MicroRNA

1. 개요

마이크로RNA(miRNA)는 1993년 예쁜꼬마선충에서 처음 발견된 작은 비암호 RNA로, 유전자 발현을 조절하는 역할을 한다. miRNA는 발견 순서에 따라 명명되며, 생합성을 통해 생성되어 RNA 유도 침묵 복합체(RISC)에 포함되어 mRNA의 번역을 억제하거나 분해한다. miRNA는 식물과 동물 모두에서 유전자 조절에 중요한 역할을 하며, 암, 심혈관 질환, 신경계 질환 등 다양한 질병과 관련되어 연구되고 있다. 또한, 바이러스는 숙주 유전자 발현 조절을 위해 miRNA를 사용하기도 하며, miRNA 표적 예측은 생물정보학 알고리즘을 통해 이루어진다.

2. 역사

1993년 빅터 앰브로스(Victor Ambros), 로잘린드 리(Rosalind Lee), 론다 파인바움(Rhonda Feinbaum)은 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 유충 성장을 조절하는 lin-4 유전자를 연구하던 중 최초의 miRNA를 발견했다. 이들은 lin-4 유전자가 단백질을 암호화하는 mRNA 대신 짧은 비암호 RNA를 생성하며, 이 RNA 중 하나가 lin-14 mRNA의 3' UTR에 있는 여러 서열과 부분적으로 상보적인 서열을 가지고 있어 lin-14 mRNA의 번역을 억제한다는 사실을 발견했다. 당시에는 이 작은 RNA가 선충의 특이한 성질로 여겨졌다.

2000년에는 게리 루브킨(Gary Ruvkun) 연구팀이 예쁜꼬마선충에서 lin-41 유전자를 억제하여 이후 발달 전환을 촉진하는 let-7 RNA를 발견했다. let-7 RNA는 곧 여러 종에서 보존되는 것으로 밝혀졌으며, 이는 let-7 RNA를 비롯한 더 많은 작은 RNA가 인간을 포함한 다양한 동물에서 성장 시점을 조절할 것이라는 제안으로 이어졌다.

2001년 lin-4와 let-7 RNA는 예쁜꼬마선충, 초파리(Drosophila), 사람 세포에 존재하는 작은 RNA 종류의 일부로 밝혀졌다. 새롭게 발견되는 RNA는 lin-4와 let-7과 유사했지만, 발현 패턴은 주로 성장 시점을 조절하는 역할에서 일관성이 없었다. 이때 연구자들은 이러한 작은 조절 RNA를 지칭하기 위해 "마이크로RNA(miRNA)"라는 용어를 처음 사용했다.

3. 명명법

miRNA는 발견된 순서대로 'miR-숫자' 형태로 이름이 붙여진다. 예를 들어, miR-124는 miR-456보다 먼저 명명되고 발견되었을 가능성이 높다.

종에 따라 세 글자 접두사가 붙는다. 사람의 경우 'hsa' (Homo sapiens)를 사용한다. (예: hsa-miR-124)

성숙 miRNA는 'miR', 전구체 miRNA는 'mir'로 표기한다.

* 대문자 "miR-": 성숙형 miRNA
* 소문자 "mir-": pre-miRNA 및 pri-miRNA

1~2개의 뉴클레오티드를 제외하고 거의 동일한 서열을 가진 miRNA는 소문자 알파벳으로 추가 주석을 붙인다. (예: miR-124a, miR-124b)

동일한 성숙 miRNA를 생성하지만 다른 게놈 영역에 위치한 유전자에서 유래하는 pre-miRNA는 대시 숫자 접미사로 표시된다. (예: hsa-mir-194-1, hsa-mir-194-2)

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📌 열 고정 해제

명칭	설명
hsa-mir-194-1	동일한 성숙 miRNA (hsa-miR-194)를 생성하지만 다른 게놈 영역에 위치한 유전자에서 유래하는 pre-miRNA
hsa-mir-194-2

두 개의 성숙형 마이크로RNA가 동일한 pre-miRNA의 반대쪽 팔에서 유래하고 거의 유사한 양으로 발견되면 -3p 또는 -5p 접미사로 표시된다.

헤어핀의 한쪽 팔에서 발견되는 성숙형 마이크로RNA는 다른 팔에서 발견되는 것보다 훨씬 더 풍부하며, 이름 뒤에 별표(\*)가 붙으면 헤어핀의 반대쪽 팔에서 소량으로 발견되는 성숙 종을 나타낸다. 예를 들어, miR-124와 miR-124\*는 pre-miRNA 헤어핀을 공유하지만, 세포 내에서는 miR-124가 훨씬 더 많이 발견된다.

2014년에는 223종의 생물에서 35,828종의 miRNA가 발견되었다.

새롭게 발견된 miRNA 명칭은 다음 순서에 따라 결정된다.

