RNA 간섭(RNAi)과 siRNA, miRNA의 작용 기작

1. RNA 간섭(RNAi)이란?

RNA 간섭(RNA interference, RNAi)은 짧은 RNA 분자가 특정 RNA의 염기서열을 인식하여 유전자 발현을 억제하는 생물학적 조절 기작이다.

일반적으로 유전정보는 DNA에서 RNA로 전사되고, RNA는 리보솜에서 단백질로 번역된다. 그러나 세포에서 만들어진 모든 mRNA가 반드시 단백질로 번역되는 것은 아니다.

세포는 다양한 조절 기작을 이용하여 mRNA의 안정성과 번역 효율을 조절한다. RNA 간섭은 이러한 전사 후 유전자 발현 조절(Post-transcriptional gene regulation)의 대표적인 기작이다.

RNA 간섭에는 siRNA(Small interfering RNA), miRNA(MicroRNA)와 같은 짧은 비암호화 RNA가 관여한다.

이들은 특정 RNA와 상보적인 염기쌍을 형성하여 표적 RNA의 분해를 유도하거나 번역을 억제한다.

RNA 간섭은 다음과 같은 생물학적 기능을 수행한다.

• 특정 유전자의 발현 억제
• mRNA의 안정성 및 번역 효율 조절
• 세포 분화와 발생 과정의 조절
• 바이러스 및 외래 핵산에 대한 방어
• 일부 생물에서 전이인자 활성 억제
• 세포 내 유전자 발현의 항상성 유지

RNA 간섭은 유전자의 DNA 염기서열을 직접 변화시키지 않으면서 유전자 발현을 조절할 수 있다는 특징을 가진다.

2. RNA 간섭의 발견과 연구 역사

RNA 간섭은 1998년 Andrew Fire와 Craig Mello 등의 연구를 통해 중요한 분자적 조절 기작으로 확립되었다.

연구진은 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)에 특정 유전자의 RNA를 주입하는 실험을 수행하였다.

이 과정에서 단일가닥 RNA보다 이중가닥 RNA(Double-stranded RNA, dsRNA)가 특정 유전자의 발현을 훨씬 효과적으로 억제한다는 사실을 발견하였다.

이러한 결과는 이중가닥 RNA가 염기서열 특이적인 유전자 발현 억제를 유도할 수 있음을 보여주었다.

이후 RNA 간섭에 관여하는 Dicer, Argonaute, RISC 등의 단백질과 복합체가 규명되면서 작용 기작이 구체적으로 밝혀졌다.

Fire와 Mello는 RNA 간섭의 발견에 기여한 공로로 2006년 노벨 생리의학상을 수상하였다.

현재 RNA 간섭은 분자생물학 연구뿐 아니라 유전자 기능 분석과 RNA 기반 치료제 개발에도 활용되고 있다.

3. RNA 간섭에 관여하는 주요 RNA의 종류

RNA 간섭에 관여하는 대표적인 짧은 RNA에는 siRNA와 miRNA가 있다.

두 RNA는 모두 특정 RNA를 인식하여 유전자 발현을 억제하지만 생성 과정과 표적 인식 방식에 차이가 있다.

3.1 siRNA(Small interfering RNA)

siRNA는 일반적으로 약 21~23개의 뉴클레오타이드로 구성된 짧은 RNA이다.

siRNA는 긴 이중가닥 RNA가 Dicer에 의해 절단되거나, 실험적으로 합성된 짧은 이중가닥 RNA가 세포에 도입되어 형성될 수 있다.

siRNA의 주요 특징은 다음과 같다.

• 이중가닥 RNA에서 유래할 수 있다.
• 일반적으로 약 21~23 nt 길이를 가진다.
• 표적 RNA와 높은 수준의 상보성을 형성한다.
• Argonaute 단백질과 결합하여 작용한다.
• 표적 mRNA의 절단 및 분해를 유도할 수 있다.
• 유전자 기능 분석과 RNA 치료제 개발에 활용된다.

siRNA는 특정 유전자의 발현을 선택적으로 감소시키는 유전자 녹다운(Gene knockdown) 실험에 널리 사용된다.

3.2 miRNA(MicroRNA)

miRNA는 세포의 유전체에 암호화된 유전자로부터 생성되는 짧은 비암호화 RNA이다.

