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(2006-01-18 01:08:30)
ID
The RNA Polymerase II and basal transcription factors of C. elegans have a irreducibly complex core (황창일)


The RNA Polymerase II and basal transcription factors
of C. elegans have a irreducibly complex core


Hwang Chang-Il *
* NOAH(association of Natural science Oriented to the Attribution of the Holy one)

Abstract

It is well-known that irreducible complex system cannot be explained by Darwinian evolution theory, but which is required an intelligent designer. Through the knock-out experiment of the gene, we can clearly know whether a component of the system is indispensable to irreducible complex system or not. The advance of molecular biology make it possible to knock-out the gene of C. elegans easily. On this paper, I will show that irreducibly complex system in C. elegans can be detected with RNAi database based on a real experimental data.
RNA polymerase II is a enzyme that have a central role of mRNA transcription. In addition, for starting the transcription process, the action of several transcription factors is indispensable. It has been thought that the transcription system is evolutionarily originated from common ancestor because they have a similar structure. However, when the gene of partial subunits that consist of RNA polymerase and basal transcription factors were knock-out in C. elegans, the organism became lethal so that we confirmed that these components are irreducibly complex cores. These kinds of things cannot be explained by progressive Darwinian evolution model.

초록

생화학 시스템에서의 환원불가능한 복잡성은 다윈주의식 진화론에 의해 설명되지 않는, 지적인 설계자를 필요로하는 시스템임으로 알려져있다. 특정 생화학 시스템에서 어느 구성인자가 그 시스템을 환원불가능하게 복잡한 것으로 만드는지의 여부는 해당 유전자를 knock-out시켰을 때 확실히 알 수 있다. 분자 생물학 기술의 발전으로 RNAi 기술을 이용하여 C.elegans에서 유전자를 손쉽게 knock-out시킬 수 있게 되었다. 이 논문에서는 이들 데이터베이스를 기초로하여 C.elegans에서의 환원불가능하게 복잡한 시스템을 실험적 근거에 의해 발견할 수 있음을 보이고자 한다.
RNA polymerase II는 mRNA의 전사의 중심적인 역할을 담당하는 효소이다. 또한 이 효소의 전사 과정을 위해서는 여러 전사인자들의 작용이 필요한 것으로 알려져 있다. 이러한 전사 시스템은 진핵생물에서 유사한 구조를 가지므로 진화론적으로 공통조상에서 기인한 것으로 생각되었다. 그러나, C.elegans의 RNA polymerase II를 구성하는 일부 subunit들과, 전사인자들을 이루는 일부 subunit들은 RNAi실험으로 유전자를 knock-out시켰을 경우 개체가 살아남지 못함므로 이들 구성요소들은 환원 불가능한 복잡성을 이루는 핵심 요소(irreducibly complex core)임을 확인할 수 있었으며, 이는 점진적인 다윈주의식 진화론 모델로는 설명이 불가능함을 알 수 있다.

1. 환원 불가능한 복잡성
생화학 시스템에서의 환원 불가능한 복잡성 개념은 다윈의 블랙박스(풀빛)의 저자 마이클 베히에 의해 처음 소개되었다. 환원 불가능한 복잡성이란 기본 기능에 관여하는 서로 잘 들어맞고 상호작용하는 여러 구성요소로 이루어진 단일한 시스템으로서, 이중 하나를 제거해버리면 그 시스템의 기능이 중단되는 경우를 의미한다. 이러한 시스템의 경우 모든 요소가 한번에 설계가 되지 않고서는 존재할 수 없기 때문에, 점진적인 다윈주의식 진화 과정으로는 설명이 불가능하다는 것이 중심 내용이다. 윌리엄 뎀스키는 이러한 개념을 보완하여 환원 불가능한 핵심(irreducible core)이라는 개념을 아래와 같이 정의하였다.
기본 기능을 수행하는 한 시스템이 잘 들어맞고 상호작용하며 임의로 개별화되지 않는 구성요소를 가지고 있어서 기본적인, 즉 원래의 기능을 유지하는데 필수적인 성분으로 이루어져있다면 주어진 기본 기능에 관여하는 시스템은 환원 불가능하게 복잡하다. 이렇게 필수적인 구성요소는 그 시스템의 환원 불가능한 핵심(irreducible core)라고 한다.
이 환원 불가능한 핵심을 판단할 수 있는 명확한 실험은 유전자 knock-out실험이다. 어떤 연구자가 어떤 시스템이 환원 불가능하게 복잡한 시스템인지를 확인하고자 한다면, 그 시스템을 이루는 개별 유전자들을 하나씩 제거할 수 있다면 개체의 표현형을 보고 그 구성요소가 시스템에 있어서 필수적인 요소인지를 확인할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로 환원 불가능한 핵심 요소를 알 수 있고, 이러한 것들로 구성된 시스템은 환원 불가능하게 복잡한 시스템이라 정의내릴 수 있을 것이다.