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📌 열 고정 해제

순서	정의	설명
(1)	생물의 종류
(2)	구조의 유형
(3)	염기 서열의 등록 번호
(4)	생성 과정의 유래
(5)	miRNA 명칭	(1)~(4)에서 정의한 인자를 하이픈("-")으로 연결 (예: dme-let-7, mmu-mir-1-1, hsa-miR-15a-5p)

4. 생합성

miRNA는 보통 RNA 중합효소 II(Pol II)에 의해 전사된다. 중합효소는 종종 pre-miRNA의 헤어핀 루프가 될 DNA 서열 근처에서 발견되는 프로모터에 결합한다. 그 결과 전사물은 5' 말단에 특수하게 변형된 뉴클레오티드로 캡핑되고, 여러 개의 아데노신으로 폴리아데닐화(poly(A) 꼬리)되며, 스플라이싱된다.

동물의 miRNA는 처음에 수백 개의 뉴클레오티드 길이의 pri-miRNA라고 하는 miRNA 전구체의 일부를 형성하는 약 80 뉴클레오티드 RNA 줄기 루프의 한쪽 팔의 일부로 전사된다. 줄기 루프 전구체가 3' UTR에서 발견될 때 전사물은 pri-miRNA와 mRNA 역할을 할 수 있다. RNA 중합효소 III(Pol III)는 일부 miRNA, 특히 상류 Alu 서열, 전이 RNA(tRNA), 포유류 광범위 삽입 반복(MWIR) 프로모터 단위가 있는 miRNA를 전사한다.

핵 내에 존재하는 RNaseIII 유사 Drosha(드로샤)라고 불리는 효소가 pri-miRNA 분자의 일부를 절단하여 약 70염기 길이의 스템 루프 구조를 갖는 pre-miRNA(precursor miRNA, 성숙한 miRNA의 전구체)를 생성한다. 이어서 pre-miRNA 분자는 Exportin-5라고 불리는 운반 단백질에 의해 세포핵 밖으로 수송된다.

식물에서의 miRNA 생합성은 핵 처리 및 수출 단계에서 주로 동물과 다르다. 핵 내부와 외부에서 서로 다른 두 효소에 의해 절단되는 대신, 식물 miRNA의 두 절단 모두 Dicer-like1(DL1)이라고 하는 Dicer 동족체에 의해 수행된다. DL1은 식물 세포의 핵에서만 발현되므로 두 반응 모두 핵 내부에서 일어난다. 식물 miRNA:miRNA* 이중체가 핵 밖으로 수송되기 전에, 3' 오버행은 RNA 메틸전달효소 단백질인 Hua-Enhancer1(HEN1)에 의해 메틸화된다. 그런 다음 이중체는 수출인 5 동족체인 Hasty (HST)라는 단백질에 의해 핵 밖으로 세포질로 수송되어 분해되고 성숙된 miRNA는 RNA 유도 침묵 복합체(RISC)에 통합된다.

4.1. RNA 유도 침묵 복합체 (RISC)

성숙 miRNA는 Dicer와 여러 관련 단백질을 포함하는 활성 RNA 유도 침묵 복합체(RISC)의 일부이다. RISC는 마이크로RNA 리보핵단백질 복합체(miRNP)로도 알려져 있으며, miRNA가 포함된 RISC는 때때로 "miRISC"라고 불린다.

pre-miRNA의 Dicer 처리는 이중 가닥의 풀림과 결합된 것으로 생각된다. 일반적으로, 한 가닥만 miRISC에 통합되는데, 이는 열역학적 불안정성과 다른 가닥에 비해 5' 말단에서의 약한 염기쌍 형성을 기반으로 선택된다. 줄기-고리의 위치 또한 가닥 선택에 영향을 줄 수 있다. 다른 가닥은 정상 상태에서 수준이 낮아 수동 가닥이라고 불리며, 별표(*)로 표시되며 일반적으로 분해된다. 어떤 경우에는 이중 가닥의 두 가닥 모두 생존 가능하며 서로 다른 mRNA 집단을 표적으로 하는 기능적 miRNA가 된다.

아르고노트 (Ago) 단백질 계열 구성원은 RISC 기능의 핵심이다. 아르고노트는 miRNA 유도 침묵에 필요하며, 두 개의 보존된 RNA 결합 도메인을 포함한다. 즉, 성숙된 miRNA의 단일 가닥 3' 말단에 결합할 수 있는 PAZ 도메인과, 리보핵산분해효소-H와 구조적으로 유사하며 가이드 가닥의 5' 말단과 상호 작용하는 PIWI 도메인이 있다. 이들은 성숙된 miRNA에 결합하여 표적 mRNA와의 상호 작용을 위해 정렬한다. 예를 들어 인간 Ago2와 같은 일부 아르고노트는 표적 전사체를 직접 절단한다. 아르고노트는 또한 번역 억제를 달성하기 위해 추가 단백질을 모집할 수도 있다. 인간 게놈은 서열 유사성에 따라 두 가족으로 나뉘는 8개의 아르고노트 단백질을 암호화한다. 즉, AGO (모든 포유류 세포에 존재하는 4명의 구성원이 있으며 인간에서는 E1F2C/hAgo라고 불림)와 PIWI (생식세포 계열 및 조혈모 줄기 세포에서 발견됨)가 있다.

