1. mRNA는 왜 중요한가?
mRNA(전령 RNA)는 단백질 합성의 설계도를 전달하는 분자로, 생명 현상의 중심에 있습니다.
하지만 mRNA는 매우 불안정하기 때문에 빠르게 분해됩니다.
이 때문에 mRNA 백신은 냉장 또는 초저온 상태에서 운송해야 하죠.
그럼에도 mRNA는 생명과학 연구에서 핵심적인 이유가 있습니다.
그 이유는 바로 세포의 지문(fingerprinting) 역할을 하기 때문입니다.
세포마다 발현되는 mRNA 조합이 모두 다르기 때문에, mRNA 패턴만으로도 세포의 정체를 구분할 수 있습니다.
실제로 FANTOM5 프로젝트에서는 인간의 180종 세포를 분석한 결과,
모든 세포가 서로 다른 mRNA 발현 패턴을 보인다는 사실을 밝혔습니다.
즉, mRNA는 “이 세포가 누구인지”를 말해주는 생물학적 신분증입니다.
2. mRNA 발현을 결정하는 6가지 요인
mRNA의 발현량과 패턴은 단순히 DNA 서열만으로 결정되지 않습니다.
다음 여섯 가지 요인이 복합적으로 작용합니다.
① Transcription Factor (전사인자)
DNA의 특정 부위에 전사인자가 결합하여 전사를 촉진하거나 억제합니다.
어떤 전사인자가 언제 작용하느냐에 따라 mRNA 양이 달라집니다.
② Chromatin 친화성 (크로마틴 구조)
DNA는 히스톤 단백질에 감겨 있습니다.
이 구조가 열리고 닫히는 시점에 따라 RNA polymerase가 접근할 수 있는지가 결정됩니다.
예를 들어, 근육세포에서는 48시간 동안 약 10,000개 유전자가 열리고 닫힙니다.
즉, 전사 타이밍(time point) 이 중요합니다.
③ Alternative Splicing (선택적 스플라이싱)
같은 유전자라도 어떤 엑손 조합으로 mRNA를 만들지에 따라
서로 다른 단백질이 생성될 수 있습니다.
유전자 하나가 여러 기능을 가질 수 있는 이유입니다.
④ RNA Stability (RNA 안정성)
mRNA는 반감기가 모두 다릅니다.
불안정한 mRNA는 빠르게 분해되어 발현량이 낮게 측정됩니다.
⑤ Translation Control (번역 조절)
mRNA가 존재해도 번역이 항상 일어나는 것은 아닙니다.
예를 들어 eIF2 유전자는 외부 자극을 받으면 전체 번역 과정을 멈춥니다.
⑥ RNA Localization (위치 조절)
mRNA가 세포 내 어디에 존재하느냐도 중요합니다.
신경세포의 경우, 특정 mRNA는 축삭 말단까지 이동해 신호 전달에 관여합니다.
3. Microarray에서 RNA-seq으로
● Microarray란?
세포에서 추출한 RNA에 형광 표지를 붙여 유전자 발현량을 비교하는 기술입니다.
예를 들어 한 샘플은 초록색, 다른 샘플은 빨간색 형광으로 표지하여
두 조건의 발현 차이를 한눈에 볼 수 있습니다.
하지만 RNA는 매우 불안정하기 때문에 reverse transcription(역전사) 과정으로
cDNA로 변환한 뒤 실험해야 합니다.
또한 Microarray는 오차율이 약 **20%**에 달해,
유방암 진단 등에서 정확도가 낮은 한계가 있었습니다.
● RNA-seq의 등장
이 문제를 해결한 기술이 바로 RNA-seq입니다.
RNA-seq은 mRNA 전체를 시퀀싱해 발현량을 정량적으로 분석합니다.
정확도와 재현성이 높고, 기존에 알려지지 않은 새로운 유전자의 전사체도 발견할 수 있습니다.
4. RNA-seq 실험의 주요 단계
| 단계 | 설명 | 핵심 포인트 |
|---|---|---|
| 1. Experimental Design | 실험 설계 | 샘플링 시점, 조건 설정이 중요. Bacillus subtilis의 성장 단계나 식물의 circadian rhythm(일주기 리듬) 을 고려해야 함. |
| 2. RNA Extraction | RNA 추출 | RNA는 불안정하며 RNase 오염에 취약. RNase는 열·공기·피부에 존재하고, 매우 안정적이므로 철저히 차단해야 함. |
| 3. Library Preparation | 라이브러리 제작 | RNA를 절단하고 adaptor를 붙인 뒤 PCR 증폭. 실험자의 숙련도에 따라 결과가 달라짐. |
| 4. Sequencing | 시퀀싱 | MiSeq (4시간, 1,000달러/run, 10M reads) 등 플랫폼에 따라 성능과 속도 다름. |
| 5. Data Analysis | 데이터 분석 | Python, R, SPSS 등 통계 툴로 발현량 비교 및 차이 분석 수행. |
5. RNA 품질 관리: RIN과 NanoDrop
● RIN (RNA Integrity Number)
RNA의 품질을 수치화한 지표로, 0~10 사이 값으로 표현됩니다.
28S rRNA와 18S rRNA의 비율이 약 2:1이면 정상이며,
이 비율이 무너질수록 RNA가 분해된 것으로 판단합니다.
특히 post-region(28S 이후)에 노이즈가 많거나
28S보다 큰 피크가 보이면 품질 불량입니다.
RIN은 RNA 실험의 신뢰도를 좌우하는 가장 중요한 품질 지표입니다.
● NanoDrop
RNA의 순도(purity) 와 농도(concentration) 를 측정하는 장비입니다.
A260/A280 비율로 오염도를 판단하며, 순도가 낮으면 library 제작이나 시퀀싱 과정에서 오류가 발생할 수 있습니다.
6. 요약: mRNA 연구의 핵심
- mRNA는 세포의 지문(Fingerprint) 으로, 세포 종류를 구별할 수 있다.
- mRNA 발현은 6가지 요인(전사인자, 크로마틴, 스플라이싱, 안정성, 번역, 위치)에 의해 조절된다.
- RNA는 RNase에 의해 쉽게 분해되므로, 보관과 추출 단계에서 주의가 필요하다.
- RNA-seq은 Microarray보다 정확하고, 발현량을 정량적으로 분석할 수 있는 핵심 기술이다.
- 실험의 품질은 RIN 값과 NanoDrop 순도가 좌우한다.
7. 결론
mRNA 연구는 단순히 유전자 발현을 보는 것이 아닙니다.
세포의 정체성, 질병의 상태, 그리고 생명 현상의 시공간적 변화를 이해하는 열쇠입니다.
RNA-seq은 이러한 생명현상을 수치로 변환해주는 가장 강력한 도구입니다.
앞으로 RNA 안정성, 시점별 발현, 스플라이싱 조절 등을 통합적으로 해석하는 multi-omics 시대로
연구는 더 깊어지고, 개인 맞춤 의학의 기반이 되어가고 있습니다.