lncRNA와 Pseudogene.

lncRNA와 Pseudogene.

이번주 Nanture online에 publish된 재미있는 논문 2개.

Peoples

2개중에서 하나는, Eric Lander 랩에서 나왔다. Eric Lander님은 현 Broad Institute of MIT and Harvard 의 director. 대학교때, MIT 에서 공짜로 오픈해준 “Introduction to Biology (open course)” 강의에서 genetics 파트를 강의해 주셨었는데.. 재미있게 해주셨던 기억이 있음. 덩치도 크고 콧수염도 나고… ㅋㅋ 그래서 그런지 그냥 동네 아저씨 같은 느낌이 있었는데.. 알고보니 엄청난 대가였음.

Eric Lander President and Director, Broad Institute of MIT and Harvard

Eric Lander President and Director, Broad Institute of MIT and Harvard

그것보다 논문의 1저자인 Jesse M. Engreitz 보고.. ㅎㄷㄷ. 현재 Eric. Lander 밑에 있는 포닥님이신데, Cell, Science, Nature  (CNS) 모두 달성하셨음. 심지어 2016년에 Eric. Lander 님과 책임저자로 Science에 논문도 내셨…어…헐..! 넓게는 gene regulation에 관련된 연구를 하고 있는 것을 보임. 당장 feedly에 추가해야겠다..근데 얼굴도 잘생겼어..으아.. 나중에 어디 교수님으로 가실랑가.

Jesse Engreitz

Jesse Engreitz

Papers

  • “Pseudogene 이 제대로 된 단백질을 만들어 낼수도 있어..”: Olfactory receptor pseudo-pseudogenes. Lucia L. Prieto-Godino, Raphael Rytz, Benoîte Bargeton, Liliane Abuin, J. Roman Arguello, Matteo Dal Peraro & Richard Benton. [Link]
    • Pseudo라는 말은 가짜라는 뜻. 그러므로 pseudogene은 짝퉁 유전자. 짝퉁 유전자는 우리가 기존에 가지고 있던 유전자에 nonsense 돌연변이 혹은 frameshift 돌연변이가 축적(?)이 되면서 제대로 된 기능을 가진 단백질을 만들어내지 못하는 유전자. 그냥 보통 junk라고 생각함.  Premature termination codon (PTC) 라고 해서, 이 돌연변이가 생기면 “단백질 그만 만들래?”라는 signal을 주게 되고,  결국 그 단백질은 … 중간에 다 안만들어지고.. 삐꾸가 나옴..
    • 하지만 초파리의 어떤 특정 신경세포 (olfactory sensory neuron)에서만! 기능적인 단백질이 만들어지고 특정 odour에 대한 기능을 가질수 있게 한다는 것을 발견함.. ㅎㄷㄷ.. 한마디로 특정 신경세포에서만 PTC signal 무시하고 올바른(?) 단백질을 만들어 냄. 그리고 기존과는 조금 다르게 특정 odour에 대한 기능을 부여한다고…
    • 감상: WES 분석을 통해 발견한 돌연변이는 보통 우리 몸 어디에나 존재하는 돌연변이인데, 왜 그 돌연변이들은 특정 phenotype만 만들어 낼까? 라는 질문이 있었다. 뭐 당연히.. “돌연변이가 있는 그 유전자가 만들어내는 단백질이 특정 tissue에서만 발현이 되겠지..” 라고 생각해 볼수도 있겠지만, 이 논문에 나온 것처럼 특정 tissue에서는 그 돌연변이를 무시하고 function 이 있는 단백질을 만든다는 것을 보면. 뭔가 우리가 모르는 매커니즘이 있는 것 같음. 신기방기한 재미있는 논문.

 

  • “Long non-coding RNA (lncRNA)가 가깝게 위치한 주변 유전자의 transcription에 주는 영향”: Local regulation of gene expression by lncRNA promoters, transcription and splicing. Jesse M. Engreitz, Jenna E. Haines, Elizabeth M. Perez, Glen Munson, Jenny Chen, Michael Kane, Patrick E. McDonel, Mitchell Guttman & Eric S. Lander. [Link]
    • 어떤 lncRNA promerter 를 지워봄 -> 이상하게도 가까이 있던 다른 유전자의 발현이 안돼.. (당연히 lncRNA 자체도 발현이 안됨) -> 그래서 promoter는 살려두고 lncRNA만 지워봄 -> 옆에 있던 다른 유전자의 발현이 잘됨. -> 이 Promoter는 기존에 알려진 enhancer 마커는 없었음. -> 아마도 이 promoter가 다른 유전자의 enhancer와 같은 역할을 할것으로 생각됨. 아니 기대됨. 아니 아직 몰라.
    • 감상: 읽을때는 짱잼. 꿀잼이었는데, 논문이 12개 loci lncRNA만 테스트 하고 있다. 부족해도 많이 부족하지 않나..? 그래도 Eric. Lander 님이니까.