추가 RISC 구성 요소에는 TRBP [인간 면역 결핍 바이러스(HIV) 전사 활성 반응 RNA(TAR) 결합 단백질], PACT (인터페론 유도 단백질 키나아제의 단백질 활성화제), SMN 복합체, 취약 X 정신 지체 단백질(FMRP), 튜더 포도상구균 뉴클레아제 도메인 함유 단백질(Tudor-SN), 추정 DNA 헬리케이스 MOV10, 그리고 RNA 인식 모티프 함유 단백질 TNRC6B가 있다.

유전자 침묵은 mRNA 분해 또는 mRNA가 번역되는 것을 막는 것을 통해 발생할 수 있다. 예를 들어, miR16은 불안정한 많은 mRNA, 예를 들어 TNF 알파 또는 GM-CSF의 3'UTR에서 발견되는 AU-rich 요소에 상보적인 서열을 포함한다. miRNA와 표적 mRNA 서열 간에 완전한 상보성이 주어지면 Ago2가 mRNA를 절단하여 직접적인 mRNA 분해를 유도할 수 있음이 입증되었다. 상보성이 없는 경우, 번역을 막음으로써 침묵이 달성된다. miRNA와 표적 mRNA의 관계는 표적 mRNA의 단순한 음성 조절에 기반할 수 있지만, "일관성 있는 피드 포워드 루프", "상호 음성 피드백 루프"(이중 음성 루프라고도 함) 및 "양성 피드백/피드 포워드 루프"를 사용하는 것이 일반적인 시나리오인 것으로 보인다. 일부 miRNA는 전사, 번역 및 단백질 안정성에서 발생하는 확률적 사건으로 인한 무작위 유전자 발현 변화의 완충제 역할을 한다. 이러한 조절은 일반적으로 음성 피드백 루프 또는 mRNA 전사에서 단백질 출력을 분리하는 비일관적 피드 포워드 루프를 통해 달성된다.

RISC에 포획된 2중 가닥 miRNA는 RISC 내에서 풀리고, 2개의 단일 가닥 miRNA가 된다. 그 중, 더 불안정한 단일 가닥은 분해된다. 다른 한쪽의 안정적인 단일 가닥 miRNA는 mRNA (messenger RNA, 전령 RNA)의 3'-UTR (untranslated region, 비번역 영역)과 부분적으로 상보적인 유전자 서열을 가지고 있다. 즉, 그 단일 가닥 miRNA는 자신과 부분적으로 상보적인 염기 서열을 가진 mRNA에 결합함으로써, 그 유전자의 번역 반응을 억제한다. 이러한 기능을 가진 단일 가닥 miRNA는 mature-miRNA (성숙 miRNA, 기능성 miRNA)라고 불린다. 하지만 식물의 경우, siRNA (short-interfering RNA, 저분자 간섭 RNA)에 의한 RNAi처럼, miRNA는 표적 mRNA를 분해시킨다.

mature-miRNA의 염기 서열의 5'-말단 쪽에서 2번째~8번째까지의 7염기는 seed 서열이라고 불린다. 이 서열과 상보적인 서열을 가진 mRNA는, mature-miRNA의 표적으로 강하게 인식된다. mature-miRNA의 seed 서열과 mRNA의 3'-UTR의 상호작용에 대해, 열역학적인 방법을 사용한 분석이 진행되어 왔다. 그 결과, 초기 상태의 깁스 자유 에너지는 -4.09 (kcal mol^—1)이고, 최종 상태의 깁스 자유 에너지는 -14 (kcal mol^—1)인 것으로 밝혀졌다. 따라서, mature-miRNA와 mRNA의 결합 반응에서의 깁스 자유 에너지 변화는 -10 (kcal mol^—1)이라고 생각된다. 이 값은 수소 결합의 결합 에너지와 거의 같다. 이로부터, mature-miRNA와 mRNA는 왓슨-크릭형 염기쌍을 형성하고 있다고 할 수 있다. 즉, GC 함량이 높은 seed 서열을 가진 mature-miRNA는, mRNA의 3'-UTR에 대해 안정적으로 결합할 수 있다.

5. 표적 및 기능

miRNA는 mRNA를 분해하거나 번역을 억제하여 RNA 발현을 억제한다. 대부분의 miRNA는 세포 내에 있지만, 일부는 세포 외 환경에서도 발견되며, 이를 순환 miRNA 또는 세포 외 miRNA라고 한다.