2. C.elegans와 RNAi
C. elegans는 후생동물중에서 제일 처음으로 전체 유전체 염기서열이 밝혀진 종이다. C.elegans에서 microarray를 이용한 대용량 유전자 발현 연구, RNAi를 이용한 유전자 기능 스크린, yeast two-hybrid 시스템을 이용한 단백질의 상호작용 맵핑등 전체 유전체를 대상으로 그 기능을 분석하는 연구들이 활발히 진행중이다. 이러한 연구는 새로운 차원에서의 유전자 발현과 그 기능에 대한 통찰력을 제공해 줄 것으로 기대되고 있다.
RNAi기술 이전에 많은 연구자들은 anti-sense oligonucleotide 또는 anti-sense RNA 발현에 의해 유전자의 기능 규명 등의 연구를 수행해왔다. 그러나 이들을 이용한 효과는 발현을 억제하는데 효율적이지 못했다. 흥미롭게도 Dr. Fire 그룹은 특정 유전자의 염기서열에 해당하는 double strand RNA(dsRNA)를 선충 Caenorhabditis elegans의 체내에 넣으면, 그에 대응하는 mRNA가 특이적으로 분해되어 유전자의 기능을 상실하며 또한 투여하는 dsRNA는 분해될 mRNA에 비하여 극히 소량이어도 가능하다는 실험 결과를 관찰하였다. 이러한 RNAi현상의 염기서열 특이성과 기존의 gene knock-out방법보다 간단하고 신속한 유전자 발현 억제 유도 기능으로 인하여 급속하게 전파되어 선충을 이용한 reverse genetics 연구에 활발히 사용되게 되었다. RNAi의 작용 기작은 상보적인 염기서열을 갖는 mRNA가 선택적으로 분해되거나 translation이 억제되는 현상이다. 해당하는 RNA와 mRNA간의 상보성 정도에 따라 그 작용 기작이 달리 유도된다고 알려져있는데 100% 상보적인 경우는 mRNA 분해를, 약 90% 상보적인 경우는 mRNA의 분해없이 translation 억제를 유도한다고 알려지고 있다.

3. 왜 RNAi와 C.elegans인가?
유전자를 knock-out시키는 실험은 환원불가능한 핵심 요소를 판별하는데 사용할 수 있는 매우 확실한 방법으로 생각되고 있다. 어떤 시스템에 있어서 그 시스템을 이루는 한가지 성분만을 제거했을 경우 그 요소가 시스템을 작동시키는데 필수적인지 그렇지 않은지를 확인할 수 있기 때문이다. Knock-out실험은 주로 생쥐를 모델로 하여 이루어져 왔는데 이러한 실험은 생쥐의 배아를 다루어야하며 낮은 recombination 확률로 인하여 실험이 쉽지 않다는 단점이 있다. 하지만 RNAi 실험은 매우 효율적으로 유전자를 knock-out 시킬 수 있다는 장점이 있고 이를 C.elegans에 적용할 경우 상대적으로 손쉽게 실험 결과를 확인할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 효율성으로 인해 대용량으로 유전자의 기능을 연구하는데 활용되고 있으며 , C. elegnas의 특정 시스템이 환원불가능한 핵심 요소인지를 판별하는데에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 이러한 데이터가 데이터베이스화되어 웹상에서 검색할 수 있으므로 효율적인 연구가 가능할 것으로 기대된다.

