세균바이러스 유전자 전사종결의 단일 방식 발견으로 세균 진화 규명

생명체에는 유전정보의 전사 과정에서 RNA를 합성하는 RNA 중합효소가 있다. 이 중합효소가 세균(박테리아)과 세균바이러스(박테리오파지)에서 서로 달리 진화했지만, RNA 머리핀 구조를 만드는 종결자에서 둘다 전사를 종결한다. 본 연구진은 세균 전사종결 연구에서 개발했던 단일분자 형광기술을 이용해서, 세 종류(T7, T3, SP6) 세균바이러스의 전사종결을 연구했다. 중합효소가 DNA 유전정보를 읽어 RNA를 합성하기 때문에 이 셋이 뭉쳐서 복합체를 형성하는데, 종결 시기에 이르면 중합효소가 DNA 위에서 앞으로 밀리면서 RNA와 DNA가 떨어져 복합체가 한꺼번에 해체되는 것을 발견했다. 이런 종결을 해체종결이라 하는데, 종결자를 무시하고 지나치는 연속읽기보다 매우 느리게 진행되었고, 그 작동원리가 세균바이러스와 세균에서 별로 다르지 않아 그 진화의 뿌리가 같아 보였다. 한편, 세균바이러스가 해체종결만 하는 데에 비해, 세균의 경우에는 해체종결과 재생종결 둘다 한다. 재생종결에서는 RNA만 떼어지고 중합효소가 DNA에 남아서 바로 재생과 재개시가 가능한데, 세균의 진화 과정에서 추가된 것으로 보인다. 재생종결 후 재개시가 빠르고 인접한 유전자의 전사개시를 함께 조절하는 게 수월해지는 장점이 진화 적응에 작용했을 것으로 추정된다. 세균 유전체 구조를 보면 종결자 대부분의 바로 인근에서 재개시가 가능하다는 점이 이를 뒷받침한다.

본 연구논문에는 우리 학부의 홍성철 교수와 KAIST 생명과학과의 강창원 교수가 교신저자로, 우리 학부에서 올해 박사학위를 받은 송은호 박사(현 미국 NIH 박사후연구원)와 한선 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했다. 또, 엄희수 박사(현 서울의대 박사후연구원)도 연구 초기 우리 학부 박사과정 중에 참여했었다

온라인 게재: Nucleic Acids Research 2024년 7월 16일

논문 링크:  https://doi.org/10.1093/nar/gkae620


Single-mode termination of phage transcriptions, disclosing bacterial adaptation for facilitated reinitiations

Abstract: Bacterial and bacteriophage RNA polymerases (RNAPs) have divergently evolved and share the RNA hairpin-dependent intrinsic termination of transcription. Here, we examined phage T7, T3 and SP6 RNAP terminations utilizing the single-molecule fluorescence assays we had developed for bacterial terminations. We discovered the phage termination mode or outcome is virtually single with decomposing termination. Therein, RNAP is displaced forward along DNA and departs both RNA and DNA for one-step decomposition, three-dimensional diffusion and reinitiation at any promoter. This phage displacement-mediated decomposing termination is much slower than readthrough and appears homologous with the bacterial one. However, the phage sole mode of termination contrasts with the bacterial dual mode, where both decomposing and recycling terminations occur compatibly at any single hairpin- or Rho-dependent terminator. In the bacterial recycling termination, RNA is sheared from RNA·DNA hybrid, and RNAP remains bound to DNA for one-dimensional diffusion, which enables facilitated recycling for reinitiation at the nearest promoter located downstream or upstream in the sense or antisense orientation. Aligning with proximity of most terminators to adjacent promoters in bacterial genomes, the shearing-mediated recycling termination could be bacterial adaptation for the facilitated reinitiations repeated at a promoter for accelerated expression and coupled at adjoining promoters for coordinated regulation.