핵 안에서 전사된 mRNA가 세포질로 방출되는 과정은 진핵세포의 유전자의 발현에 매우 중요한 과정이다(Katahira, 2015). 이러한 mRNA 방출(mRNA export)은 전사와 pre-mRNA 가공(5’ 말단의 캡핑, 스플라이싱, 3’ 말단의 절단 및 폴리아데닐화 등) 과정들과 서로 연결되어 있으며, 주요 인자들은 효모에서 사람까지 진화적으로 잘 보존되어 있다(Rodríguez-Navarro and Hurt, 2011; Xie and Ren, 2019). 또한 완전히 가공되어 성숙한 mRNA만을 선별적으로 세포질로 방출하는 것은 단백질의 합성에 매우 중요하므로, 질 관리(quality control)를 위한 mRNA 감시(mRNA surveillance) 기작이 존재한다(Schmid and Jensen, 2010; Wende et al., 2019). 즉, 잘못된 mRNA는 핵공복합체(nuclear pore complex)를 통해 세포질로 방출되지 못하고 핵 안에서 엑소좀(exosome)에 의해 분해된다.

출아효모인 Saccharomyces cerevisiae에서 Hrb1, Gbp2, Npl3은 모두 mRNA 방출 운반체인 Mex67를 최종적으로 mRNA에 결합시키는 어댑터 역할을 하는 mRNA 방출인자로 동정되었다(Häcker and Krebber, 2004; Reed and Cheng, 2005). 이들은 mRNA 스플라이싱에 관여하는 포유동물의 SR 단백질과 유사한 단백질이지만 Npl3만 스플라이싱에 관여하고, Hrb1와 Gbp2은 결실시키더라도 스플라이싱에 영향이 없었다(Kress et al., 2008; Moehle et al., 2012). Hrb1와 Gbp2은 주요 mRNA 감시인자(surveillance factor)로, mRNA가공이 완료된 성숙한 mRNA에만 방출 운반체인 Mex67를 결합시켜 방출을 촉진하고 비정상적인 mRNA가 핵 안의 엑소좀에서 분해되는데 중요한 TRAMP 복합체에도 결합하는 것이 알려졌다(Hackmann et al., 2014). 또한 이들은 핵과 세포질을 왕복하는 단백질로 mRNA에 결합한 채 세포질로 방출되어 번역에도 관여한다(Windgassen et al., 2004).

