DNA에서 RNA를 만드는 과정!! 전사(transcription)에 관한 모든것 (1)

RNA를 만드는 과정 전사란 무엇일까?

 

 

 

유전자 발현은 유전 정보가 DNA에서 RNA로 그리고 RNA에서 단백질로 전달됨으로써 이루어진다. RNA 분자는 DNA-의존성 RNA 중합효소라 불리는 효소에 의해 촉매 되는 중합 반응으로 한 가닥의 DNA의 염기서열을 주형으로 사용하여 합성된다. RNA 분자의 합성이 개시, 연장, 종결되는 과정을 전사라 한다. 이번 포스팅에서는 RNA나 DNA의 합성에 상보적인 염기쌍 형성이 공통적이나 몇 가지 점에서 RNA 합성이 DNA 경우와 다름을 볼 수 있을 것이다. 그 예로써 두 가닥인 이중나선이 전사에 쓰이나 합성 산물인 RNA는 외가닥이라는 점이나 전체 DNA 중 일부만이 특정 RNA로 만들어지기 때문에 비교적 그 길이가 짧다는 점 등이다. 우선 원핵세포의 전사를 살펴보고 난 다음 좀 더 복잡한 진핵세포의 경우를 살펴보게 된다. 비교적 단순한 특성 때문에 전사에 관한 많은 초기 연구는 원핵세포에서 이루어졌다. 실제로 mRNA의 존재가 확인된 것도 대장균에 대한 몇 가지의 멋진 유전적 실험에 의한 것이었다. 이 mRNA를 통해서 DNA에 기록된 정보가 아미노산의 서열로 바뀐 단백질로 전환된다.

 

이번 포스팅에서 전사를 다음 세 가지 관점에서 다루고자 한다. 첫 번째 RNA 합성에 관여하는 효소, 두 번째 DNA 분자의 어느 자리에서 전사가 시작되고 멈춰지는가를 결정하는 신호, 세 번째는 전사 산물의 유형과 어떻게 그들이 세포가 필요로 하는 RNA 분자로 전환되는 가의 세 가지이다. 그런 연후에 진핵 세포의 전사에 대해 다루고 마지막으로 RNA를 연구할 떄에 필요한 실험과정을 정리하였다.

 

 

 

RNA의 효소 합성

 

 RNA 중합의 기본적 특징과 전구체, 주형, 중합효소의 특성, 그리고 RNA 사슬 합성의 개시 연장 및 종결의 기작 등을 다룬다. RNA 합성에 있어서의 핵심적인 화학적 특징은 다음과 같다.

 

1. RNA 합성에 있어서의 전구체는 4개의 리보누클레오시드 5'-삼인산 즉 ATP, GTP, CTP, UTP이다. 각 NTP의 리보오스의 2'와 3' 탄소 원자에 OH기가 각각 1개씩 있다.

2. 중합 반응에서 RNA의 3'-OH기가 전구체인 rNTP의 5'-인산기와 반응한다. 이때 이 인산이 제거되고 인산 디에스테르 결합이 형성된다. 이는 DNA 합성에서 일어나는 반응과 동일한 것이다.

3. RNA 분자의 염기 서열은 DNA의 염기 서열에 의해 결정된다. RNA 사슬의 신장하는 말단에 차례로 첨가되는 염기는 주형으로 사용되는 DNA 가닥과 염기쌍을 이룰 수 있는 것이어야 한다. 따라서 DNA 가닥의 염기 C, T, G, A는 각각 G, A, C, U로써 새로운 RNA 분자에 첨가되게 된다.

4. 전사되는 DNA 분자는 이중 사슬이지만 전사가 이루어지는 부위에서는 한 가닥만이 주형으로서 작용한다. DNA의 두 가닥은 잠시 벌어지고 이 중 한 가닥이 주형으로 작용하게 된다.

5. RNA 사슬은 5'-3' 방향으로 신장한다. 즉 주크레오타이드가 신장하는 사슬의 3'-OH 말단에만 첨가되는 것이다. 이 특성은 DNA 합성에서와 동일하다. 따라서 RNA 가닥과 DNA 주형은 서로 역평행 하게 된다.