4. RNA polymerase
원핵세포의 RNA polymerase는 여러 개의 subunit로 구성된 거대분자이다. 대장균(E. coli)의 RNA polymerase는 5개의 subunit로 구성된 복합체로 α subunit 2개, β 및 β' 그리고 σ subunit로 구성되어 있으며 완전효소(holoenzyme)는 α2ββ'σ로 표시된다.
이들 중 핵심효소(core enzyme, α2ββ') 부분만으로도 전사를 진행할 수 있으나 특이한 RNA의 합성(정확한 전사 개시)은 불가능하다. RNA polymerase가 promoter 자리를 특이하게 인식하기 위해서는 개시인자인 σsubunit가 필요하다. 더욱이 특이한 σ 인자들은 유전자들을 구별하여 인식할 수 있다. 원핵세포의 RNA polymerase는 rifampicin이라는 항생물질에 의해 저해되는데 이것은 RNA polymerase의 β subunit에 결합하여 효소활성을 저해한다.
진핵세포에 있어서 RNA-polymerase는 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ형이 있다.(그림 1) Ⅰ형은 핵소체에 서 rRNA의 합성에 관여하고 Ⅱ형은 핵질에서 mRNA 전구체의 합성에 관여하며 Ⅲ형도 핵질에서 tRNA나 5S-RNA 등의 저분자 RNA의 합성에 관여하고 있다. 이들 효소도 여러 개의 subunit로 구성되어 있으나 각 subunit의 기능은 아직 잘 밝혀져 있지 않다. Ⅳ형은 mitochondria 내에 존재하며 이 소기관의 독자적인 RNA 들의 합성을 담당한다.
모든 진핵생물은 RNA polymerase II에 의해 합성되는 mRNA를 통해 단백질을 합성한다. C. elegans의 RNA polymerase II의 기능이 정지된다는 것은 C. elegans 개체의 생존에 치명적일 것이며 치사율이 100%에 이른다는 것은 그 시스템이 정지됨을 의미한다고 추론할 수 있을 것이다.

KEGG pathway 데이터베이스에서 각 종의 RNA polymerase의 subunit을 확인할 수 있었으며 , C.elegans의 RNA polymerase 시스템의 RNAi 실험 결과는 RNAi database에서 확인할 수 있었다. KEGG pathway 데이터베이스에서는 각 종마다의 ortholog 단백질 시퀀스 혹은 유전자 시퀀스를 비교 정리함으로서 여러 종에서의 RNA polymerase 시스템이나 전사 인자에 관련된 시스템을 비교할 수 있도록 되어 있다.


그림1. 원핵생물과 진핵생물의 RNA polymerase 기본 구조


그림2. C. elegans의 RNA polymerase의 구조(녹색 표시가 C.elegans의 구성성분이다)

그림 2에서 볼 수 있듯이 C. elegans의 RNA polymerase II는 B1, B2, B3, B5, B6, B7, B8, B9, B10, B11, B12 총 11개의 복합체로 구성되어 있다. 이 유전자들이 C. elegans에서 knock-out되었을때의 표현형을 RNAi 데이터베이스에서 검색하면 표1과 같다. B1, B3, B8, B11 4개의 유전자에 대해서는 100%가 치사하는 것을 확인할 수 있었으며, B6의 경우는 정상, 나머지에 대해서는 그 표현형이 데이터화되어있지 않았다.

표1. C. elegans의 RNA polymerase의 RNAi 데이터와 표현형



5. Basal transcription factors
RNA polymerase 시스템의 복잡성을 더욱 복잡하게 만드는 또 하나의 사실은 RNA polymerase II가 작용하기 위하여서는 transcription factor가 필수적이라는 사실이다. RNA polymerase II 스스로는 transcription 시작을 하지 못한다. TBP가 TATA box라 불리우는 곳에 결합하고 TFIID가 promoter부위에 결합하는 등 여러 인자들이 결합하여 소위 transcription initiation complex를 형성해야 transcription이 시작된다. KEGG pathway 데이터베이스에서 각 종의 전사 인자들의 subunit을 확인할 수 있었으며, C.elegans의 전사 인자들에 대한 RNAi 실험 결과는 RNAi database에서 확인할 수 있었다.