출아효모와는 상당히 다른 분열효모인 Schizosaccharomyces pombe에도 mRNA 대사 및 방출에 중요한 인자들은 잘 보존되어 있다. 분열효모에서 mRNA 방출인자인 rsm1과 유전적으로 연관된 유전자를 찾기 위해, 이전 연구에서 rsm1의 발현이 티아민(비타민 B1)에 의해 억제되는 균주에 돌연변이 유발원으로 3% ethyl methanesulfonate (EMS)을 처리하여, 무작위 돌연변이를 유발하여 얻은 약 32만 콜로니를 분석하여 합성치사 돌연변이들을 선별하였다(Moon et al., 2010). 두 돌연변이 유전자가 각각 하나씩 존재하는 세포는 생존할 수 있지만, 두 돌연변이 유전자들이 한 세포에 같이 존재할 때는 죽는 것을 합성치사(synthetic lethality)라 한다(Yoon, 2003). 돌연변이 균주들은 티아민(비타민 B1)이 없는 배지에서는 rsm1 유전자가 발현되기 때문에, 미지의 유전자의 돌연변이만 존재하는 조건이 되어 생장할 수 있다(생장허용 조건). 그러나 티아민이 첨가된 배지에서는 rsm1 유전자의 발현이 억제되기 때문에, 미지의 유전자의 돌연변이와 rsm1 결실돌연변이가 동시에 존재하는 상태(합성치사 조건)가 되므로 생장에 심각한 결함을 보인다(Moon et al., 2010). 본 연구에서는 최종적으로 선별된 4개의 돌연변이 균주 중 합성치사 조건에서 mRNA 방출에 심각한 결함을 보이는 SLrsm1 균주에 S. pombe 유전체 library DNA를 형질전환시켜 생장 결함을 상보하는 클론을 선별하였다. 본 실험의 분열효모 배양과 분자유전학적 방법은 이전에 서술된 것을 사용하였다(Moreno et al., 1991; Alfa et al., 1993). 이 클론들이 갖고 있는 유전자들은 대부분 rsm1과 mRNA 방출인자를 암호화하고 있는 mex67 유전자였다. 이외에 합성치사 조건에서 SLrsm1 균주의 생장 결함을 부분적으로 억제하는 2개의 클론(p1R1과 p1R2)을 선별하였다. 이들의 염기서열을 결정하여 S. pombe의 유전체 데이터베이스인 PomBase (www.pombase.org)에서 위치를 확인한 결과, 2개의 클론이 공통적으로 가지고 있는 유전자는 hrb1/SPAC328.05이었다(Fig. 1A). 이 유전자만을 포함하는 3.5 kb DNA 절편을 PCR로 증폭하여 pDW232벡터의 HindIII와 kpnI에 클로닝하여 DNA 염기서열 분석으로 확인하였다. 이렇게 제작한 p328.05 벡터를 SLrsm1 균주에 형질전환시킨 결과, SLrsm1 균주의 생장 결함을 부분적으로 억제하는 것을 확인하였다(Fig. 1B). SLrsm1 균주는 합성치사 조건에서 심각한 mRNA 방출 결함을 보이기 때문에 SPAC328.05이 이러한 형질도 부분적으로 상보하는지 알아보기 위해 poly(A)⁺ RNA에 대한 fluorescence in situ hybridization (FISH)을 수행하였다(Yoon et al., 2000). 음성 대조군인 빈 pDW232 벡터는 SLrsm1 균주의 mRNA 방출 결함을 억제하지 못하기 때문에 합성치사 조건(+B1)에서 poly(A)⁺ RNA가 여전히 핵 안에 심하게 축적되었다. 양성 대조군으로 사용한 rsm1 유전자는 mRNA 방출 결함을 거의 회복하였다. p328.05 벡터는 poly(A)⁺ RNA의 축적을 음성 대조군에 비해 상당히 완화시켰다(Fig. 1C). 이러한 결과는 SPAC328.05이 SLrsm1 균주의 mRNA 방출 결함도 어느 정도 억제한다는 것을 의미한다.

Fig. 1. Complementation of both growth and mRNA export defects of SLrsm1 with SPAC328.05 gene. (A) A schematic diagram represents the region surrounding the SPAC328.05 gene on chromosome I of S. pombe. The SPAC328.05 open reading frame is depicted by an open box with five introns shown by thick lines. An arrow above the gene indicates the direction of transcription. The regions contained in two screened plasmids (p1R1 and p1R2) and subcloned plasmid (p328.05), which partially complement the growth defect of SLrsm1, are shown as horizontal bars. pRsm1 plasmid containing rsm1 gene and empty pDW232 plasmid were used as positive and negative control. ++, normal growth; +, partial growth; -, no growth. (B) SLrsm1 cells transformed with the indicated plasmids were streaked on EMM plates in the absence of (-B1, permissive condition) or presence of thiamine (+B1, synthetic lethal condition) and incubated for four days at 30°C. (C) FISH experiments of poly(A)⁺ RNA showed that p328.05 plasmids partially complemented the mRNA export defect of SLrsm1 cells. SLrsm1 cells transformed with the indicated plasmids were shifted to EMM medium containing thiamine and were grown for 18 h. DNA was stained coincidently with DAPI (4’6’-diamidine-2-phenylindole) and is shown in the bottom panels.