 

DWORF, 나도 단백질을 만들 줄 안다.

DWORF, 나도 단백질을 만들줄 안다.

오늘 Science에 UT Southwestern Medical center에 계시는 Eric N.Olson 그룹에서 논문이 나왔습니다. 논문을 읽고 제가 진행하고 있는 확장성 심근병증 (Dilated cardiomyopathy; DCMP) 프로젝트 공부에도 도움이 될 수 있는 좋은 논문 인 것 같아 리뷰 작성ㅎ

Peoples

Olson 교수님은 DCMP 프로젝트를 공부하면서 알게 되었는데, muscle cell 분야에서는 엄청난 Big guy 이셨습니다. 무엇보다 olson lab hompage에 들어갔다가 발견한 연구실 20년 reunion 사진이 그것을 증명하고 있었죠.  저많은 사람들이 저를 보면서 레이저를 쏘고 있는데.. 잊을수가 있나.

Olson Lab에서는 아래와 같이 muscle cell과 연관된 다양한 연구가 진행되고 있었는데,

  • Discovery and analysis of biologically active micropeptides.
  • Gene discovery  (cardiac and muscle specific genes of unknown function).
  • Studies of stem cells and tissue regeneration.
  • Genetic regulators of heart development.
  • Molecular control of skeletal muscle disease.
  • Metabolic signaling from muscle.

오늘 science에 나온 논문은 첫번째와 두번째에 해당하는 것 같습니다. 특히 지금까지 전혀 알려지지 않았던 작은 peptide를 발견하였고. 그에 대한 역할을 몇몇 실험을 통해 증명해 보였습니다. 여기서도 가장 마지막에는 CRISPR-Cas9 system을 이용해 in vivo model에서 기능을 증명하는데.. CRISPR로 mouse를 만드는 것이 점점 보편화(?) 되어지는 생각이 들었습니다. 아..펭~장형님.생각나네.

Introduction

Gene discovery 부분을 요약해 보면,

  1. 모두가 알고 있듯이 근육 수축은 Ca2+ 이 중요하게 작용합니다. sarcoplasmic reticulum (SR; 근소포체)이라는 곳에서 release 되고 SERCA (sarco-endoplasmic reticulum Ca2+ adenosine triphosphatase) 라는 것에 의해 다시 SR 안으로 uptake 되어집니다.  이렇게 알려진 system에서 새롭게 작용하는 작은 단백질을 찾았습니다.
  2. ‘어떻게 찾았을까?’가 중요한데,  개인적으로는 이곳이 가장 흥미로운 부분이었습니다. 논문에 의하면 ‘현재까지 단백질을 만들지 않고 특별한 기능이 알려지지 않은 lncRNA (long non-coding RNA)도 아주 작은 단백질을 만들어 낼수도 있지 않을까 ?‘라는 생각을 했다고 합니다. 이 말은 곧, “RNA라고 다 RNA가 아니여..”ㅋㅋㅋ. 이것은 최근의 proteomics 분석에서 보면 현재까지 알려지지 않은 다양한 단백질도 잡힌다는 것이 알려졌으니. 뭐 그렇게 허무맹랑한 소리는 아닌 것 같습니다.
  3. 저는 ‘어떻게 저런 생각을 하지 ?’..라는 생각이 가장 먼저 들었습니다. (저같이 쩌리 박사생의 짧은 생각이라면) 만약 제가 기능이 알려지지 않는 non-coding RNA를 처음 접했다면, 저는 RNA 자체로서의 기능을 찾기에 집중했을 것 같습니다. 그것이 단백질을 만들어 낼수 있는가 없는가가 아니라, RNA 자체로서 어떤 다른 단백질들과  binding을 한다거나 혹은 다른 RNA에 binding을 해서 기능을 할 것이라 생각을 할 것 같은데.. non-coding RNA의 ‘non’을 무시해 버리고. coding으로 생각하는 것. 그만큼 저의 생각이 3글자 안에 갇힐수 있다는 것을 의미하겠죠..흐엉. 이것이 참 놀라웠습니다.
  4. 이런 저런 소리가 너무 길었지만. 이러한 자신의 가설을 증명하기위해, PhyloCSF 라는 것을 이용했다고 합니다. PhyloCSF 는 처음 들어보는 것이었는데, 살짝 찾아보니 어떠한 특정 nucleotide sequence가 단백질을 만들어 내는 sequence와 비슷한 것인가를 찾는 method 인것 같습니다. 공부해 놓으면 좋을듯.
  5. 그래서 찾은것이, 근육세포 특이적으로 발현되는 34 codon의 ORF (open reading frame)이었습니다. dwarf open reading frame (DWORF)라는 이름도 자신들이 지어 주었구요. DWORF는 chr3에서 3개의 exon에 의해 transcription 되어지고, 다양한 종에서도 보존이 되어 있다고 합니다. 이것은 곧, 어떠한 특별한 기능을 가지고 있음을 의미하는 것이겠죠.
  6. 그리고 이제 “DWORF의 작은 단백질이 과연 무슨 역할을 하는가?” 라는 것을 증명해 나갑니다.