동물세포에서 성숙한 miRNA는 일반적으로 약 22개의 뉴클레오타이드로 구성된다.

miRNA의 주요 특징은 다음과 같다.

• 유전체에 존재하는 miRNA 유전자로부터 전사된다.
• 줄기-고리(Stem-loop) 형태의 전구체를 거쳐 생성된다.
• Drosha와 Dicer 등의 효소가 생성 과정에 관여한다.
• Argonaute 단백질과 결합하여 표적 mRNA를 인식한다.
• 동물세포에서는 표적 mRNA와 불완전한 상보성을 형성하는 경우가 많다.
• mRNA의 불안정화와 번역 억제를 통해 유전자 발현을 조절한다.

하나의 miRNA는 여러 종류의 mRNA를 조절할 수 있으며, 하나의 mRNA 역시 여러 miRNA의 조절을 받을 수 있다.

4. RNA 간섭에 관여하는 주요 효소와 단백질

4.1 Dicer

Dicer는 RNase III 계열에 속하는 RNA 절단 효소이다.

Dicer는 긴 이중가닥 RNA 또는 pre-miRNA를 인식하여 짧은 이중가닥 RNA로 절단한다.

주요 기능은 다음과 같다.

• 이중가닥 RNA 절단
• pre-miRNA의 성숙 과정에 관여
• siRNA 및 miRNA 이중가닥 생성
• RNA 간섭에 필요한 짧은 RNA의 형성

Dicer가 생성하는 RNA 이중가닥에는 일반적으로 3′ 말단에 약 2개의 뉴클레오타이드가 돌출된 구조가 존재한다.

이러한 구조는 RNA 간섭 관련 단백질이 짧은 RNA를 인식하는 데 중요하다.

4.2 Drosha

Drosha는 RNase III 계열의 RNA 절단 효소로, 동물세포의 핵에서 miRNA 생성에 관여한다.

Drosha는 DGCR8과 함께 Microprocessor 복합체를 형성한다.

이 복합체는 긴 pri-miRNA(Primary miRNA)를 절단하여 줄기-고리 구조의 pre-miRNA(Precursor miRNA)를 생성한다.

Drosha는 대표적인 miRNA 생성 경로에 관여하지만, 일반적인 siRNA 생성 과정에 반드시 필요한 효소는 아니다.

4.3 DGCR8

DGCR8은 RNA 결합 단백질로, Drosha가 pri-miRNA의 적절한 위치를 인식하고 절단하도록 돕는다.

DGCR8은 pri-miRNA의 구조적 특징을 인식하여 Microprocessor 복합체의 기질 선택에 관여한다.

4.4 Argonaute

Argonaute(AGO)는 짧은 RNA와 결합하여 표적 RNA를 인식하는 핵심 단백질이다.

Argonaute는 RNA-induced silencing complex(RISC)의 중심 구성 요소이다.

사람에게는 AGO1, AGO2, AGO3, AGO4가 존재한다.

이 중 AGO2는 대표적으로 표적 RNA를 직접 절단하는 Slicer 활성을 가진다.

Argonaute 단백질은 짧은 RNA의 염기서열 정보를 이용하여 표적 RNA를 인식하고 유전자 발현 억제를 유도한다.

4.5 RISC

RISC(RNA-induced silencing complex)는 짧은 RNA를 이용하여 표적 RNA의 발현을 억제하는 기능성 복합체이다.

RISC의 핵심 구성 요소는 Argonaute 단백질과 가이드 RNA(Guide RNA)이다.

RISC는 가이드 RNA의 염기서열을 이용하여 표적 mRNA를 인식한다.

이후 표적 RNA의 절단, 불안정화 또는 번역 억제 등의 반응을 유도한다.

5. siRNA의 생성 과정

siRNA는 이중가닥 RNA를 기질로 하여 생성될 수 있다.

대표적인 siRNA 생성 과정은 다음과 같다.

5.1 1단계: 이중가닥 RNA의 형성

세포 내에 긴 이중가닥 RNA가 존재하거나 외부에서 이중가닥 RNA가 유입된다.

이중가닥 RNA는 바이러스 감염, 유전체 내 반복 서열의 전사 또는 실험적인 RNA 도입 등에 의해 형성될 수 있다.