표2. C. elegans의 전사인자의 RNAi 데이터와 표현형

* 100% 치사율인 경우 노란색 표시를 하였다.



표2에서 볼 수 있듯이 TBP, TFIID1, TFIID4, TFIID7 총 4개의 유전자를 각각 knock-out 시켰을 때 100% 치사율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 8개 유전자에 대한 데이터는 아직 찾을 수 없었고 나머지의 것들은 부분적인 치사율을 보이거나 성장의 지연등 이상현상이 나타나기도 했지만 100%의 치사율을 보이진 않았다. TFIID5, TFIID6, TFIID9, TFIIF1, TFIIH3의 경우는 유전자가 knock-out되어도 생명현상에 지장이 없었다.

6. 고찰
앞서 살펴본바대로 C. elegans에서의 RNA polymerase II의 B1, B3, B8, B11 4가지 구성성분은 RNA polymerase II 시스템을 환원 불가능하게 만드는 최소한의 핵심 요소라 볼 수 있다. 또한 전사인자인 TBP, TFIID1, TFIID4, TFIID7 역시 RNA polymerase II의 작용을 위해 필요한 한 시스템을 환원 불가능하게 만드는 최소한의 핵심 요소라 볼 수 있다. 아직 그 데이터베이스로 구축되지 않은 데이터도 있기 때문에 위의 것들은 최소한의 환원 불가능한 핵심(irreducible core)으로 볼 수 있을 것이다. 하지만 이들 요소만으로도 충분히 RNA polymerase II, 전사인자로 구성된 mRNA 전사 시스템은 환원 불가능하게 복잡한 시스템이라 정의내릴 수 있을 것이다.

예상되는 반론은 각 종마다의 염기서열 혹은 구조적 유사성을 들어 진화의 증거, 즉 공통조상을 갖는다는 주장이다. 하지만 여기에서 제기하고자하는 문제는 이를 일으키는 메커니즘에 관한 것이다. 과연 C. elegans의 환원불가능하게 복잡한 전사(transcription) 시스템이 이보다 하등한 어떤 시스템에서 자연선택을 통해 구성될 수 있겠는가하는 것이다. 이러한 구별은 이미 잘 알려진 내용이다. 반론을 제기하려는 연구자들은 homology 데이터로 반론을 펴기보다는 그 메커니즘에 집중하여 반론을 펴야할 것이다.

마지막으로, C. elegans의 RNAi 실험은 환원 불가능한 복잡성을 위한 연구에 유용할 것이라 생각된다. 유전자의 knock-out이 비교적 쉽게 이루어질 수 있으며 이의 데이터베이스화가 추진되고 있으므로 이러한 데이터를 이용하여 환원 불가능한 생화학적 시스템을 정리할 수 있을 것이라 생각된다.

7. Reference

1. 다윈의 블랙박스(풀빛), 마이클 베히 저, 김창환 외 역.

2. Dembski William. No Free Lunch: Why Specified Complexity Cannot Be Purchased without Intelligence. Rowman & Littlefield, Lnaham, MD. P.256.

3. ISCID June 5, 2003 On the Application of Irreducible Complexity, Joshua A. Smart.

4. Science 1998, 282:2012-2018

5. Current Opinion in Cell Biology 2003, 15:206-212

6. Current Opinion in Genetics & Development 2002, 12: 225-232

7. ISCID June 5,2003 On the Application of Irreducible Complexity, Joshua A. Smart

8. http://www.genome.jp/kegg/pathway.html

9. http://www.rnai.org

10. Mayr, E. (1991). One long argument: Charles Darwin and the genesis of modern evolutionary thought.(Havard University Press: Cambridge, Mass.)



   과학과 설계 (윌리엄 뎀스키)

ID
2006/01/18

   비판에 대한 답변: 출판하지 않으면 사라진다 (마이클 베히)

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2006/01/18
   

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