Position-resolved k-mer analysis of mature microRNAs reveal widespread CG and UA depletion across taxa

모든 살아있는 세포 내부에는 생명의 기계가 원활하게 돌아가도록 유지하는 거대한 미세 분자 지시 체계가 존재합니다. 이러한 지시 체계 중 가장 중요한 것 중 하나는 마이크로RNA(microRNA)라고 불리는 짧은 RNA 가닥입니다. 이 분자들은 정밀한 조절자 역할을 하며, 다른 유전적 메시지에서 특정 일치 서열을 찾아내어 이를 침묵시킴으로써 세포가 적절한 시간에 적절한 단백질을 생성하도록 보장합니다. 마이크로RNA가 작동하기 위해서는 그 형태와 화학적 구성이 정확해야 합니다. 과학자들은 마이크려 RNA 서열의 아주 첫 몇 글자가 특정 자물쇠에 맞는 열쇠처럼 작용하여 과정을 시작하는 데 매우 결정적이라는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 그러나 그 나머지 부분, 즉 초기 몇 글자 이후에 오는 글자들을 지배하는 규칙은 미스터리로 남아 있었습니다. 이 작은 가닥들 속에서 서로 옆에 놓이는 글자들이 숨겨진 패턴을 따르는 것일까요, 아니면 무작위로 배열되어 있는 것일까요?

인도의 바라타시다산 대학교(Bharathidasan University) 연구팀은 이 질문에 답하기 위해 이제 이 작은 분자들의 전체 지형도를 그려냈습니다. 그들은 단지 몇 가지 사례만을 살펴본 것이 아니라, 인간과 다른 포유류부터 곤충, 물고기, 식물에 이르기까지 271개의 서로 다른 생물체로부터 얻은 약 49,000개의 성숙한 마이크로RNA 기록을 조사했습니다. 이 방대한 컬렉션을 분석함으로써, 그들은 이 분자들의 글자 배열이 결코 무작위가 아니라는 것을 발견했습니다. 이 짧은 유전 가닥들이 어떻게 구축되는지를 지배하는 광범위하고 일관된 규칙이 존재하며, 이 규칙은 생명의 나무 전체에 걸쳐 유효하다는 사실을 밝혀냈습니다.

연구진은 특정 글자 쌍이 얼마나 자주 인접하여 나타나는지에 집중했습니다. 유전학의 언어로, 이러한 쌍을 디뉴클레오티드(dinucleotide)라고 부릅니다. 연구된 수백만 개의 서열 전반에 걸쳐 가능한 모든 쌍을 계산했을 때, 두 가지 특정 쌍이 그 부재(absence)로 인해 눈에 띄었습니다. C와 G의 조합, 그리고 U와 A의 조합은 확률이 예측하는 것보다 훨씬 적게 나타났습니다. 실제로 C-G 쌍은 16가지 가능한 조합 중 가장 드물었으며, 전체의 약 3.3퍼센트만을 차지했습니다. U-A 쌍은 두 번째로 드물었습니다. 반대로, U-G 쌍은 가장 흔한 쌍이었으며 예상보다 훨씬 더 자주 나타났습니다.

이러한 발견이 단순히 숫자의 결과가 아님을 보장하기 위해, 과학자들은 엄격한 비교 방법을 사용했습니다. 그들은 두 가지 서로 다른 '만약에' 시나리오를 만들었습니다. 첫 번째로, 그들은 동일한 마이크로RNA 서열을 가져와 각 글자의 총 개수는 유지하되 자연적인 순서를 파괴하여 글자의 순서를 뒤섞었습니다. 두 번째로는, 동일한 길이의 모든 서열에 대해 각 특정 위치에서의 글자들을 섞었습니다. 이렇게 섞인 무작위 버전과 비교했을 때도, 실제 마이크로RNA는 여전히 C-G와 U-A 쌍의 뚜렷한 부족함을 보여주었습니다. 이는 이러한 쌍의 희소성이 단순히 존재하는 글자의 개수 때문에 발생하는 부수적인 효과가 아니라, 분자의 진정한 특징임을 입증했습니다.