다만 포유류의 일반적인 체세포에서는 긴 이중가닥 RNA가 인터페론 반응과 같은 선천면역 반응을 유도할 수 있다.

따라서 실험이나 치료 목적으로는 짧게 합성된 siRNA를 직접 사용하는 경우가 많다.

5.2 2단계: Dicer에 의한 절단

Dicer가 이중가닥 RNA를 인식하고 절단한다.

그 결과 약 21~23 nt 길이의 짧은 이중가닥 RNA가 생성된다.

5.3 3단계: Argonaute로의 적재

생성된 siRNA 이중가닥은 Argonaute 단백질에 적재된다.

이 과정에서 두 RNA 가닥 중 하나가 가이드 가닥으로 선택된다.

5.4 4단계: Passenger strand 제거

siRNA의 두 가닥 중 표적 인식에 사용되지 않는 가닥을 Passenger strand라고 한다.

Passenger strand는 절단되거나 다른 방식으로 제거된다.

그 결과 Argonaute에는 주로 하나의 가이드 RNA가 남는다.

5.5 5단계: 활성 RISC 형성

가이드 RNA와 Argonaute가 결합한 복합체는 표적 RNA를 인식할 수 있는 활성 RISC로 작용한다.

이후 가이드 RNA와 상보적인 염기서열을 가진 표적 RNA를 탐색한다.

6. siRNA에 의한 유전자 발현 억제 기작

siRNA는 일반적으로 표적 mRNA와 높은 수준의 상보성을 형성하여 작용한다.

6.1 1단계: 표적 mRNA 인식

활성 RISC의 가이드 siRNA가 표적 mRNA의 상보적인 염기서열을 인식한다.

RNA 염기 사이에는 A-U, G-C 등의 상보적인 염기쌍이 형성된다.

6.2 2단계: Argonaute의 절단 활성

표적 RNA와 충분한 상보성이 형성되면 AGO2가 표적 RNA를 절단할 수 있다.

전형적인 AGO2 절단 반응은 가이드 RNA의 5′ 말단을 기준으로 10번째와 11번째 뉴클레오타이드에 대응하는 표적 RNA 위치 사이에서 일어난다.

6.3 3단계: mRNA 분해

절단된 mRNA는 세포 내 RNA 분해 효소에 의해 추가적으로 분해된다.

그 결과 해당 mRNA의 양이 감소한다.

6.4 4단계: 단백질 합성 감소

표적 mRNA가 감소하면 리보솜이 해당 mRNA를 이용하여 단백질을 합성할 기회가 줄어든다.

따라서 해당 유전자의 단백질 발현량이 감소한다.

이러한 과정을 RNA 간섭에 의한 유전자 녹다운이라고 한다.

다만 siRNA의 효과는 표적 서열, 세포 종류, RNA 전달 효율 및 표적 mRNA의 안정성 등에 따라 달라질 수 있다.

7. miRNA의 생성 과정

동물세포에서 miRNA는 일반적으로 핵에서 전사된 뒤 여러 단계의 RNA 가공 과정을 거쳐 생성된다.

7.1 1단계: miRNA 유전자의 전사

miRNA 유전자는 주로 RNA 중합효소 II에 의해 전사된다.

그 결과 pri-miRNA라는 긴 RNA 전구체가 생성된다.

pri-miRNA에는 줄기-고리 구조를 형성할 수 있는 염기서열이 포함되어 있다.

7.2 2단계: Drosha-DGCR8 복합체의 절단

핵에서 Drosha와 DGCR8로 구성된 Microprocessor 복합체가 pri-miRNA를 인식한다.

Drosha는 pri-miRNA의 특정 위치를 절단하여 약 60~70 nt 정도의 줄기-고리 구조를 가진 pre-miRNA를 생성한다.

7.3 3단계: Exportin-5에 의한 핵외 수송

pre-miRNA는 Exportin-5와 Ran-GTP 의존성 수송 기작을 통해 핵에서 세포질로 이동한다.

Exportin-5는 pre-miRNA의 구조를 인식하여 핵공 복합체를 통한 수송을 돕는다.

7.4 4단계: Dicer에 의한 절단

세포질로 이동한 pre-miRNA는 Dicer에 의해 절단된다.

Dicer는 줄기-고리 구조의 일부를 제거하여 약 22 nt 길이의 miRNA 이중가닥을 생성한다.

