Neoways의 막나가는 분자생물학 :: 살아있는 세포의 RNA를 실시간으로 관찰하는데 성공

생체 내에서 일어나고 있는 생명 현상을 정확하게 이해하기 위해 형광 단백질을 이용한 형광 표지 기술이 진보하고 있다. 세포에 형광 단백질 자체를 도입하거나 형광 단백질을 발현하는 유전자를 DNA에 도입하여, 암 등의 질병이나 뇌신경의 활동을 확인함으로써 병의 치료나 예방 등 임상 현장에도 성과를 가져오기 시작했다. 그러나, 생명의 설계도로 기능하는 DNA나 생명 현상에 대해 중요한 역할을 담당하는 RNA의 기능을 직접 관찰하는 것은 아직도 실현되지 못한 큰 과제가 되고 있다.

이에, 일본 이화학연구소 기간 연구소 오카모토 독립 주간 연구단(基幹?究所岡本?立主幹?究ユニット)은 특정 배열을 가지는 핵산(DNA나 RNA)을 인식하고 결합했을 경우에 한해, 형광을 발하는 인공 핵산을 개발해, 살아있는 세포 안에서의 RNA의 행동을 실시간으로 관찰하는 것에 성공했다.

세포 기능을 알기 위해서, 지금까지 수많은 형광 단백질이 개발되어 왔다. 이러한 형광 단백질은 관찰하고 싶은 세포 내 분자와 융합해, 그 분자가 산 세포 내에서의 거동을 형광 신호로서 나타내는 것으로, 세포내의 다양한 생명 현상의 해명에 공헌해 왔다. 그러나, 분자 사이즈가 작은 RNA를 형광 단백질로 형광 표지 하는 것은 어려운 일이었다. 연구팀은 여기자 상호작용(?起子相互作用)이라고 하는 색소 회합체 특유의 기능을 가지고 있는 유기 형광 분자에 주목하고, 그 기능을 가지는 인공 핵산을 제작했다. 이 인공 핵산은 표적으로 하는 RNA 등의 핵산을 인식하고 결합했을 경우 형광을 발해, 단일 사슬 DNA나 mRNA 뿐만 아니라, 약 20개의 염기로 이루어진 마이크로 RNA의 형광 검출도 가능하다.
인공 핵산은 결합이 이루어지지 않으면 형광이 사라지기 때문에, 형광의 on/off 를 자유자재로 제어할 수 있다. 또한, 표적으로 하는 핵산 배열을 자유롭게 선택해 인공 핵산을 설계, 제작할 수 있기에, 복수의 형광색 활용이 가능하기 때문에, 복수의 핵산의 움직임을 동시에 관찰할 수 있다. 연구팀은 12색의 형광 색소를 도입하여 청색에서 적색에 이르는 12 종류의 인공 핵산을 제작해, 사람 자궁경부암 유래의 배양 세포 안에 있는 RNA의 움직임을 실시간 관찰하는 것에 성공했으며, 초록이나 노랑, 빨강 등의 형광을 발하는 복수의 형광 분자를 사용해, 복수의 RNA를 동시에 관찰할 수 있었다.

이 연구 성과는 시험관 내에서의 핵산의 해석에 유용할 뿐만이 아니라, 세포의 분화 등 세포 기능을 결정하는 역할을 가진다고 여겨지는 RNA의 움직임을 살아있는 세포를 사용해 관찰할 수가 있기 때문에, 폭넓은 분야에의 파급효과가 기대된다.

본 연구의 성과는 독일의 과학 잡지인 「Angewandte Chemie International Edition」온라인판(7월 22일자)에 게재된다.

※ 여기자상호작용(?起子相互作用)
몇 개의 형광 색소로 복수의 분자가 집합해 평행형 회합체(H 회합체)를 형성하면 작은 빛을 나타내는 현상. 이것은, 색소의 쌍극자의 배향에 근거하는 여기 궤도의 분열에 기인한다. H 회합체의 경우, 분열한 여기 궤도 중 상위가 허용 천이, 하위가 금제 천이가 된다. 색소는 상위 궤도에의 보고 여기(?起)되므로, 흡수스펙트럼의 단파장 이동이 관찰된다. 그 여기 상 태는 에너지적으로 안정인 하위 궤도에 신속하게 천이한 후, 거기로부터 기저 상태에 돌아 온다. 그러나, 그 과정은 형광을 수반하지 않는 방열계(放熱系)이므로, 형광 발광은 생기지 않는다.

※ 그림 1)　표적 핵산과 결합하면 형광을 발하는 인공 핵산
그림 4)　세포 내 RNA의 멀티 칼라 라이브 셀 이메징
(a) 세포에 인공적으로 도입한 3 종류의 마이크로 RNA.
(b) 혼합 용액으로서 세포에 현미경하주사법 한, 다른 표적을 인식하는 3 종류의 형광 인공 핵산.
(c)(a)의 마이크로 RNA를 도입한 각 세포의 핵에, (b)의 3 종류의 인공 핵산을 현미경하주사법 했다. 무슨 색의 형광을 발하고 있을까를 보고 헤아리는 것에 의해, 그 세포가 가지는 마이크로 RNA의 종류를 식별할 수가 있다. (i) 컨트롤의 세포, (ii) miR-20을 많이 포함한 세포, (iii) miR-17을 많이 포함한 세포, (iv) miR-30을 많이 포함한 세포, (v) miR-17, 20,30의 3 종류 모든 것을 많이 포함한 세포.

http://www.riken.jp/r-world/info/release/press/2009/090722/index.html

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