Function of DWORF

지금까지 알려지지 않은 작은 단백질인 DWORF의 기능을 알아보기 위해, (특히 심장근육에서!)

  1. Nothern blot을 통해 심장-근육세포에서만 특이적으로 만들어지는 RNA라는 것을 증명.
  2. Western blot을 통해 심장-근육세포에서만 특이적으로 단백질도 만들어 낼수 있는 RNA라는 것을 증명.
  3. 그리고 “만약 심장-세포가 망가지는 상황에서 DWORF는 어떻게 되는가? “를 보기 위해 calcineurin transgene (TG) mouse를 사용. 이 TG mouse는 Hypertrophic 한 심장질병에서 결국 6개월 정도가 지나면 확장성 심장질환 (DCMP)로 발전하여 죽음에 이르게.. 만들어진 운명을 가지고 태어난 mouse.
  4. 이 불쌍한 mouse를 이용해 DWORF의 변화를 살펴봤는데, 정상에 비해DWORF RNA가 잘 만들어지지 않았고. 심장질환의 다른 모델인 ischemic 모델 (여긴 human sample) 에서도 낮아져 있음을 발견. 이것은 심장질환과도 DWORF가 직접적인 link를 가질 수 있다는 것을 시사함.
  5. 그럼 더 깊이 들어가서, 심장근육세포에서 DWORF는 주로 어떤 곳에 위치하고 있는가를 살펴보았더니, 앞서 말씀드린 SR의 SERCA와 함께 co-localization하고 있었고. Immunoprecipitation을 통해 다양한 SERCA의 isoform과도 coprecipitated 되고 있음을 증명.

자. 그럼 DWORF가 없어지면 우찌될까?

  1. CRISPR를 이용해 DWORF만 특이적으로 없어지는 불쌍한 mouse를 만들어냄.
  2. 여기서 의외의 상황 발생ㅋㅋㅋ DWORF를 없애고자 KO mouse를 만들었는데, 이상하게도 DWORF RNA가 정상에 비해 4배이상 올라감. 이사람들이 생각하기엔, 아마도 feedback 매커니즘을 통해 DWORF RNA가 망가지니 정상 DWORF의 발현을 enhance 시키는 것 같다고 말함..ㅋㅋ 뭐 어쨌든, KO 모델을 만들었는데 오히려 DWORF over-expression 되어지는 모델이 됨. 뭔겡?!
  3. 어쨌든 이 mouse의 심장근육세포의 생리학적인 모습을 살펴보니, SR에서 Ca2+ 이온을 reuptake 하는 속도가 엄청나게 빨라짐. 즉, 근육이 수축하기 위해 바깥쪽으로 방출되었던 Ca2+가 다시 근육세포 안으로 겁나 빠르게 다시 들어오고 있음을 발견.
  4. 이것은 결국 DWORF가 SERCA의 역할을 강화시켜주고 있는 것임을 발견.
  5. 그리고 DWORF-SERCA의 activity를 조절하는  브레이크 역할을 하는 단백질은 PLN이라는 것을 발견함.

Summary

  1. 당신이 생각하는 non-coding RNA가 coding RNA 일수도 있다.
  2. DWORF라는 놈은 SERCA가 Ca2+ 을 SR로 집어넣는 기능을 enhance 시켜준다.
  3. KO mouse를 만들어도 실제 in vivo model 에서는 over-expression 될수도 있다?!ㅋ

3번째 결론은 좀 더 논문을 자세히 읽어보아야 하겠지만. 정말 실험은 마음대로 안되는 것 같습니다.ㅋㅋㅋ 암튼 올쏜 교수님. non-coding을 coding으로도 생각할 수 있다는 말씀, 옳소!

A peptide encoded by a transcript annotated as long noncoding RNA enhances SERCA activity in muscle. Science 15 Jan 2016: Vol. 351, Issue 6270, pp. 271-275.DOI: 10.1126/science.aad4076. [link]