7.5 5단계: Argonaute 적재

miRNA 이중가닥은 Argonaute 단백질에 적재된다.

이후 한 가닥이 주로 가이드 RNA로 선택되고 다른 가닥은 제거된다.

다만 miRNA의 5p 가닥과 3p 가닥이 모두 기능성 miRNA로 작용하는 경우도 있다.

7.6 6단계: miRISC 형성

성숙한 miRNA가 Argonaute와 결합하여 miRNA 유도 침묵 복합체(miRISC)를 형성한다.

miRISC는 표적 mRNA를 인식하여 유전자 발현을 억제한다.

일부 miRNA는 Drosha 또는 Dicer를 거치지 않는 비정형 생성 경로를 이용할 수도 있다.

8. miRNA에 의한 유전자 발현 억제 기작

동물세포에서 miRNA는 주로 표적 mRNA와 부분적인 상보성을 형성하여 유전자 발현을 억제한다.

8.1 Seed sequence의 역할

miRNA의 표적 인식에서 중요한 영역은 Seed sequence이다.

Seed sequence는 일반적으로 성숙한 miRNA의 5′ 말단에서 2~8번째 뉴클레오타이드에 해당한다.

이 영역은 표적 mRNA와의 상보적인 결합에 중요한 역할을 한다.

동물세포의 miRNA는 표적 mRNA의 3′ 비번역 영역(3′ UTR)에 결합하는 경우가 많다.

그러나 일부 miRNA는 코딩 영역이나 5′ UTR에 결합하여 작용하기도 한다.

8.2 번역 억제

miRNA가 표적 mRNA에 결합하면 리보솜에 의한 단백질 합성이 억제될 수 있다.

이 과정에는 번역 개시와 관련된 단계의 억제 등이 관여할 수 있다.

그 결과 mRNA가 존재하더라도 단백질 합성량이 감소할 수 있다.

8.3 Poly(A) 꼬리 단축

miRISC는 TNRC6/GW182와 같은 단백질을 통해 CCR4-NOT 복합체 등의 RNA 분해 관련 인자를 모집할 수 있다.

이러한 복합체는 mRNA의 Poly(A) 꼬리를 짧게 만드는 탈아데닐화(Deadenylation)를 촉진한다.

Poly(A) 꼬리가 짧아지면 mRNA의 안정성이 감소할 수 있다.

8.4 5′ Cap 제거

Poly(A) 꼬리 단축 이후에는 mRNA의 5′ Cap 구조를 제거하는 탈캡핑(Decapping)이 촉진될 수 있다.

이 과정에는 DCP1, DCP2 등의 단백질이 관여한다.

5′ Cap이 제거된 mRNA는 XRN1과 같은 5′→3′ 방향의 RNA 분해 효소에 의해 분해될 수 있다.

8.5 mRNA 양의 감소

miRNA에 의한 유전자 발현 억제는 번역 억제뿐 아니라 mRNA 자체의 감소를 통해서도 나타난다.

특히 많은 동물세포에서 miRNA의 장기적인 발현 억제 효과는 표적 mRNA의 불안정화와 분해에 의해 상당 부분 설명된다.

따라서 miRNA를 단순히 번역만 억제하는 RNA로 이해하는 것은 정확하지 않다.

9. siRNA와 miRNA의 차이

구분	siRNA	miRNA
주요 기원	이중가닥 RNA	miRNA 유전자
길이	주로 21~23 nt	주로 약 22 nt
대표 전구체	긴 dsRNA	pri-miRNA, pre-miRNA
Drosha 관여	일반적으로 불필요	정형 경로에서 필요
Dicer 관여	대표적 생성 경로에서 필요	정형 경로에서 필요
표적 상보성	대체로 높음	동물에서 부분 상보성 흔함
주요 작용	mRNA 절단 및 분해	mRNA 불안정화, 번역 억제
주요 기능	유전자 침묵, 방어 및 실험적 녹다운	내인성 유전자 발현 조절

두 RNA의 차이는 절대적인 것은 아니다.

일부 miRNA는 높은 상보성을 가진 표적 RNA를 직접 절단할 수 있으며, siRNA 역시 결합 양상에 따라 miRNA와 유사한 발현 억제 효과를 나타낼 수 있다.

