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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10012307&local_id=10014296
네트워크 이론을 사용한 리보솜 RNA (rRNA)의 구조적 특성에 관한 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 네트워크 이론을 사용한 리보솜 RNA (rRNA)의 구조적 특성에 관한 연구 | 2005 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 이창용(공주대학교(예산)) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number H00052
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 05월 14일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research Summary
  • Korean
  • 최근까지 RNA는 DNA에서 전사를 통해서 만들어지며, DNA에서 mRNA를 거쳐 단백질 합성에 이르는 중간 과정 정도로 인식되어 왔다. 그러나 21세기 들어 유전정보를 가지고 있는 mRNA 외에 약 95%에 이르는 대부분의 RNA는 번역되지 않은 채 남아 있다는 사실을 새롭게 인식하면서 non-coding RNA(ncRNA) 연구의 중요성이 대두되었다. 특히 RNA 중 뉴클레오티드(nucleotide)의 개수가 많으며 ncRNA의 대부분을 차지하고 있는 rRNA는 단백질 합성을 위한 효소로 매우 중요한 역할을 담당하고 있으나 고분자인 관계로 과거에는 그 구조를 규명하기가 쉽지 않았다. rRNA 구조에 대한 기존의 연구는 주로 비교 서열 분석 중 하나인 공변(共變) 분석법을 사용한 이론적 연구와 전자현미경, NMR, 그리고 X-선 결정학 등을 통한 실험적 연구가 주를 이루었다. 그러나 기존의 rRNA 분자 구조 및 기능에 대한 연구는 주로 정성적인 것으로 분자 구조의 형태, mRNA와 tRNA 결합 위치, 서열 모티브 등을 밝힐 수 있었지만 분자 구조의 보다 구체적인 특성을 밝히는데 한계가 있다. 따라서 이러한 구조적 특성을 규명하기 위해서는 기존의 정성적 연구 결과를 기초로 하여 정량적인 연구가 추가적으로 수행되어야 한다. 이러한 관점에서 볼 때, 구조에 대한 정량적인 연구는 rRNA의 구조적 특성에 대한 보다 심층적인 분석을 가능하게 하며, 이를 바탕으로 단백질 합성 메커니즘을 포함한 rRNA의 기능을 보다 정확하게 이해 할 수 있는 근거를 제시할 수 있다. 본 연구에서는 X-선 결정학 및 공변(共變) 분석법 등으로 구조와 대체적인 기능이 밝혀진 Thermus thermophilus 박테리아의 16S rRNA와 Haloarcula marismortui 박테리아의 23S rRNA에 대한 2차 구조(secondary structure) 및 3차 구조(tertiary structure)를 수학, 전산학 등에서 연구되어 왔던 네트워크 이론(network theory)과 통계 물리학의 정량적인 방법론들을 사용하여 rRNA의 구조적 특징을 정량적으로 연구하였으며 이를 통하여 rRNA의 기능에 대한 이해와 RNA 접힘 문제 해결 등에 응용 가능한 연구 결과를 도출하였다. 나아가 이러한 정량적인 분석은 RNA 접힘 문제 등과 같은 학술적, 산업적으로 중요한 문제를 해결하는 실마리를 제공할 뿐만 아니라 계산생물학 분야의 새로운 영역을 개척하는 효과를 거둘 수 있다. 특히 RNA 접힘 문제는 여러 방향에서 연구가 진행되고 있으나 아직 별다른 결과를 낳지 못하고 있음을 감안할 때, 본 연구는 RNA 접힘 문제 해결을 위한 구조적 측면에서 접근하는 방법으로 매우 유용하다 하겠다.
  • English
  • RNA, being transcribed from DNA, has been considered as an intermediate step for the protein synthesis via mRNA. Besides mRNA which contains the genetic information, however, the fact that about 95% of RNA is remained untranslated is newly recognized. Because of this, the importance of the study on the non-coding RNA has emerged. In particular, although the ribosomal RNA (rRNA), which consist of 1500-3000 nucleotides, plays very important role in the protein synthesis as an enzyme, it has been difficult to analyze its structure because of its size. Previous studies on the structure of rRNA are mainly composed of the theoretical study such as the co-variation analysis in the comparative sequence analysis, and experimental study such as the x-ray crystallography. Most of these studies, however, focused on the qualitative aspect and unraveled such characteristics as the general structure of the molecule, the binding sites of mRNA and tRNA, and the sequence motif. However, these studies have a limit finding better specific characteristics of rRNA. Therefore, in order to find detail structural as well as functional characteristics of rRNA, it is necessary to perform additional studies from the quantitative perspective in addition to the qualitative studies. In this respect, the quantitative studies on the structure lead to a deeper analysis and will provide the basis for the more accurate understanding of the rRNA functions including the protein synthesis mechanism. In this study, we construct four networks of the secondary and tertiary structure of both Thermus thermophilus 16S rRNA and Haloarcula marismortui 23S rRNA. With the networks, we applied the complex network theory from the mathematics and computer science and various quantitative methods from the statistical physics to unravel their structural characteristics in terms of its function and rRNA folding problem.