이러한 희소성 패턴은 단지 두 글자 쌍에 국한되지 않았습니다. 연구진은 세 글자 그룹인 트리뉴클레오티드(trinucleotide)도 살펴보았습니다. 그들은 C-G 쌍이나 U-A 쌍을 포함하는 모든 조합이 역시 결핍되어 있으며, 무작위 모델이 예측하는 것보다 적게 나타난다는 것을 발견했습니다. 이는 특정 위치뿐만 아니라 마이크로RNA의 전체 길이에 걸쳐 이러한 특정 이웃 관계에 대한 규칙이 적용된다는 것을 시사합니다. 이 발견은 꽃식물부터 선충, 인간에 이르기까지 테스트한 10개의 주요 생물군 전체에서 일관되게 나타났습니다. 생물이 식물이든 동물이든, 마이크로RNA는 일관되게 C를 G 옆에 두거나 U를 A 옆에 두는 것을 피했습니다.

조금 더 면밀한 검토가 필요한 흥미로운 예외가 하나 있었습니다. U-A 쌍은 전반적으로 드물었지만, 연구진은 마이크로RNA 서열의 맨 처음에 이 쌍의 빈도가 약간 급증하는 것을 관찰했습니다. 첫 번째 위치에서 U-A 쌍은 분자의 나머지 부분보다 더 자주 나타났습니다. 그러나 과학자들이 마이크로RNA의 첫 글자가 거의 항상 U라는 점을 고려하자, 이 급증 현상은 사라졌습니다. 결국, 서열 시작 부분의 높은 U-A 쌍 수치는 단순히 시작 부분에 U가 워낙 많았기 때문이었지, 분자가 U 바로 뒤에 A를 배치하는 특별한 선호도를 가졌기 때문이 아니었습니다. 이 초기 구성을 고려하고 나면, U-A 쌍은 C-G 쌍과 마찬가지로 어디에서나 결핍된 것으로 나타났습니다.

이 연구는 왜 이러한 패턴이 존재하는지를 탐구했습니다. 누락된 C-G 쌍의 경우, DNA 돌연변이의 역사에서 타당한 설명이 존재할 수 있습니다. 많은 동물에서 C라는 글자는 시간이 흐름에 따라 T(또는 RNA에서는 U)로 변하기 쉬운 방식으로 화학적으로 변형되곤 합니다. 만약 DNA의 C-G 쌍이 U-G 쌍으로 돌연변이를 일으킨다면, 결과적인 RNA는 자연스럽게 더 적은 C-G 쌍과 더 많은 U-G 쌍을 갖게 될 것입니다. 이는 U-G가 가장 흔한 쌍이고 C-G가 가장 드문 쌍이라는 연구진의 관찰과 일치합니다. 그러나 논문은 이것이 하나의 가설일 뿐이라고 언급했습니다. 연구진이 DNA 메틸화나 돌연변이율을 직접 측정하지 않았으므로, 이는 확정된 원인이 아니라 가능성이 높은 가설입니다.

그러나 U-A 쌍의 희소성에 대한 이유는 여전히 완전한 미스터리입니다. 연구진은 왜 이 두 글자가 서로를 피하는지를 설명할 수 있는 생물학적 메커니즘을 찾지 못했습니다. 이 분자 자체의 구조, 즉 세포 내부에서 처리되는 방식, 또는 표적과 상호작용하는 방식이 U-A 조합을 불안정하거나 바람직하지 않게 만드는 것일 수도 있습니다. 이 연구는 이러한 결핍이 존재하며 보편적이라는 것을 성공적으로 확인했지만, 그 이유에 대해서는 설명하지 못한 채 멈추어 있습니다.

이 작은 조절자들의 글자가 어떻게 배열되는지에 대한 상세한 지도를 작성함으로써, 연구진은 마이크로RNA 생물학을 이해하기 위한 새로운 토대를 마련했습니다. 그들은 이 분자들이 단순히 무작위적인 글자 나열이 아니라, 수백만 년의 진화를 거치며 유지되어 온 특정한, 보존된 구조로 구축되었다는 것을 보여주었습니다. 비록 이 구조의 완전한 이유는 아직 알려지지 않았지만, 마이크로RNA가 보편적으로 특정 글자 조합을 피한다는 발견은 이 중요한 분자들이 어떻게 기능하고 진화하는지 이해하려는 과학자들에게 새로운 단서를 제공합니다. 이 연구는 생명의 규칙이 개별 글자뿐만 아니라, 그 글자들이 서로 옆에 놓일 수 있는 특정한 방식 속에도 쓰여 있다는 것을 시사합니다.