10. RNA 간섭에서 RISC의 작용 기작

RISC는 RNA 간섭의 중심적인 기능성 복합체이다.

10.1 가이드 RNA 선택

Argonaute에 적재된 짧은 RNA 이중가닥에서 하나의 가닥이 가이드 RNA로 선택된다.

가이드 가닥의 선택에는 RNA 이중가닥 양쪽 말단의 열역학적 안정성, 염기서열 및 Argonaute와의 상호작용 등이 영향을 준다.

10.2 표적 RNA 탐색

가이드 RNA는 상보적인 염기서열을 가진 표적 RNA를 인식한다.

특히 가이드 RNA의 Seed 영역은 초기 표적 인식에 중요한 역할을 한다.

10.3 표적 RNA의 억제

표적 RNA와의 상보성 및 Argonaute의 종류에 따라 RNA 절단, 번역 억제 또는 mRNA 불안정화가 유도될 수 있다.

10.4 RISC의 재사용

표적 RNA가 절단되거나 방출된 후에도 가이드 RNA와 Argonaute 복합체가 유지되면 다른 표적 RNA에 다시 작용할 수 있다.

따라서 하나의 활성 RISC가 여러 표적 RNA의 발현 억제에 관여할 수 있다.

11. RNA 간섭과 유전자 발현 조절의 생물학적 의의

11.1 세포 분화 조절

miRNA는 세포의 종류에 따라 특정 유전자의 발현을 조절하여 세포 분화에 기여한다.

예를 들어 근육세포, 신경세포 및 면역세포에서는 서로 다른 miRNA 발현 양상이 나타날 수 있다.

이러한 차이는 세포의 기능과 정체성을 유지하는 데 중요하다.

11.2 발생 과정의 조절

miRNA는 발생 과정에서 특정 단백질의 발현 시기와 양을 조절한다.

일부 miRNA는 발생 단계의 전환과 세포 운명 결정에 관여한다.

11.3 바이러스 방어

식물과 여러 무척추동물에서는 바이러스 유래 이중가닥 RNA가 siRNA 생성의 기질로 이용될 수 있다.

이렇게 생성된 siRNA는 바이러스 RNA를 인식하고 분해하여 바이러스 증식을 억제한다.

반면 포유류의 일반적인 체세포에서는 인터페론을 중심으로 하는 선천면역 반응이 중요한 항바이러스 방어 기작으로 작용한다.

11.4 전이인자 억제

일부 생물에서는 RNA 간섭 관련 기작이 전이인자의 RNA를 억제하여 유전체 안정성 유지에 기여한다.

다만 동물의 생식세포에서 중요한 piRNA 경로는 일반적인 Dicer 의존성 siRNA·miRNA 경로와 구분된다.

12. RNA 간섭과 유전자 녹다운 실험

RNA 간섭은 특정 유전자의 기능을 분석하는 데 널리 사용된다.

연구자는 특정 mRNA와 상보적인 siRNA를 설계하여 세포에 도입할 수 있다.

이후 표적 유전자의 mRNA 또는 단백질 발현량이 감소하는지 확인한다.

12.1 유전자 녹다운

유전자 녹다운은 특정 유전자의 발현량을 감소시키는 것을 의미한다.

RNA 간섭은 유전자 녹다운을 유도하는 대표적인 방법이다.

12.2 유전자 녹아웃과의 차이

유전자 녹아웃(Gene knockout)은 일반적으로 유전자의 기능을 상실시키는 유전적 변화를 의미한다.

반면 RNA 간섭은 대체로 DNA 염기서열을 직접 변경하지 않고 RNA 수준에서 발현을 억제한다.

따라서 RNA 간섭에 의한 녹다운은 불완전하거나 일시적일 수 있다.

12.3 실험적 한계

RNA 간섭 실험에서는 다음과 같은 문제를 고려해야 한다.

• siRNA의 세포 내 전달 효율
• 표적 유전자의 녹다운 정도
• 비표적 효과(Off-target effect)
• 세포의 선천면역 반응
• RNA의 안정성
• 실험 조건에 따른 결과의 차이

특히 siRNA의 Seed 영역이 의도하지 않은 mRNA와 결합하면 비표적 유전자 발현이 감소할 수 있다.

