일반생물학, 생물학의 기본 - 유전자 발현 (1)

1. 중심원리(Central dogma)

DNA는 단백질 합성에 필요한 유전 정보를 갖고 있지만 직접적으로 단백질 합성에 관여하지 않는다. DNA의 필요한 유전 정보 일부가 복사기에 복사되듯 mRNA의 형태로 전사된다. mRNA는 세포질에서 rRNA와 단백질이 합쳐진 리보솜과 tRNA의 도움을 받아 단백질로 번역된다. DNA가 전사되고 단백질로 번역되는 이 과정을 중심원리(Central dogma)라고 명명한다.

AIDS 바이러스와 같은 일부 레트로바이러스(retrovirus)는 중심원리에서 벗어나 있으며 RNA를 통해 DNA 서열을 결정한다. 레트로바이러스는 숙주세포의 전사 기구에 의존하여 더 많은 RNA를 생산하고 생산된 RNA를 통해 바이러스의 단백질을 만들거나 바이러스 유전체로 사용되면서 새로운 바이러스 입자에 포함된다. 

DNA에 암호화되어있는 유전 암호는 유전자에서 전사된 mRNA의 뉴클레오타이드 서열을 통해 해당 단백질의 아미노산으로 번역된다. 다시 말해 유전암호는 단백질 합성에 어떤 아미노산이 사용될지를 결정한다. 유전 암호는 세 개의 염기로 이루어진 코돈으로 구성된다. 지구상의 모든 종은 동일한 기본 유전 암호인 코돈을 사용한다. 

 

2. DNA 전사

 

(1) 전사 과정

RNA는 DNA를 주형으로 한 상보적인 단일 가닥 서열이다. DNA의 타이민(T) 대신 RNA의 유라실(U)이 있고, RNA는 당으로 데옥시리보스 대신 리보스를 갖는다. RNA 서열은 DNA 주형 가닥이 아니라 비주형 가닥의 서열과 같다. 우리는 주로 단백질 번역에 직접적으로 관련 있는 mRNA의 전사 과정에 집중할 것이다.

 

1. 개시

 

RNA 중합효소가 프로모터(promoter)라고 하는 특수한 DNA 서열에 결합하면 전사가 시작된다. 진핵세포는 유전자마다 일반적으로 각각 하나의 프로모터를 가진 반면 원핵세포는 여러 개의 유전자가 하나의 프로모터를 공유한다. 결과적으로 진핵세포는 1개의 전사단위에 1개의 유전자를 갖고 있는 모노 시스트론(monocistron)인 반면 원핵세포와 바이러스는 1개의 전사 단위에 여러 개의 유전자를 가진 폴리 시스트론(polycistron)이다.

프로모터에 RNA 중합효소가 결합한다. RNA 중합효소는 자체적으로 헬리케이스(helicase) 활성이 있기 때문에 스스로 DNA 사슬을 풀 수 있다. RNA 중합효소 자체만으로는 프로모터와 결합력이 떨어진다. 원핵생물은 시그마 인자(sigma factor) 진핵생물은 전사인자(transcription factor)를 통해 프로모터와의 친화도를 높인다. 

 

2. 신장

RNA 중합효소는 3'에서 5' 방향으로 DNA 주형 가닥을 읽어나간다. 새로운 RNA의 첫 번째 뉴클레오타이드는 5' 말단을 형성하고, 뒤이어 DNA 뉴클레오타이드들이 3' 말단에 첨가된다. RNA 중합효소는 교정 판독 기능이 없기 때문에 10,000~100,000 염기 당 하나의 비율로 잘못된 mRNA가 만들어진다. 그러나 mRNA는 비교적 짧기 때문에 DNA 돌연변이만큼 치명적이지 않다.

 

3. 종결

DNA 주형 가닥의 개시 부위가 전사 개시점을 지정하듯 특정한 염기서열들이 종결 부분을 지정한다. mRNA 전사 종결은 원핵세포와 진핵세포에서 차이를 나타낸다.

원핵세포는 rho 비의존성 종결과 rho 의존성 종결로 나누어진다. rho 비의존성 종결은 mRNA 전사물이 헤어핀(hairpin) 구조를 형성하게 되면서 전사 속도가 느려진다. 이후 RNA 중합효소가 poly A 서열을 전사하게 되면서 상대적으로 약한 수소결합을 형성하고 있는 A와 U 사이 결합으로 인해 mRNA가 분리된다. rho 의존성 종결은 RNA 결합 단백질인 rho에 의해 mRNA가 분리되는 기작이다.

진핵세포는 AAUAAA라는 폴리아데닐화 신호 서열을 전사하게 되면 RNase의 endonuclease 활성에 의해 절단되면서 DNA로부터 방출됨으로써 전사가 종결된다.

(2) mRNA 가공

진핵생물의 mRNA는 번역되기 전에 가공된다. 

 

1. 5' 캡

mRNA 전사가 시작되면 5'쪽 말단에 화학적으로 변형된 구아노신 3인산(GTP) 분자가 첨가된다. 5' 캡은 번역과정에서 리보솜과의 결합을 용이하게 하고 mRNA가 세포질에서 RNase에 의해 분해되는 것을 방지한다. 

 

2. 스플라이싱을 통한 인트론 제거

진핵생물에는 인트론(intron)이라는 유전 정보를 갖고 있지 않은 비암호화 염기서열이 종종 진핵생물 유전자에 나타난다. 반면 유전적으로 의미 있는 부분은 엑손(exon)이라 한다. 핵 안에서 진핵생물의 mRNA의 인트론은 RNA 스플라이싱 과정을 통해 제거된다. 인트론이 제거되고 남은 엑손끼리 연결되면서 성숙한 mRNA가 된다. 생체 내에서 유전자의 종류보다 단백질의 종류가 더 많다. 이것은 대체 스플라이싱 과정을 통해 엑손을 제거하면서 다양한 엑손끼리의 조합을 만들게 되므로 가능해진다. 

 

3. 폴리 A 꼬리

폴리 A 꼬리는 전사 종결 시 mRNA 전구체의 3' 말단에 첨가된다. 진핵생물에서는 mRNA 전구체의 5' 말단 부분에 폴리아데닐화 신호 서열 (AAUAAA)가 존재한다. 이 서열에 의해 RNA 전사가 종결되고 3' 말단에 100~300개의 아데닌 뉴클레오타이드들이 첨가된다. 폴리 A 꼬리는 핵으로부터 mRNA 유출을 돕고 mRNA 안정성에 관여한다.