만 성체 마우스 조직에서는 극히 일부 세포에서만 관찰되는데, 이는 파라스페클이 특정 스트레스 상황에서 형성됨을 보여준다.

파라스페클은 NEAT1이라는 특이적인 ncRNA를 중심으로 형성된다. 파라스페클에 국한된 40종 이상의 단백질 대부분이 RNA 결합 단백질이라는 점에서, 파라스페클은 ncRNA에 의해 여러 RNA 조절 인자가 모인 구조체로 여겨진다.

파라스페클의 기능은 아직 명확히 밝혀지지 않았지만, RNA 편집으로 이노신화된 mRNA를 파라스페클에 붙잡아두었다가 외부 자극에 따라 핵외 수송 및 번역을 유도할 가능성이 제기되고 있다. RNase 처리 시 파라스페클 구조가 붕괴되는 것으로 보아, RNA 분자가 구조 유지에 관여함을 알 수 있다. 2009년에는 여러 연구 그룹에서 파라스페클에 있는 NEAT1 ncRNA가 파라스페클 형성 및 유지에 필수적임을 거의 동시에 보고했다. 안티센스 화학 변형 올리고뉴클레오티드를 이용한 핵 내 녹다운법으로 NEAT1을 분해하면 파라스페클 구조가 붕괴되었다. 또한, 가역적인 RNA 폴리머라아제 Ⅱ 전사 억제제 DRB(5,6-dichloro-1-β-D-ribofuranosylbenzimidazole)로 전사를 억제하여 붕괴된 파라스페클이 다시 만들어질 때 NEAT1이 필요했다.

6. 2. 핵 스페클

핵 스페클은 핵질의 크로마틴 사이에 존재하며, 전구체 mRNA 스플라이싱 인자를 많이 포함하는 핵내 구조체이다.[104] 세포당 25~50개 정도 존재하며, 주로 스플라이싱 인자군의 저장·회합·수정의 장으로 생각된다. 다른 이름으로는 크로마틴 간 과립이라고도 한다. Tripahi 등은 MALAT1이 스플라이싱 인자를 핵 스페클에 국재화하는 기능을 하며, 선택적 스플라이싱을 조절한다는 학설을 제창하고 있다.[104]

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