생화학분자생물학회

긴 비암호화 RNA (long-noncoding RNA)의 최신 연구동향

장 수 환
울산대학교 의과대학 의생명과학교실
Tel : 02-3010-2095
Email : Suhwan.chang@amc.seoul.kr

서론

긴 비암호화 RNA (long-noncoding RNA; lncRNA)는 일반적으로 200 nucleotide 이상이면서 단백질을 만들지 않는 RNA의 그룹을 나타낸다(1). 차세대 염기서열 분석으로 많은 비암호화 RNA가 발견되었지만 초기에는 단백질을 만들지 않는 특성으로 인하여 기능이 별로 없는 부산물 정도로 여겨졌다. 하지만 이후 몇 가지 중요한 발견들에 의하여 사실은 이 긴 비암호화 RNA가 다양한 생물학적 기능을 가진 것으로 밝혀지고 있다. 예를 들면 X 염색체 불활성화에 작용하는 XIST(2), 위치식별에 중요한 HOTAIR (Hox Transcript Antisense RNA)(3), telomerase의 기능에 필수적인 TERC (Telomerase RNA Component)(4) 등이 모두 긴 비암호화 RNA에 속한다. 이러한 기능과 연관되어 암, 치매 등 인류가 고통받고 있는 다양한 질병들에서 비정상적인 긴 비암호화 RNA의 발현 및 돌연변이들이 중요한 원인으로 이해되고 있다(5). 본 리뷰에서는 암을 중심으로 하여 긴 비암호화 RNA의 최신 연구동향과 함께 향후 응용방안에 대한 다양한 가능성을 정리해 보고자 한다.

본론

1. 긴 비암호화 RNA의 다양한 기능들

많은 긴 비암호화 RNA는 아직까지 그 기능이 특정되지 않았으며 상당부분은 아마도 특별한 기능이 없을지도 모른다. 그럼에도 불구하고 긴 비암호화 RNA의 발현을 보면 세포의 분화 및 분열, 그리고 세포의 종류에 따라서 특이적인 패턴을 확인할 수 있는데(6) 이는 곧 이러한 긴 비암호화 RNA들이 기능을 가지고 있음을 시사한다.

1.1 후성유전학적 조절인자로서의 기능

유전자(DNA)의 서열에 변화는 없지만 promoter methylation등 DNA 상의 화학적 modification을 통하거나 염색체를 구성하는 chromatin의 구조적 변화를 통하여 발현을 조절하는 현상을 후성유전학적 조절이라고 한다. Chromatin의 구조 조절과정에는 다양한 단백질들이 관여하는데 이들 chromatin remodeler들은 유전자 발현조절 뿐만 아니라 DNA 복제 및 손상복구 (Repair)에도 그 기능을 하는 것으로 알려져 있다(7). Chromatin remodeler는 복합체를 이루어 기능하는데 SWI/SNF, INO80/SWR1, ISWI, CHD family로 나누어 질 수 있다. 현재까지 50종 이상의 긴 비암호화 RNA가 이런 chromatin remodeler를 조절하는 것으로 알려져 있으며 (표1 참조)(8), 대표적으로는 lncBRM이 BRM과 결합하여 분화를 촉진하는 SWI/SNF 복합체를 저해하는 것으로 들 수 있다(9).

1.2 항암내성에 대한 긴 비암호화 RNA의 역할

항암 내성은 임상에서 암환자에 대한 치료전략이 어려움을 겪는 가장 큰 원인중 하나이며 암환자의 생존에 큰 위협이 되는 현상이다. 긴 비암호화 RNA는 암의 발생과정에도 여러가지 역할을 하지만 최근 연구들은 이러한 내성획득에도 조절기능을 가진다는 결과를 보여준다(10). 다양한 암종에서 현재까지 알려진 약 20여종의 내성관련 긴 비암호화 RNA는 표 2와 같다(10). 예를 들면 유방암 세포에서 CASC2 라는 긴 비암호화 RNA는 miR-18a-5p와 CDK19의 발현조절을 통해 Paclitaxel에 대한 내성을 증가시킨다(11). 또한 대장암 세포에서는 BANCR이라는 긴 비암호화 RNA가 miR-203의 sponge로 작용하여 CSE1L의 발현을 조절하고 이는 Adriamycin에 대한 세포사멸을 막음으로써 약물저항성을 나타내게 된다(12). 이 외에도 긴 비암호화 RNA는 약물의 배출을 돕거나 (FOXC2-AS1) EMT (Epithelial-Mesenchymal Transition)라는 세포변형과정으로 통해 항암내성을 증가시키기도 한다(13).