동물 miRNA는 주로 3' UTR 부위에 상보적이며, 식물 miRNA는 주로 mRNA의 코딩 영역에 상보적이다. 표적 RNA와 완전하거나 거의 완벽하게 염기쌍을 이루면 RNA 절단을 촉진하는데, 이는 식물 miRNA의 주요 작용 방식이다. 동물에서는 불완전한 일치가 일반적이며, 부분적으로 상보적인 마이크로RNA는 miRNA의 2~7번째 뉴클레오타이드(시드 영역)가 완벽하게 상보적이어야 표적을 인식할 수 있다. 동물 miRNA는 표적 mRNA의 단백질 번역을 억제하며, 식물에서도 덜 흔하지만 번역 억제가 나타난다. 부분적으로 상보적인 마이크로RNA는 탈아데닐화를 가속화하여 mRNA 분해를 촉진하기도 한다.

miRNA는 히스톤 변형과 DNA 메틸화를 프로모터 부위에 유발하여 표적 유전자 발현에 영향을 미치기도 한다. miRNA 작용 메커니즘은 캡-40S 개시 억제, 60S 리보솜 소단위 결합 억제, 연장 억제, 리보솜 드롭오프(조기 종료), 동시 번역 신생 단백질 분해, P-body에 격리, mRNA 붕괴(불안정화), mRNA 절단, 마이크로RNA 매개 크로마틴 재구성을 통한 전사 억제 후 유전자 침묵 등 9가지로 설명되며, 통합된 수학적 모델로 정리되었다.

동물 마이크로RNA는 식물과 달리 다양한 유전자를 표적으로 한다. 그러나 유전자 발현 등 모든 세포에 공통적인 기능을 하는 유전자는 비교적 적은 마이크로RNA 표적 부위를 가지며, 마이크로RNA에 의한 표적 지정을 피하도록 선택된 것으로 보인다. dsRNA는 유전자 발현을 활성화할 수 있으며, 이는 "작은 RNA 유도 유전자 활성화" 또는 RNAa로 불리는 메커니즘이다. 유전자 프로모터를 표적으로 하는 dsRNA는 관련된 유전자의 강력한 전사 활성을 유도할 수 있는데, 이는 small activating RNAs(saRNA)라는 합성 dsRNA를 사용하여 인간 세포에서 입증되었고, 내생 마이크로RNA에 대해서도 입증되었다.

miRNA는 세포 외 순환 miRNA로도 발견된다. 순환 miRNA는 혈액 및 뇌척수액을 포함한 체액으로 방출되며, 여러 질병의 생체 지표로 사용될 수 있다. miR-183/96/182와 같은 miRNA는 일주기 리듬에서 핵심적인 역할을 한다.

5.1. 작용 방식

miRNA는 mRNA 분해 또는 번역 억제를 통해 유전자 발현을 조절한다.

* mRNA 분해: miRNA와 표적 mRNA 서열이 완전히 상보적이면, Ago2 단백질이 mRNA를 절단하여 분해를 유도한다.
* 번역 억제: miRNA와 표적 mRNA의 상보성이 불완전하면 번역을 억제한다.
* 전사 억제: miRNA는 히스톤 변형 및 DNA 메틸화를 유발하여 표적 유전자의 전사를 억제할 수 있다.

miRNA와 표적 mRNA의 관계는 단순한 음성 조절뿐만 아니라, "일관성 있는 피드 포워드 루프", "상호 음성 피드백 루프"(이중 음성 루프), "양성 피드백/피드 포워드 루프" 등을 포함하는 복잡한 조절 방식을 사용하기도 한다. 일부 miRNA는 전사, 번역 및 단백질 안정성에서 발생하는 확률적 사건으로 인한 무작위 유전자 발현 변화를 완충하는 역할을 한다. 이러한 조절은 일반적으로 음성 피드백 루프 또는 mRNA 전사에서 단백질 출력을 분리하는 비일관적 피드 포워드 루프를 통해 달성된다.

세포질로 방출된 pre-miRNA는 Dicer(RNAi 참조) 효소에 의해 절단되어 20~25 염기 길이의 이중 가닥 miRNA가 된다. 이 이중 가닥 miRNA는 RISC에 포획된 후 풀려서 두 개의 단일 가닥 miRNA가 되는데, 이 중 더 불안정한 가닥은 분해된다.