6. RNA 중합 효소는 DNA 중합효소와는 달리 사슬의 신장을 개시할 수 있다. 즉 프라이머가 필요 없다.

7. 리보뉴클레오시드 5'-삼인산이 RNA 합성에 쓰인다. 개시될 때도 마찬가지로 첫 번째 염기는 삼인 산형이며 이 누클레오 타이드의 3'-OH기가 다음에 오는 뉴클레오타이드의 부착점이 된다. 따라서 신장하는 RNA 분자의 5' 말단은 삼인산이다.

 

여기서 XTP는 RNA 사슬의 5' 말단에 있는 첫 뉴클레오타이드를 나타내고 NMP는 RNA 사슬의 뉴클레오타이드이며, RNA-P는 RNA 중합효소, 그리고 PPi는 누클레오 타이드가 신장하는 사슬에 첨가될 때마다 방출되는 피로인산을 나타낸다 마그네슘 이온은 모든 색산의 중합 반응에 필요하다.

 

대장균 RNA 중합효소는 두 개의 동일한 알파 단위체 그리고 한 개씩의 베타와 알파 단위체 즉 5개의 단위체로 구성된다. 알파 단위체는 전체 효소로부터 쉽게 분리될 수 있는데, 실제로 중합 과정 초기가 지나면 분리가 된다. 전 효소는 완전한 효소를 의미하며 핵심 효소는 전 효소에서 알파 단위체가 떨어져 나간 효소를 의미한다. 일반적으로 RNA 중합효소라고 하면 전 효소를 지칭한다. RNA 중합효소는 매우 큰 효소 분자 중의 하나이며 전자 현미경하에서 쉽게 관찰할 수 있다.

 

RNA의 합성은 다음과 같이 4단계로 이루어진다. (1) RNA 중합 효소가 주형의 특정 부위에 결합, (2) 개시, (3) 사슬의 연장, (4) 사슬의 종결과 분리, 각 단계에 대한 상세한 내용은 이어서 설명하도록 하겠다.

 

 

 

 

전사 신호

 

전사의 첫 단계는 RNA 중합효소가 DNA 분자에 결합하는 것이다. 결합은 약 40염기로 구성된 프로모터(promoter)라는 특정 장소에서 일어나며, 여기서 여러 상호 작용이 일어나게 된다. 프로모터에 대장균의 RNA중합효소가 자리 잡을 때에 가장 중요한 접촉은 DNA의 두 군데의 수 개의 염기서열 부분에서 일어난다. 이 부분은 RNA의 첫 염기를 지시하는 염기의 앞쪽으로 10 염기 근처와 35 염기 근처에 해당하는 부분이다. 전사체의 첫 염기를 지시하는 염기는 전사의 시작 부분이 되며 이를 +1이라 칭한다. 따라서 위의 두 부분은 -10과 -35 근처에 해당한다. RNA 중합효소의 알파 단위체에는 두 개의 알파-나선이 있고 이 부분의 일부 아미노산은 DNA의 주 홈 부분의 염기쌍의 노출된 부분과 특이적 접촉을 한다. 두 부분의 알파-나선이 언급한 두 부분의 DNA 부분과 동시에 접촉됨으로써 중합효소는 그 위치를 잡게 된다. DNA에서 한 번의 나선 간격이 10-11 염기쌍에 해당하므로, 이와 같은 접촉은 대체적으로 DNA에서 두 번의 나선 간격 즉 78 핵타르 떨어진 동일 면에서 이루어진다. 대장균의 RNA 중합효소는 프로모터에 붙어 있을 시에 -55부터 +20의 70-75 염기쌍을 감쌀 수 있는 큰 단백질이며 따라서 어렵지 않게 언급한 두 부분과 접촉이 가능하다.

