R-loop은 DNA와 RNA 사이에서 어떻게 만들어질까

R-loop은 DNA와 RNA가 만나 만들어지는 독특한 3가닥 구조입니다. 이름만 보면 고리 하나처럼 느껴지지만 실제로는 RNA 한 가닥이 DNA 이중나선 안으로 들어가 한쪽 DNA와 결합하고, 반대쪽 DNA 가닥이 밀려나면서 만들어집니다.

R-loop은 무엇일까?

정상적인 DNA는 두 가닥이 서로 결합해 이중나선을 이룹니다. 그런데 R-loop에서는 새로 만들어진 RNA가 DNA의 주형 가닥과 결합해 RNA-DNA 혼성체를 만들고, 원래 그 자리에 있던 다른 DNA 가닥은 밖으로 밀려나 단일가닥 상태가 됩니다.

즉 RNA-DNA 혼성체 하나와 노출된 DNA 한 가닥이 동시에 존재하는 3가닥 구조입니다.

전사 과정에서 어떻게 만들어질까?

R-loop은 주로 전사 과정과 연결됩니다. RNA 중합효소가 DNA를 읽으면서 RNA를 만들고 지나가면 뒤쪽 DNA는 다시 두 가닥으로 붙어야 합니다.

그런데 방금 만들어진 RNA가 빠르게 떨어져 나가지 않고 다시 DNA의 주형 가닥과 결합하는 경우가 있습니다. 그러면 반대편 DNA 가닥이 밀려나면서 R-loop이 형성됩니다. 현재는 새 RNA가 중합효소 뒤에서 DNA에 다시 결합하는 방식이 주요 형성 모델로 받아들여집니다.

지퍼를 잠갔는데 천 조각 하나가 중간에 끼어든 것과 비슷합니다.

어떤 곳에서 더 잘 생길까?

모든 DNA 구간에서 같은 확률로 생기는 것은 아닙니다.

구아닌이 풍부한 RNA가 만들어지는 구간이나 GC-skew가 큰 DNA 서열에서는 RNA-DNA 결합이 비교적 안정해 R-loop이 형성되기 쉽습니다. 또 RNA 중합효소가 멈추거나 DNA가 비틀려 풀리기 쉬운 상태가 되면 RNA가 다시 DNA에 접근할 기회가 증가할 수 있습니다.

세포는 R-loop을 왜 제거할까?

R-loop 자체가 항상 나쁜 것은 아닙니다. 유전자 발현 조절, 전사 종료, DNA 수선 등 정상적인 생명현상에도 관여할 수 있습니다.

하지만 너무 오래 남거나 과도하게 쌓이면 노출된 단일가닥 DNA가 손상되기 쉬워지고 DNA 복제 과정과 충돌할 수 있습니다. 이런 상황은 DNA 손상과 유전체 불안정성으로 이어질 수 있습니다.

세포가 RNase H나 여러 헬리케이스 등을 이용해 R-loop을 조절하는 이유도 여기에 있습니다.

R-loop은 단순한 전사 오류일까?

현재는 그렇게 보지 않습니다.

과거에는 전사 과정에서 우연히 생기는 부산물로 여겨졌지만, 지금은 정상적인 유전자 조절과 DNA 수선에 관여하는 R-loop과 비정상적으로 축적돼 문제를 일으키는 R-loop을 함께 연구하고 있습니다.

결국 R-loop은 RNA가 방금 읽어낸 DNA와 다시 결합하면서 만들어지는 구조입니다. 적절히 만들어지고 제거되면 세포 기능에 이용될 수 있지만, 조절에 실패하면 유전체 안정성을 흔드는 요인이 될 수 있습니다.