안정적인 단일 가닥 miRNA (mature miRNA)는 mRNA의 3'-UTR과 부분적으로 상보적인 유전자 서열을 가지고 있어, 해당 mRNA에 결합하여 번역을 억제한다. 식물의 경우, siRNA처럼 miRNA가 표적 mRNA를 분해하기도 한다.

mature miRNA의 5' 말단 2~8번째 염기인 seed 서열은 표적 mRNA 인식에 중요한 역할을 한다. GC 함량이 높은 seed 서열을 가진 mature miRNA는 mRNA의 3'-UTR에 안정적으로 결합할 수 있다.

miRNA는 여러 mRNA 서열에 부분적으로 상보적으로 결합하여 다양한 유전자 발현을 억제한다. 즉, 하나의 miRNA는 다양한 종류의 mRNA 발현 조절에 관여하며, 반대로 하나의 mRNA는 여러 miRNA에 의해 조절될 수 있다. miRNA는 단독으로 기능하기보다는 다른 miRNA와 협력하여 여러 mRNA의 유전자 발현을 억제하고, 생물의 항상성을 유지한다.

6. 진화

miRNA는 식물과 동물 모두에서 잘 보존되어 있으며, 유전자 조절의 필수적이고 진화적으로 오래된 구성 요소로 여겨진다. miRNA 경로의 핵심 구성 요소는 식물과 동물 사이에서 보존되지만, 두 계통의 miRNA 목록은 서로 다른 주요 작용 방식을 가지며 독립적으로 발생한 것으로 보인다.

miRNA는 낮은 진화 속도를 가지므로 유용한 계통 발생 표지자이다. miRNA는 처음에 바이러스와 같은 외래 유전 물질에 대한 방어 수단으로 사용되었던 이전의 RNAi 기작에서 조절 기작으로 발전했다. 그 기원은 형태학적 혁신의 발전을 가능하게 했을 수 있으며, 유전자 발현을 보다 구체적이고 '미세 조정' 가능하게 함으로써 복잡한 기관과 궁극적으로는 복잡한 생명의 기원을 가능하게 했을 수 있다. 형태학적 혁신의 급격한 증가는 일반적으로 높은 miRNA 축적 속도와 관련이 있다.

새로운 miRNA는 여러 가지 방식으로 생성된다. 새로운 miRNA는 DNA의 "비부호화" 부분(예: 인트론 또는 유전자간 영역)에서 헤어핀의 무작위 형성을 통해 발생할 수 있으며, 기존 miRNA의 복제 및 변형을 통해서도 발생할 수 있다. miRNA는 또한 단백질 코딩 서열의 역 복제를 통해 형성될 수 있으며, 이는 접힘 헤어핀 구조를 생성할 수 있게 한다. 최근에 발생한 miRNA의 진화 속도(즉, 뉴클레오티드 치환)는 비부호화 DNA의 다른 부위와 비슷하여 중립적 부동에 의한 진화를 시사한다. 그러나 오래된 miRNA는 변화율이 훨씬 낮아(종종 1억 년에 한 번 미만 치환) 일단 miRNA가 기능을 얻으면 정화 선택을 거친다는 것을 시사한다. miRNA 유전자 내의 개별 영역은 서로 다른 진화적 압력에 직면하며, 처리 및 기능에 필수적인 영역은 더 높은 보존 수준을 갖는다. 이 시점에서 miRNA는 동물의 게놈에서 거의 손실되지 않지만, 새로운 miRNA(따라서 기능이 없는 것으로 추정됨)는 자주 손실된다. 애기장대(Arabidopsis thaliana)에서 miRNA 유전자의 순 유입은 100만 년당 1.2~3.3개 유전자로 예측되었다. 이는 이들을 귀중한 계통 발생 표지자로 만들며, 절지동물의 관계와 같은 미해결 계통 발생 문제에 대한 가능한 해결책으로 간주되고 있다. 반면에, 여러 경우에서 miRNA는 계통 발생과 관련이 없으며, 그들의 계통 발생 일치는 miRNA의 제한된 샘플링을 반영할 가능성이 크다.

miRNA는 갈조류에서 동물에 이르기까지 대부분의 진핵생물 게놈에 특징적으로 나타난다. 그러나 이러한 miRNA의 기능 방식과 처리 방식의 차이는 miRNA가 식물과 동물에서 독립적으로 발생했음을 시사한다.

동물에 초점을 맞추면, Mnemiopsis leidyi의 게놈은 고전적인 miRNA 생합성에 중요한 핵 단백질 드로샤(Drosha)와 파샤(Pasha)뿐만 아니라 인식 가능한 miRNA가 없는 것으로 보인다. 지금까지 드로샤가 없는 것으로 보고된 유일한 동물이다. miRNA는 Placozoa 문의 첫 번째 알려진 구성원인 Trichoplax adhaerens를 제외하고 지금까지 조사된 모든 비즐편모충 동물에서 유전자 발현 조절에 중요한 역할을 한다.