S. pombe의 유전체 데이터베이스인 PomBase에서 systematic ID가 SPAC328.05인 유전자는 1번 염색체에 위치하고 5개의 인트론을 가지고 있으며, 이 유전자의 산물은 464개 아미노산으로 구성된 예상 분자량 51.59 kDa, 등전점 pH 7.04인 단백질이다. 또한 이 단백질은 mRNA 방출에 관여하는 RNA-결합 단백질로 추정되고 S. cerevisiae Hrb1의 이종상동체(ortholog)로 명명되어 있다. 출아효모에는 비슷한 구조와 기능을 갖는 동종상동체(paralog)로 Hrb1와 Gbp2이 존재하지만, 분열효모에는 이들과 유사한 hrb1/SPAC328.05만이 홀로 존재한다. 그러므로 미국 NCBI (National Center for Biotechnology Information)에서 제공하는 다중서열정렬(multiple sequence alignment) 도구인 COBALT 프로그램을 사용하여 출아효모의 Hrb1, Gbp2과 분열효모의 SPAC328.05 단백질의 아미노산 서열을 분석하였다. Hrb1와 Gbp2은 454개와 427개 아미노산 잔기를 가진 단백질로, N-말단에 세린-아르기닌이 풍부한 SR 도메인이 존재하고 C-말단에는 3개의 RRM (RNA 결합 도메인)을 가지고 있다. RRM1과 RRM2는 RNA 결합에 직접적으로 관여하고, RRM3는 THO 복합체와 결합하는데 관여한다(Martínez-Lumbreras et al., 2016). Hrb1와 Gbp2은 전사 신장과 mRNA 방출에 관여하는 THO 복합체를 통해 전사 중인 mRNA에 결합한다(Gilbert et al., 2001; Hurt et al., 2004). 그러나 SPAC328.05 단백질에는 중앙에 3개의 RRM만이 잘 보존되어 있었고, N-말단의 SR 도메인이 존재하지 않았으며 Hrb1와 Gbp2에 비해 C-말단에 80여 개 아미노산 잔기가 더 존재하였다.

SPAC328.05은 Hrb1와 Gbp2와는 다르게 SR 도메인을 갖고 있지 않은 차이점도 있으므로, 먼저 결실 돌연변이를 제작하여 생장과 mRNA 방출의 결함 여부를 살펴보았다. ura4⁺ 선별 유전자로 치환된 Δhrb1 결실 돌연변이 균주를 만들기 위해서, double-joint PCR 방법으로 DNA 절편을 제작하였다(Yu et al., 2004). 세번째 PCR 반응으로 증폭된 Δhrb1::ura4⁺ DNA 절편을 반수체(haploid) 야생형 균주인 AY217 (h^- leu1-32 ura4-d18)에 형질전환하였다. PCR 등으로 확인한 hrb1 결실 돌연변이 균주의 생장을 spot assay로 알아보았다(Fig. 2A). 최적 생장온도인 30°C뿐만 아니라, 낮거나 높은 온도(20, 37°C)에서도 대조군인 야생형(WT)과 마찬가지로 정상적인 생장을 보였다. poly(A)⁺ RNA에 대한 FISH 실험에서도 Δhrb1 결실돌연변이 균주의 poly(A)⁺ RNA 분포는 세포 전체에 거의 균일하게 퍼져 있어 야생형(WT)과 차이가 없었다(Fig. 2B). 이러한 실험결과는 Δhrb1 결실돌연변이 균주의 생장과 mRNA 방출이 정상이라는 것을 의미한다.

Fig. 2. Deletion of S. pombe hrb1/SPAC328.05 have no effect on growth and mRNA export. (A) The entire hrb1/SPAC328.05 coding region was replaced with the marker genes, ura4⁺. Wild-type (WT) and hrb1 knockout (Δhrb1) strains were spotted in tenfold serial dilution onto YES plates and incubated for 3 days. (B) Poly(A)⁺ RNA localization in wild-type (WT) and hrb1 knockout (Δhrb1) cells was shown by FISH. Their coincident DAPI-stained nuclei are shown in the right panels.

SPAC328.05가 없더라도 생장과 mRNA 방출에는 영향이 없기 때문에, 과발현(overexpression)시켜 형질을 알아보고자 하였다. 이를 위해 아주 강력한 야생형 nmt1 프로모터를 가지고 pREP3X 벡터에 SPAC328.05의 ORF (Open reading frame)를 PCR로 증폭하여 SalI과 BamHI 자리에 클로닝한 pREP3X-Hrb1 벡터를 제작하여 AY217 균주(h^- leu1-32 ura4-d18)에 형질전환하였다(Maundrell, 1993). SPAC328.05 과발현 균주(3X-Hrb1)는 티아민이 없는 배지에서는 자신의 프로모터에 의해 발현되는 염색체의 유전자 이외에 pREP3X-Hrb1벡터에서 다량의 단백질이 발현된다. 티아민이 존재하여 과발현이 억제되는 조건(repression)에서는 과발현 균주(3X-Hrb1)도 빈 pREP3X 벡터가 형질전환된 대조군(control)과 유사한 생장을 보였다(Fig. 3A). 그러나 티아민이 없는 과발현 조건(overexpression)에서는 과발현 균주(3X-Hrb1)의 생장이 정지하였다. 또한, SPAC328.05이 과발현되면 poly(A)⁺ RNA가 핵 안에 심각하게 축적되는 것이 관찰되었다(Fig. 3B). 이러한 실험결과는 SPAC328.05 유전자가 mRNA 방출에 필수적인 주요 인자는 아니지만 과발현되면 부정적인 영향을 미친다는 것을 의미한다.