1.3 혈관형성 과정에서 긴 비암호화 RNA의 조절기능

암의 특징 중 하나인 지속적인 성장을 위해서는 영양분과 산소를 공급하는 것이 필수적이다. 이를 위하여 암은 비 정상적으로 혈관형성을 촉진하는 성질을 가지고 있는데 이는 또한 치료의 관점에서 암의 성장과 전이를 막는 중요한 약물타겟으로 활용되어 왔다. 긴 비암호화 RNA도 이러한 혈관형성과정에 관여하는 것으로 알려졌는데 (표3 참조)(14), 기존의 혈관형성 인자들을 조절하거나 microRNA와의 결합 혹은 암 미세환경의 변화를 통한 간접적인 조절기작도 알려지고 있다. 예를 들면 HIF2PUT은 대장암에서 HIF2a의 발현을 직접 유도하며(15), PVT1이라는 긴 비암호화 RNA는 위암에서 STAT3을 활성화하여 혈관형성유도 인자인 VEGF의 발현을 증가시킨다(16). 이외에도 간접적으로 VEGF의 발현을 증가시키는 OR3A4나 Wnt/beta-catenin 신호전달을 저해하여 혈관생성을 억제하는 GAS5등이 알려져 있다(14).

1.4 긴 비암호화 RNA의 유전자 발현 조절 기능 (ceRNA로서의 기능)

ceRNA (Competing Endogenous RNA)란 세포내의 한정된 miRNA및 RNA binding molecule들에 대하여 정상적인 mRNA와 경쟁함으로써 이들의 발현을 간접적으로 조절하는 RNA그룹을 칭한다(17). 일부 긴 비번역 RNA는 이런 ceRNA로 작용하는 것이 보고되었는데 예를 들면 CASC2는 miR-181a의 ceRNA로 작용하여 그 타겟인 RASSF6, PTEN, ATM의 발현을 증가시킨다(18). 비슷한 방법으로 NBAT1은 miR-21의 ceRNA로 작용하면서 PDCD4, RECK, TPM1등의 발현을 조절하게 된다(19). 이런 작용은 골육종이나 간암, 위암 등에서 나타나며 향후 더 많은 타겟들이 발굴될 것으로 생각된다(20).

2. 바이오마커로서의 긴 비암호화 RNA

비 암호화 RNA의 또다른 연구분야는 바이오마커로서의 응용이다. 암의 경우 바이오마커는 진단용과 예후 예측용으로 나누어 생각해 볼 수 있는데, 진단용은 영상자료나 다른 검사기법으로 조기진단이 어려운 암에 대하여 긴 비암호화 RNA를 마커로 사용하려는 시도이고 예후예측용은 암 진단 후 특정 치료전략에 대하여 잘 반응할 것인지 또는 어떤 종류의 치료제가 잘 작용할 것인지 정보를 제공하는 것으로 임상적인 중요성이 증가하고 있다.

2.1 혈중에 순환하는 (Circulating) 긴 비암호화 RNA

혈장에 존재하는 긴 비암호화 RNA는 혈액검사를 통하여 검출이 용이하다는 장점이 있다. 그 기능은 아직 많이 연구되지 못했지만 암세포에서 유래하여 다른 세포와의 소통에 관여하거나 혈관형성에도 영향을 줄수 있는데 예를 들면 유방암에서는 DSCAM-AS1이 보고된 바가 있고(21) 신장암에서는 lncRNA gradually increased during hepatocarcinogenesis (GIHCG) 라는 긴 비암호화 RNA가 진단용 마커로서 제시되었다(22). 또한 위암에서는 plasmacytoma variant translocation 1 (PVT1)나 gastric cancer associated transcript 2 (GACAT2)등이 혈장에 존재하는 마커로서 보고된 바 있다(23). 이러한 긴 비암호화 RNA는 기존에 연구되었던 microRNA와 함께 향후 혈액 기반의 진단마커로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2.2 Exosome에 들어있는 긴 비암호화 RNA

Exosome (혹은 extracellular vesicle)은 세포가 능동적으로 배출하는 40-150nm정도의 소포(소낭)이며 세포간의 소통에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 암에서는 이 exosome을 통하여 암의 전이 및 혈관형성 그리고 암 미세환경에서의 면역회피 등이 이루어 진다고 생각되며 최근 연구들이 이를 뒷받침하는 결과들을 보여준다(24). Exosome안에는 단백질과 DNA 그리고 RNA등이 들어 있는데 이 중 긴 비암호화 RNA도 포함 있으며 대표적인 예로 lung cancer에서 발견되는 exosome유래의 긴 비암호화 RNA는 표 4와 같다(25). Exosome 안에 존재하는 RNA는 혈장에 있는 것 보다 더 안정적이고 다른 세포로의 전달성이 뛰어나므로 기능적으로도 더 유용한 바이오마커로 활용될 수 있다고 생각된다.