7. 실험적 검출 및 조작

miRNA 발현은 변형된 RT-PCR과 정량적 PCR의 두 단계 PCR 과정을 통해 정량화할 수 있다. 이 방법의 변형으로 절대적 또는 상대적 정량화를 달성한다. miRNA는 또한 수백 또는 수천 개의 miRNA 표적을 갖는 프로브가 있는 마이크로어레이 슬라이드 또는 칩에 혼성화될 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 샘플에서 miRNA의 상대적 수준을 결정할 수 있다. miRNA는 고처리량 시퀀싱 방법(마이크로RNA 시퀀싱)을 통해 발견 및 프로파일링될 수 있다.

miRNA의 활성은 잠금 핵산 (LNA) 올리고, 모르폴리노 올리고 또는 2'-O-메틸 RNA 올리고를 사용하여 실험적으로 억제될 수 있다. 특정 miRNA는 상보적인 안타고미어에 의해 침묵될 수 있다. 마이크로RNA 성숙은 입체 차단 올리고에 의해 여러 지점에서 억제될 수 있으며, mRNA 전사체의 miRNA 표적 부위 또한 입체 차단 올리고에 의해 차단될 수 있다. miRNA의 "생체 내" 검출을 위해 LNA 또는 모르폴리노 프로브를 사용할 수 있다. LNA의 잠금된 구조는 향상된 혼성화 특성을 유발하고 민감도와 선택성을 증가시켜 짧은 miRNA 검출에 이상적이다.

miRNA 분석에는 miRNA mimic (miRNA 미믹, miRNA 모방체)과 miRNA inhibitor (miRNA 억제제)가 널리 사용된다. miRNA mimic은 miRNA 분자를 모방한 이중 가닥 RNA로, miRNA의 기능 활성을 높여 miRNA의 기능을 분석한다. miRNA inhibitor는 miRNA 분자에 특이적으로 결합하는 단일 가닥 RNA로, miRNA의 기능 활성을 낮춰 miRNA의 기능을 분석한다. miRNA inhibitor의 원리에는 안티센스 핵산 분자를 사용한 안티센스법이 사용된다.

8. 인간 및 동물 질환

miRNA의 조절 이상은 다양한 질병과 관련이 있다. miR-96 시드 영역의 돌연변이는 유전성 진행성 청력 손실을 유발하며, miR-184 시드 영역의 돌연변이는 전극 백내장을 동반한 유전성 원추 각막을 유발한다. miR-17~92 클러스터의 결실은 골격 및 성장 결함을 유발한다.

miRNA는 암, 심혈관 질환, 신경 퇴행성 질환, 정신 질환, 만성 염증성 질환 등의 발병과 진행에 관여한다.

* 신장 질환: miRNA는 신장 전구 세포 확장, 레닌 세포 감소 등 복잡한 신장 표현형과 관련이 있다.
* 뇌졸중: miRNA는 뇌 허혈 발병 기전에서 유전자를 표적으로 삼아 번역 후 유전자 침묵에 역할을 한다.
* 알코올 중독: 만성 알코올 남용은 유전자 발현 변화를 통해 뇌 기능에 지속적인 변화를 일으키는데, 이때 miRNA의 변화가 관여한다.
* 비만: miRNA는 줄기 세포 전구 세포가 지방 세포로 분화하는 것을 조절하며, 인슐린 저항성, 비만, 당뇨병과도 관련이 있다.
* 지혈: miRNA는 지혈 혈액 응고 시스템을 포함한 복잡한 효소 연쇄 반응 조절에 중요한 역할을 한다.

8.1. 암

miRNA는 암 발생 및 진행에 중요한 역할을 하며, 경우에 따라 종양 억제 유전자 또는 암 유전자로 작용할 수 있다. miRNA 조절 이상과 관련된 것으로 알려진 최초의 인간 질환은 만성 림프구성 백혈병이었다.

암과 관련된 miRNA에는 암화를 촉진하는 onco miRNA(oncogenic miRNA)와 암화를 억제하는 Tumor Suppressor miRNA의 두 가지 유형이 있다. onco miRNA의 발현량 증가는 세포의 암화를 유발할 수 있다.

특정 miRNA의 발현 수준은 암의 예후 예측 및 진단에 활용될 수 있다. 예를 들어, NSCLC 샘플에서 낮은 miR-324a 수준은 생존율 저하를 나타낼 수 있다. 높은 miR-185 또는 낮은 miR-133b 수준은 전이 및 대장암의 생존율 저하와 관련이 있을 수 있다. 또한, miR-205 및 miR-373의 발현 수준은 점액성 대장암과 점액 생성 궤양성 대장염 관련 대장암에서 증가하는 것으로 나타났다.

초기 림프종을 인위적으로 발병시킨 형질전환 마우스에서 onco miRNA 중 하나인 miR-21의 발현량을 억제했을 때, pre B 세포 유래 림프종이 소멸되는 것이 관찰되었다.

miRNA는 암 치료의 도구 또는 표적으로 사용될 수 있다. miR-506은 여러 연구에서 종양 길항제로 작용하며, 자궁경부암 세포의 세포 사멸을 촉진한다. miRNA를 이용한 핵산 의약품 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, miRNA mimic (miR-34a mimic)를 암 환자에게 투여하는 임상 연구도 진행된 바 있다. 마이크로 RNA는 암 진단을 위한 생체 지표로도 활용될 가능성이 있다.