 

수많은 프로모터의 염기서열이 알려져 있다. 위에 표시된 그림에서는 수 개의 대장균  프로모터의 염기서열의 일부가 예시되어 있으며 mRNA의 시작부분과 -10, -35 근처 부분은 청색으로 표시되어 있다. 아주 특이한 점은 두 주요 부분을 제외하고는 그 염기서열들이 같지도 유사하지도 않다는 점이다. 청색으로 표시한 -7 ~ -12 근처가 서로 유사하고 또 -30 ~ -35 근처가 서로 유사하다. -10 근처의 염기서열은 기본적으로 TATAAT의 변형으로 -35 근처는 TTGACA의 변형으로 간주된다. 보존 염기서열이란 실제의 여러 예에서 한 두 염기서열 이하의 차이를 보이는 공통 염기서열을 칭한다.

 

많은 프로모터 경우에 두 접촉 부분의 염기서열중 한쪽은 보존 염기서열과 상당히 다르다. 이러한 경우에는 RNA 중합효소가 해당 염기서열을 잘 인식하지 못하며 따라서 이 프로모터에서는 전사가 잘 되지 않는다. 많은 양의 발현이 필요하지 않은 유전자들 경우에는 별 문제가 없지만, 그렇지 않은 경우에는 RNA 중합효소가 프로모터에 잘 붙도록 도와주는 보조 단백질이 필요하게 된다.

 

이와 같은 작용을 하는 보조 단백질을 유전자 활성 단백질이라 하며 이는 기본적으로 양성적 영향 자라 하겠다. 예를 들어 A 프로 모토는 a 단백질이 존재할 때만 활성화된다. 이들 유전자 활성자는 프로모터에 가까이 또는 그 내부에 있는 특정 염기 배열에 결합하여 프로모터에 정확히 위치할 때 RNA 중합효소가 결합할 수 있는 표면을 제공한다. 따라서 유전자 활성 단백질은 인식 염기서열이 좋지 않은 프로모터에 RNA 중합효소가 잘 붙도록 돕는 역할을 한다. 잘 알려진 또 다른 예의 효과 단밸질로 CAP단백질이 있다. 이 단백질은 당 대사에 관계되는 많은 유전자의 프로모터를 활성화하는데 필요하며, CAP단백질의 결합능력 조절이 이 유전자들에서는 핵심적인 발현 조절 방법이다.

 

일단 RNA 중합효소가 프로모터에 붙고 나면 +3 ~ -10 근처의 염기쌍에 해당하는 일부분을 풀어내어 개방프로모터 복합체를 형성한다. 이러한 풀림은 새로 안으로 들어오는 RNA의 합성의 전구체인 리보누클레오타이드의 짝짓기에 필요하다. 이 부분의 염기서열은 일반적으로 A와 T가 풍부하여 DNA가 용이하게 풀리게 된다.

 

일단 개방프로모터 복합체가 형성되면 RNA 중합효소는 RNA  합성을 개시하게 된다. RNA 중합효소는 2개의 누클레오 타이드 결합 자리를 가지고 있는데 개시 자리와 신장 자리가 그것이다. 개시 자리는 퓨린 삼인산, 즉 ATP 또는 GTP 하고 결합하기 때문에 ATP 또는 GTP가 사슬의 첫 누클레오 타이드가 된다. 따라서 전사되는 첫 DNA 염기는 주로 티민 또는 사이토신이다. 이 첫 누클레오 시드 삼인산은 개방 프로 보터 복합체의 효소와 결합하여 상보적인 DNA 염기와 수소 결합을 하게 된다. 그러고 나서 신장 자리에 DNA 가닥의 다음 염기와 수소 결합을 할 수 있는 뉴클레오시드 삼인산이 자리 잡게 된다. 2개의 누클레오 타이드는 서로 결합되고 RNA 중합효소는 다음 염기쌍 쪽으로 DNA를 따라 이동한다. 이와 같은 이동과 더불어 +4 위치의 염기쌍은 벌어지고 -10은 합쳐져서 결국 한 염기쌍의 위치만큼은 이동을 했으나, 동일 크기인 13 염기쌍만큼은 풀린 채로 유지된다. 

 

다음 내용은 다음 포스팅에서 이어 진행하도록 하겠습니다.