리보솜은 유전자 정보를 인간의 삶에 필수적인 기능성 단백질로 번역하는 데 도움이 되는 세포다. RNA와 단백질로 이루어진 복합체로서 세포질 속에서 단백질을 합성하는 역할을 한다. 리보솜의 2/3은 RNA, 나머지는 50개에 이르는 리보솜 단백질이다. 일본 도쿄공업대학 및 교토산업대학 연구진이 리보솜이 단백질을 합성하는 동안 단백질이 리보솜의 구조를 불안정하게 만들어 단백질 합성 과정을 조기에 방해할 수 있다는 것을 증명했다.

단백질은 생명체에 필수적인 기능성 분자로 아미노산 사슬로 구성된다. 이런 아미노산 배열은 DNA 염기 서열의 코드화 형태로 기록된다. 리보솜은 DNA에 포함된 아미노산을 유형에 따라 중합하며 모든 사슬이 중합되면 프로세스가 멈추고 사슬은 스스로를 리보솜에서 제거한다.

리보솜이 유전 정보를 기능성 단백질로 변환시키는 과정을 번역이라고 한다. 모든 생물체의 모든 단백질은 이 과정을 통해 생산된다. 최근 연구에 따르면 이 과정은 일정한 속도로 진행되는 것이 아니다. 일부 사슬은 아미노산 사슬 코딩 데이터에 의존하고 리보솜 자체에 작용해 번역 과정이 느려지기 때문에 각 프로세스의 속도가 다르다는 것은 명백하다.

단백질 합성에 관련된 2단계 과정

연구 도중 대장균 번역 시스템(운반 RNA의 결합 부위 중 하나)이 없는 재구성된 세포가 10 시퀀스 산성 아미노산 사슬을 단백질로 번역할 때 번역 과정이 완료되기 전 중지됐다. 이런 사슬 반응은 리보솜을 작은 하부 단위로 나누었다. 연구진은 이 결과가 리보솜이 번역 과정을 담당하는 것이 아니라는 사실을 보여준다고 말했다. 이것이 인체에 위험한 일로 보일 수도 있지만, 살아있는 생명체는 초기 사슬의 번역이 리보솜 구조에 미치는 영향에 대응하는 메커니즘을 발견했다.

연구진은 리보솜의 자기 합성을 방해하는 이 메커니즘을 소유하지 않은 대장균 돌연변이체를 가지고 실험을 진행했다. 그 결과 다른 것과 비교했을 때 돌연변이체의 단백질 양이 다양하다는 것을 발견했다. 마그네슘 이온을 세포로 전환하는 단백질 멤브레인 MgtA는 10배 이상 발현됐으며 MgtA의 발현을 조절하는 유전자 mgtl은 불안정화를 막는 메커니즘을 보였다.

메커니즘이 활성화되기 위해서는 리보솜이 초기 사슬을 인식해야 한다. 주요 초기 사슬로는 TnaC가 있다. 이것은 대장균의 트립토판분해효소 단계에서 발견되는 펩티드다. 이것의 양이 많아지면 TnaC는 번역 과정을 지연시키고 이렇게 지연된 과정에서 매우 복잡한 유전 조절 시스템을 통해 mgtl과 같은 트립토판을 분해하는 유전 물질이 형성된다.

리보솜은 L22의 Arg92에 의해 양이온-pi 상호 작용을 통해 잔기 Trp12를 인식함으로써 TnaC의 존재를 검출한다. 인식 후에는 인체에 실제로 필요한 MgtA와 같은 유전자의 발현을 유도한다. mgtl의 번역이 종료되면 MgtA의 합성이 활성화되고 세포의 마그네슘 이온 수준이 증가한다. 따라서 번역 과정은 세포의 마그네슘 농도가 낮을 때에만 중단된다. 말하자면 리보솜의 실패라고 여겨졌던 것이 실제로는 세포의 알려지지 않은 안정화 시스템이었던 셈이다.

이 연구는 아미노산이 단백질의 3차원 구조의 유전 데이터뿐만 아니라 동일한 아미노산을 합성하는 구조의 안정화 메커니즘을 포함하고 있음을 밝혀냈다. 따라서 번역 과정의 완료나 중단 여부는 아미노산 사슬을 구성하는 아미노산 종류에 따라 결정된다.

단백질 합성의 중요성

단백질은 수명이 매우 짧기 때문에 인간은 균형 잡힌 식단으로 단백질을 섭취하거나 체내에서 끊임없이 단백질을 합성해야 한다. 단백질 합성은 세포 분열, 신진대사, 분자 수송, DNA 복제 등에 중요한 역할을 한다.

이 연구 결과는 유전자 암호화 및 해독 과정, 기본적인 생체 메커니즘을 이해하는 과정을 쉽게 만든다. 과거에는 이런 번역 과정이 중요한 것으로 간주되지 않았다. 하지만 이 연구 결과는 번역이 매우 중요한 유전자 발현을 유도한다는 것을 보여준다. 이 연구 결과는 향후 다양한 의약품에 사용될 인공 단백질 제조 및 기타 의약학 분야 발전을 위한 연구에 적용될 수 있다.

[메디컬리포트=강민경 기자]