3. 긴 비암호화 RNA의 번역 현상

긴 비암호화 RNA는 정의상 번역이 되지 않고 유전자 상에 Open Reading Frame (ORF)가 없는 것으로 분류되었지만 최근 Ribosome profiling이라는 기술이나 단백체 분석 그리고 염기서열 분석법의 발달로 인해 일부 lncRNA가 펩타이드 혹은 단백질을 만든다는 사실이 알려지고 있다(26). 이 RNA들은 일반 mRNA와 같이 5’cap과 3’poly A signal을 가지고 있는데 시작암호인 AUG가 없이 비정상적인 번역이 이루어 진다. 예를 들면 HOXB-AS3에서 나오는 펩타이드의 경우는 hnRNPA1이라는 RNA접합 조절인자와 경쟁하여 PKM의 RNA편집을 조절하고 이는 암 대사의 변화를 초래한다(27). 또한 LOC90024라는 긴 비암호화 RNA는 SRSP라는 작은 단백질을 만드는데 이는 Sp4라는 전사인자 단백질의 생산에 영향을 주어 암을 유발하는 L-Sp4라는 아형을 만들도록 유도한다(28). 이 외에도 LINC00266-1는 RBRP라는 단백질을 만들고 LINC00998는 SMIM30를 생산하여 cMyc의 발현이나 MAPK의 활성도를 조절하고 있다(29). 이러한 분자적 현상들은 대장암과 간암, 유방암 등에서 발견되어 암을 촉진하는 새로운 기작으로 이해된다.

결론

지금까지 긴 비암호화 RNA의 다양한 기능과 바이오마커로서의 연구동향 그리고 최근 알려진 번역현상에 대하여 정리해 보았다. 이러한 긴 비암호화 RNA의 연구결과들에 대한 향후 응용방안을 살펴보자면 위에서 소개된 암을 유발하는 긴 비암호화 RNA들의 활성을 저해하기 위한 antisense oligonucleotide를 언급할 수 있다. 최근 연구에 의하면 위암모델에서 PVT1이라는 긴 비암호화 RNA의 antisense oligo (ASO)가 암 성장과 전이를 효과적으로 막는 것으로 보고되었고 뇌종양에서 NEAT1_1 ASO나 HNSCC (두경부 편평세포암)에서의 AC104014.1에 대한 ASO도 암 억제 기능이 기능이 밝혀졌다. 긴 비암호화 RNA는 많은 경우 핵에 위치하는데, 이를 효과적으로 제거하기 위해서 핵에 위치하는 RNaseH를 활성화시키는 Gapmer라는 신개념 ASO도 활발히 연구되고 있다(30). 이와 관련하여 임상시험중인 신약들의 등록 사이트인 clinicaltrials.gov를 검색해 보면 현재 17건의 암 관련 긴 비번역 RNA에 대한 임상연구가 이루어지고 있는데 이중 상당부분은 바이오마커로서 특정 긴 비번역 RNA를 시험하는 것으로 향후 연구결과에 따라 다양한 암종에서의 적용이 기대 된다.