Fig. 3. Overexpression of hrb1 lead to severe defects on growth and mRNA export. Growth of wild-type strain (AY217) transformed with pREP3X plasmid containing no insert (control) or hrb1 ORF (3X-Hrb1) whose expression is under the control of wild-type nmt1 promoter. The indicated strains are shown in tenfold serial dilution onto EMM plates with thiamine (repression) or without thiamine (overexpression) for 4 days. (B) Poly(A)⁺ RNA localization in cells transformed with 3X-Hrb1plasmid was shown by FISH. Cells were grown to the mid-log phase in EMM medium with thiamine at 30°C. The washed cells were then shifted to EMM medium with thiamine (repression) or without (overexpression) for 18 h. Their coincident DAPI-stained nuclei are shown in the right panels.

Fig. 4. Hrb1-GFP protein is localized mainly in nuclei. Hrb1 was tagged with GFP at its carboxy-terminus (Hrb1-GFP). The wild-type hrb1 allele was substituted with hrb1-gfp::kan^r construct. Green fluorescent image (GFP), coincident differential interference contrast image (DIC), and the merged image of both are shown.

다음으로 SPAC328.05 단백질의 세포 내 위치를 알아보기 위하여, 이 단백질의 C-말단에 GFP (Green Fluorescence Protein)를 붙인 융합단백질을 발현시켰다. hrb1–gfp::kan^r DNA 절편을 제작하여 SPAC328.05 유전자 위치에 삽입시켜 Hrb1-GFP 단백질이 자신의 프로모터에 의해 발현되는 균주를 제작하였다. 이렇게 제작한 균주의 genomic DNA를 추출하여 PCR과 DNA 염기서열 분석을 통해 hrb1 유전자가 hrb1–gfp::kan^r로 치환되었음을 확인하였다. 또한 이 균주로부터 얻은 세포 추출물을 GFP에 대한 항체로 Western blotting한 결과 Hrb1-GFP 융합 단백질이 발현됨을 확인하였다(자료 미제시). 이 균주를 형광 현미경으로 관찰하면 Hrb1-GFP 단백질은 세포질에서도 약간 존재하였지만 대부분 핵 안에 존재하였다. 이러한 분열 효모의 Hrb1-GFP의 위치는 출아 효모의 Hrb1 및 Gbp2 단백질의 세포 내 위치와 유사하다. 위와 같은 실험 결과들은 mRNA 방출인자인 rsm1과 연관된 합성치사 돌연변이를 부분적으로 상보하는 유전자로 선별된 분열 효모의 hrb1/SPAC328.05도 출아 효모의 Hrb1과 Gbp2와 마찬가지로 mRNA 방출 및 질 관리(quality control)에 관여할 가능성을 시사한다.

분열 효모인 Schizosaccharomyces pombe에서 mRNA 방출에 관여하는 유전자를 찾기 위해, 이전에 rsm1 결실 대립유전자와 합성치사를 보이는 돌연변이(SLrsm1)를 선별하였다. 여기서는 SLrsm1 균주의 생장과 mRNA 방출 결함을 부분적으로 억제하는 유전자로 hrb1/SPAC328.05를 선별하였다. 이 유전자의 산물은 RRM (RNA 인식 모티프)를 가진 단백질로, 핵 안에서 mRNA 질 관리와 감시에 관여하는 Saccharomyces cerevisiae의 Gbp2와 Hrb1 단백질과 유사하였다. hrb1/SPAC328.05 유전자의 결실은 생장과 mRNA 방출에 영향이 전혀 없었다. 그러나 과발현을 시켰을 때에는 생장에 심각한 결함을 보였으며 poly(A)⁺ RNA가 핵 안에 축적되었다. 또한 Hrb1-GFP 단백질은 주로 핵에서 관찰되었다. 이와 같은 관찰들은 S. pombe의 Hrb1/SPAC328.05 단백질도 mRNA 방출 및 질 관리에 관여할 가능성을 지지한다.

이 논문은 2017년도 성신여자대학교 학술연구조성비 지원에 의하여 연구되었음.