따라서 유전자 기능을 정확하게 분석하기 위해서는 적절한 대조군과 여러 종류의 siRNA를 이용한 검증이 중요하다.

13. RNA 간섭과 의학적 활용

RNA 간섭은 특정 질환 관련 유전자의 발현을 억제할 수 있다는 점에서 치료 기술로도 연구되고 있다.

특히 siRNA 기반 치료제는 질환에 관여하는 특정 mRNA를 표적으로 하여 단백질 합성을 감소시키는 방식으로 작용한다.

13.1 siRNA 치료제

대표적인 siRNA 기반 치료제에는 파티시란(Patisiran), 기보시란(Givosiran), 인클리시란(Inclisiran) 등이 있다.

이들 약물은 서로 다른 표적 mRNA를 억제하여 특정 질환의 치료에 사용된다.

13.2 RNA 전달 기술

RNA는 세포 밖에서 분해되기 쉽고 세포막을 통과하기 어렵다.

따라서 치료용 siRNA를 표적 세포에 효과적으로 전달하기 위한 기술이 중요하다.

대표적인 전달 기술에는 다음과 같은 것들이 있다.

• 지질나노입자(Lipid nanoparticle, LNP)
• GalNAc 결합을 이용한 간세포 표적 전달
• RNA의 화학적 변형을 통한 안정성 향상

13.3 RNA 치료의 한계

RNA 간섭 기반 치료는 표적 유전자 발현을 선택적으로 억제할 수 있지만, 모든 조직과 질환에 동일하게 적용할 수 있는 것은 아니다.

특히 조직 특이적 전달, 비표적 효과, 면역 반응 및 장기적인 안전성은 중요한 고려 사항이다.

따라서 RNA 간섭 치료 기술은 표적 유전자의 생물학적 기능과 RNA 전달 방식에 대한 이해를 바탕으로 개발되어야 한다.

14. RNA 간섭과 CRISPR-Cas9의 차이

RNA 간섭과 CRISPR-Cas9은 모두 특정 유전자의 기능을 연구하는 데 활용되지만 작용 대상과 원리가 다르다.

구분	RNA 간섭	CRISPR-Cas9
주요 표적	RNA	DNA
핵심 요소	siRNA, miRNA, Argonaute	가이드 RNA, Cas9
작용 원리	RNA 분해 및 번역 억제	DNA 절단 및 유전체 편집
DNA 서열 변화	일반적으로 없음	발생할 수 있음
대표 목적	유전자 녹다운	유전자 녹아웃 및 편집
효과 지속성	조건에 따라 일시적 또는 지속적	유전체 편집 시 장기적일 수 있음

RNA 간섭은 주로 유전자의 발현량을 조절하는 기술이며, CRISPR-Cas9은 DNA 염기서열 자체를 변화시킬 수 있는 유전체 편집 기술이다.

15. 결론

RNA 간섭(RNAi)은 짧은 비암호화 RNA를 이용하여 특정 RNA의 발현을 억제하는 중요한 분자생물학적 조절 기작이다.

siRNA와 miRNA는 모두 Argonaute 단백질과 결합하여 표적 RNA를 인식하지만, 생성 과정과 표적 상보성 및 대표적인 작용 방식에 차이가 있다.

siRNA는 주로 이중가닥 RNA에서 유래하며, 높은 상보성을 가진 표적 mRNA의 절단과 분해를 유도할 수 있다.

반면 miRNA는 일반적으로 pri-miRNA와 pre-miRNA를 거쳐 생성되며, 표적 mRNA의 불안정화와 번역 억제를 통해 유전자 발현을 조절한다.

이러한 과정에는 Drosha, DGCR8, Dicer, Argonaute 및 RISC와 같은 단백질과 복합체가 관여한다.

RNA 간섭은 세포 분화, 발생, 유전체 안정성 및 일부 생물의 항바이러스 방어에 중요한 역할을 한다.

또한 특정 유전자의 발현을 선택적으로 감소시킬 수 있다는 특징 때문에 유전자 기능 분석과 RNA 기반 치료제 개발에도 활용되고 있다.

결국 RNA 간섭은 DNA 염기서열의 직접적인 변화 없이 RNA 수준에서 유전자 발현을 정밀하게 조절하는 핵심적인 분자생물학적 기작이라고 할 수 있다.

16. 참고문헌(References)

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