참고문헌

1. Yang G, Lu X and Yuan L (2014) LncRNA: a link between RNA and cancer. Biochim Biophys Acta 1839, 1097-1109
2. Plath K, Mlynarczyk-Evans S, Nusinow DA and Panning B (2002) Xist RNA and the mechanism of X chromosome inactivation. Annu Rev Genet 36, 233-278
3. Cai B, Song XQ, Cai JP and Zhang S (2014) HOTAIR: a cancer-related long non-coding RNA. Neoplasma 61, 379-391
4. Niida H, Matsumoto T, Satoh H et al (1998) Severe growth defect in mouse cells lacking the telomerase RNA component. Nat Genet 19, 203-206
5. Mathieu EL, Belhocine M, Dao LT, Puthier D and Spicuglia S (2014) [Functions of lncRNA in development and diseases]. Med Sci (Paris) 30, 790-796
6. Mattioli K, Volders PJ, Gerhardinger C et al (2019) High-throughput functional analysis of lncRNA core promoters elucidates rules governing tissue specificity. Genome Res 29, 344-355
7. Skulte KA, Phan L, Clark SJ and Taberlay PC (2014) Chromatin remodeler mutations in human cancers: epigenetic implications. Epigenomics 6, 397-414
8. Neve B, Jonckheere N, Vincent A and Van Seuningen I (2020) Long non-coding RNAs: the tentacles of chromatin remodeler complexes. Cell Mol Life Sci
9. Zhu P, Wang Y, Wu J et al (2016) LncBRM initiates YAP1 signalling activation to drive self-renewal of liver cancer stem cells. Nat Commun 7, 13608
10. Zhang H, Wang Y, Liu X and Li Y (2020) Progress of long noncoding RNAs in anti-tumor resistance. Pathol Res Pract 216, 153215
11. Zheng P, Dong L, Zhang B et al (2019) Long noncoding RNA CASC2 promotes paclitaxel resistance in breast cancer through regulation of miR-18a-5p/CDK19. Histochem Cell Biol 152, 281-291
12. Ma S, Yang D, Liu Y et al (2018) LncRNA BANCR promotes tumorigenesis and enhances adriamycin resistance in colorectal cancer. Aging (Albany NY) 10, 2062-2078
13. Zhang CL, Zhu KP and Ma XL (2017) Antisense lncRNA FOXC2-AS1 promotes doxorubicin resistance in osteosarcoma by increasing the expression of FOXC2. Cancer Lett 396, 66-75
14. Teppan J, Barth DA, Prinz F, Jonas K, Pichler M and Klec C (2020) Involvement of Long Non-Coding RNAs (lncRNAs) in Tumor Angiogenesis. Noncoding RNA 6
15. Zhao D, Wang S, Chu X and Han D (2019) LncRNA HIF2PUT inhibited osteosarcoma stem cells proliferation, migration and invasion by regulating HIF2 expression. Artif Cells Nanomed Biotechnol 47, 1342-1348
16. Mao Z, Xu B, He L and Zhang G (2019) PVT1 Promotes Angiogenesis by Regulating miR-29c/Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) Signaling Pathway in Non-Small-Cell Lung Cancer (NSCLC). Med Sci Monit 25, 5418-5425
17. Tay Y, Rinn J and Pandolfi PP (2014) The multilayered complexity of ceRNA crosstalk and competition. Nature 505, 344-352
18. Huang G, Wu X, Li S, Xu X, Zhu H and Chen X (2016) The long noncoding RNA CASC2 functions as a competing endogenous RNA by sponging miR-18a in colorectal cancer. Sci Rep 6, 26524
19. Guan N, Wang R, Feng X, Li C and Guo W (2020) Long non-coding RNA NBAT1 inhibits the progression of glioma through the miR-21/SOX7 axis. Oncol Lett 20, 3024-3034
20. Niu ZS, Wang WH, Dong XN and Tian LM (2020) Role of long noncoding RNA-mediated competing endogenous RNA regulatory network in hepatocellular carcinoma. World J Gastroenterol 26, 4240-4260
21. Moradi MT, Fallahi H and Rahimi Z (2020) The clinical significance of circulating DSCAM-AS1 in patients with ER-positive breast cancer and construction of its competitive endogenous RNA network. Mol Biol Rep
22. D'Aniello C, Pisconti S, Facchini S, Imbimbo C and Cavaliere C (2018) Long noncoding RNA GIHCG is a potential diagnostic and prognostic biomarker and therapeutic target for renal cell carcinoma. Eur Rev Med Pharmacol Sci 22, 1169-1170
23. Tan L, Yang Y, Shao Y, Zhang H and Guo J (2016) Plasma lncRNA-GACAT2 is a valuable marker for the screening of gastric cancer. Oncol Lett 12, 4845-4849
24. Sun Z, Yang S, Zhou Q et al (2018) Emerging role of exosome-derived long non-coding RNAs in tumor microenvironment. Mol Cancer 17, 82
25. Fan T, Sun N and He J (2020) Exosome-Derived LncRNAs in Lung Cancer. Front Oncol 10, 1728
26. Wu P, Mo Y, Peng M et al (2020) Emerging role of tumor-related functional peptides encoded by lncRNA and circRNA. Mol Cancer 19, 22
27. Huang JZ, Chen M, Chen et al (2017) A Peptide Encoded by a Putative lncRNA HOXB-AS3 Suppresses Colon Cancer Growth. Mol Cell 68, 171-184 e176
28. Meng N, Chen M, Chen et al (2020) Small Protein Hidden in lncRNA LOC90024 Promotes "Cancerous" RNA Splicing and Tumorigenesis. Adv Sci (Weinh) 7, 1903233
29. Zhou B, Yang H, Yang C et al (2020) Translation of noncoding RNAs and cancer. Cancer Lett 497, 89-99
30. Fluiter K, Mook OR, Vreijling J et al (2009) Filling the gap in LNA antisense oligo gapmers: the effects of unlocked nucleic acid (UNA) and 4'-C-hydroxymethyl-DNA modifications on RNase H recruitment and efficacy of an LNA gapmer. Mol Biosyst 5, 838-843