8.2. 심혈관 질환

miRNA는 심장 발달, 심근병증, 심장 전도, 콜레스테롤 대사 등에 중요한 역할을 한다. 질병에 걸린 인간의 심장에서 특정 miRNA의 발현 수준이 변화한다는 연구 결과는 miRNA와 심근병증의 관련성을 시사한다. 동물 연구를 통해 miRNA가 심장 발생, 비대성 성장 반응 및 심장 전도에 중요한 주요 인자를 조절한다는 사실이 밝혀졌다. miRNA는 심혈관 질환의 진단, 예후 예측, 위험 계층화 등에 활용될 수 있으며, 동물 모델에서는 콜레스테롤 대사 및 조절에도 관여한다.

생쥐의 마이크로RNA-712(miR-712)는 지질 보유 및 염증과 관련된 동맥벽의 심혈관 질환인 동맥경화증의 잠재적 생체 지표(바이오마커)로 활용될 수 있다. 비층류 혈류는 내피 세포의 기계 감지기가 교란된 흐름(d-flow)의 전단력에 반응함에 따라 동맥경화증 발달과 상관관계가 있다. 매트릭스 메탈로프로테이나제 (MMP)를 포함한 여러 동맥경화 유발 유전자가 d-flow에 의해 상향 조절되어 염증 유발 및 혈관 신생 신호를 매개한다.

miR-712는 금속단백질분해효소 3(TIMP3)의 조직 억제 인자를 표적으로 한다. TIMP3 발현 감소는 d-흐름이 있는 경우 세포외 기질(ECM) 분해 증가로 이어진다. TIMP3는 또한 난류 동안 TNFα(전 염증 조절 인자)의 발현을 감소시킨다. Anti-miR-712는 d-흐름에 의해 유도된 miR-712 발현을 효과적으로 억제하고 TIMP3 발현을 증가시키며, 혈관 과투과성을 억제하여 죽상 경화증 병변 발달 및 면역 세포 침윤을 유의하게 감소시킨다.

miR-712의 인간 상동 유전자는 RN45s 상동 유전자에서 발견되었으며, 이는 생쥐와 유사한 microRNA를 유지한다. 인간의 miR-205는 생쥐의 miR-712와 유사한 염기 서열을 공유하며 대부분의 척추동물에서 보존된다. miR-205와 miR-712는 또한 TIMP3를 포함하여 세포 신호 전달 표적의 50% 이상을 공유한다.

8.3. 신경계 질환

miRNA는 신경계의 건강한 발달과 기능에 매우 중요하다. 이전 연구에 따르면 miRNA는 다양한 단계에서 신경 세포 분화와 성숙을 조절할 수 있다. miRNA는 시냅스 형성(수상돌기 형성 또는 가시 형태 형성과 같은) 및 시냅스 가소성(학습과 기억에 기여)에도 중요한 역할을 한다. Dicer의 실험적 침묵을 통해 생쥐에서 miRNA 형성을 제거하면 신경 세포 크기 감소, 운동 이상(선조체 뉴런에서 침묵된 경우) 및 신경 퇴행(전뇌 뉴런에서 침묵된 경우)과 같은 병리학적 결과가 나타났다. miRNA 발현 변화는 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병과 같은 신경 퇴행성 질환뿐만 아니라 간질, 조현병, 주요 우울 장애, 양극성 장애, 불안 장애를 포함한 많은 정신 질환에서도 발견되었다.

8.4. 기타 질환

miRNA는 신장 질환, 뇌졸중, 알코올 중독, 비만, 지혈 등 다양한 질병과 관련되어 연구되고 있다.

* 신장 질환: FoxD1에서 유래한 신장 전구 세포에서 Dicer를 제거한 쥐 모델은 신장 전구 세포 확장, 레닌 세포 감소, 평활근 세동맥, 점진적인 사구체 간질 손실 및 사구체 동맥류를 포함하는 복잡한 신장 표현형을 보였다. 이 모델에서 세포 사멸 유전자인 Bcl2L11 (Bim)의 상향 조절과 p53 경로 조절 이상이 나타났다. FoxD1 유래 세포의 miRNA 프로파일링은 miRs-10a, 18a, 19b, 24, 30c, 92a, 106a, 130a, 152, 181a, 214, 222, 302a, 370, 381 (Bcl2L11 (Bim) 조절) 및 miRs-15b, 18a, 21, 30c, 92a, 106a, 125b-5p, 145, 214, 222, 296-5p, 302a (p53 이펙터 유전자 조절)를 포함한 핵심 miRNA를 식별했다.