Research result report
  • Abstract
  • 본 연구에서는 X-선 결정학 및 공변(共變) 분석법 등으로 구조와 대체적인 기능이 밝혀진 Thermus thermophilus 박테리아의 16S rRNA와 Haloarcula marismortui 박테리아의 23S rRNA에 대한 2차 구조(secondary structure) 및 3차 구조(tertiary structure)를 수학, 전산학 등에서 연구되어 왔던 네트워크 이론(network theory)과 통계 물리학의 정량적인 방법론들을 사용하여 rRNA의 구조적 특징을 정량적으로 연구하였으며 이를 통하여 rRNA의 구조적 특징뿐만 아니라 기능에 대한 이해와 RNA 접힘 문제 해결 등에 응용 가능한 연구 결과를 도출하였다.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구는 기존의 공변 분석 및 X-선 결정학 등을 통하여 밝혀진 rRNA 구조를 사용하여 rRNA의 구조적 기능적 특성에 대한 연구를 정량적으로 수행함으로 기존의 정성적 연구들을 통하여 밝혀진 rRNA 분자 구조에 더하여 보다 심층적인 이해를 가능하게 한다. 또한 구조에 대한 보다 자세한 정량적 연구 결과를 통하여 단백질 합성에 직접적으로 관여하는 rRNA 분자의 기능에 대한 보다 정확한 이해가 가능하며, 나아가 RNA 접힘 문제 등의 해결에 실마리를 제공할 수 있다. 또한 본 연구는 기존 네트워크 연구에 적용되어 온 여러 정량적인 방법론들을 rRNA 분자 네트워크에 적용할 뿐만 아니라, 새로운 접근 방법론인 연결 사이성 및 상관관계 분석 등 새로운 연구 방법론을 사용함으로 rRNA 분자 구조에 대한 기존의 정성적인 연구 방법론에서 한 단계 더 나아가 정량적인 연구 방법론으로 발전시키는 계기를 마련할 수 있다.
    본 연구는 분자생물학과 전산학, 수학, 물리학 등의 여러 학문 분야에서 서로 독립적으로 연구된 주제와 방법론을 학제 간 연구를 통하여 통합하여 연구함으로 학문적 시너지 효과를 누릴 수 있다. 특히 기존의 분자생물학이 주로 정성적인 관찰 및 기술에 의존한 것에서 탈피하여 모델 설정을 통한 시뮬레이션 및 정량적 분석을 수행함으로 관련 분야의 연구 활성화에 기여할 수 있다. 생물학 분야에서 정량적인 연구가 실험적이며 정성적인 연구에 비하여 아직 뒤 떨어지고 있음을 감안할 때 본 연구는 정량적인 연구가 주를 이루는 소위 계산생물학 분야의 연구 활성화에 기여할 수 있다. 특히 관련 분야가 아직 세계적으로도 그 연구가 초기 단계에 있음으로 국내에서 이와 같은 연구를 수행함으로 관련 분야의 연구를 주도할 수 있을 뿐만 아니라 국제적으로도 경쟁력을 확보할 수 있다.
    본 연구는 rRNA 분자 구조를 정량적으로 연구한다는데 있어 그 중요성을 찾을 수 있으며 본 연구의 결과는 단백질 합성에 있어 rRNA 분자의 기능에 대한 정량적 연구 및 RNA 접힘 문제 등 많은 후속 연구를 파생시킬 수 있다. 또한 본 연구를 통하여 확립된 정량적인 방법론들은 유사 관련 연구에 적용될 가능성이 높으며, 향 후 본 연구에 더하여 다양한 측면에서 후속 연구들을 파생시킬 수 있다. 특히 RNA 접힘 문제는 실용적인 중요성과 학문적 중요성을 동시에 가지고 있는 문제로 그 중요성에 비하여 단백질 접힘 문제에 비하여 비교적 연구가 활성화 되고 있지 않다. 따라서 본 연구의 결과는 RNA 접힘 문제를 해결하는데 직접 혹은 간접적으로 활용될 수 있다.
    본 연구는 방법론 측면에서 볼 때 최근 각광을 받고 있는 생물정보학(bioinformatics)의 한 부분으로 간주할 수 있으며 본 연구를 통하여 생물정보학 분야의 국내 연구의 활성화 및 생물정보학 교육에 활용 될 수 있다. 또한 본 연구의 결과는 생물학이 추구하는 궁극적인 목표 중 하나인 신약 개발(drug design)에 활용될 수 있으며 바이오 나노(bio-nano) 등 나노 기술에 응용이 가능하다.
  • Index terms
  • 리보솜(ribosome), 리보솜 RNA(ribosomal RNA, rRNA), 네트워크 이론(network theory), 연결사이성 (betweenness), rRNA 구조, 장거리 상관관계(long-range correlation), 나선(helix), 뉴클레오티드(nucleotide)
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