* 뇌졸중: 뇌졸중의 87%는 허혈성 뇌졸중으로, 뇌 동맥 막힘으로 인해 발생한다. miRNA는 염증, 혈관 신생, 세포자멸 경로와 같은 뇌 허혈 발병 기전에서 유전자를 표적으로 삼아 번역 후 유전자 침묵에 역할을 한다.

* 알코올 중독: 만성 알코올 남용은 유전자 발현 변화를 통해 뇌 기능에 지속적인 변화를 일으킨다. 알코올 중독 사망자 뇌에서 최대 35개의 miRNA가 변경된 것으로 밝혀졌으며, 이들은 세포 주기, 세포자멸, 세포 부착, 신경 발달, 세포 신호 전달 조절 유전자를 표적으로 한다. 알코올 의존성 쥐의 내측 전전두피질에서도 miRNA 수준 변화가 발견되었다. miR-206은 알코올 의존성 쥐의 전전두피질에서 증가하여 BDNF를 표적으로 발현을 감소시켰고, miR-155는 알코올 유발 신경 염증 반응 조절에 중요한 역할을 한다. 측핵에서 miR-382의 하향 조절은 도파민 수용체 D1 (DRD1) 및 델타 fosB 상향 조절을 유발하여 중독성 행동을 초래한다.

* 비만: miRNA는 줄기 세포 전구 세포가 지방 세포로 분화하는 것을 조절한다. miR-155, miR-221, miR-222의 발현 감소는 지방 형성 프로그래밍 동안 발견되었고, 이들의 이소성 발현은 지방 형성을 억제하고 PPARγ 및 CEBPA 유도를 억제했다. let-7 패밀리는 인슐린 저항성, 비만, 당뇨병을 조절한다. Let-7 과발현은 쥐에게 인슐린 저항성과 고지방식이 유도 비만, 당뇨병을 유발했고, let-7 억제는 인슐린 민감성을 높이고 비만과 당뇨병에 대한 저항력을 갖게 했다.

* 지혈: miRNA는 지혈 혈액 응고 시스템을 포함한 복잡한 효소 연쇄 반응 조절에 중요한 역할을 한다.

9. 식물에서의 miRNA

식물 miRNA의 생합성은 핵 처리 및 수출 단계에서 주로 동물 생합성과 다르다. 핵 내부와 외부에서 서로 다른 두 효소에 의해 절단되는 대신, 식물 miRNA의 두 절단 모두 Dicer-like1 (DL1)이라고 하는 Dicer 동족체에 의해 수행된다. DL1은 식물 세포의 핵에서만 발현되므로 두 반응 모두 핵 내부에서 일어난다. 식물 miRNA:miRNA* 이중체가 핵 밖으로 수송되기 전에, 3' 오버행은 RNA 메틸전달효소 단백질인 Hua-Enhancer1 (HEN1)에 의해 메틸화된다. 그런 다음 이중체는 수출인 5 동족체인 Hasty (HST)라는 단백질에 의해 핵 밖으로 세포질로 수송되어 분해되고 성숙된 miRNA는 RISC에 통합된다.

miRNA는 식물의 많은 발달, 항상성 및 면역 과정의 핵심 조절 인자로 여겨진다. 식물 발달에서 그 역할에는 줄기 꼭대기 분열조직 발달, 잎 성장, 꽃 형성, 종자 생산 또는 뿌리 확장이 포함된다. 또한 열 스트레스, 저온 스트레스, 가뭄 스트레스, 광 스트레스 또는 감마선 노출을 포함한 다양한 비생물적 스트레스에 대한 반응에서도 복잡한 역할을 한다.

10. 바이러스에서의 miRNA

바이러스성 마이크로 RNA(miRNA)는 바이러스 및/또는 숙주 유전자의 유전자 발현 조절에 중요한 역할을 하여 바이러스에게 이득을 준다. 따라서, miRNA는 숙주-바이러스 상호작용과 바이러스 질환의 발병 기전에 중요한 역할을 한다. 사람 헤르페스바이러스-6 (human herpesvirus-6) DNA에 의한 전사 활성 인자의 발현은 바이러스성 miRNA에 의해 조절되는 것으로 여겨진다.

11. 표적 예측

miRNA는 단백질 코딩 유전자의 표적 메신저 RNA(mRNA) 전사체에 결합하여 번역을 음성적으로 조절하거나 mRNA 분해를 일으킨다. miRNA 표적을 정확하게 식별하는 것은 매우 중요하다. 18개의 생물정보학 알고리즘의 예측 성능 비교가 가능하다. 기능적 miRNA 표적화에 대한 대규모 연구에 따르면 많은 기능적 miRNA가 표적 예측 알고리즘에 의해 놓칠 수 있다.