전사 후 조절

전사 후 조절(post-transcriptional regulation)은 유전자의 발현이 조절되는 방식중 유전자로부터 RNA가 합성되는 전사(transcription)과정 이후에 일어나는 조절을 의미한다. mRNA의 수명을 조절하거나, mRNA가 성숙되는 과정, mRNA가 번역이 되는 효율성등, 여러 단계에서 발현이 조절될 수 있다.

원핵생물과 진핵생물은 DNA가 위치하는 곳이 다르기 때문에 전사(transcription)와 번역(translation)이 연결되는 방식이 서로 다르다(그림 1).

그림 1. 원핵생물(prokaryote)과 진핵생물(eukaryote)의 유전자 발현. 원핵생물(A)은 세포질 내의 DNA가 전사(transcription)되어 합성되는 RNA에 곧바로 리보좀이 붙어 단백질(protein)로 번역이 일어난다. 반면, 진핵생물(B)은 DNA를 핵 안에 갖고 있으므로, 전사가 되어 RNA가 만들어 진후, 성숙된 mRNA가 핵을 빠져나와 세포질로 이동한 후, 리보좀에 의해 단백질로 번역된다. 진핵생물의 RNA는 단백질을 암호화하지 않는 인트론이란 염기서열을 지닌 pre-mRNA상태로 합성된 후에, 인트론이 제거되는 splicing과정과 RNA분자 양 끝부분의 변형을 거쳐 완성된 mRNA(mature mRNA)가 되고, 핵공을 통해 세포질로 이동하는 과정을 거치기 때문에 원핵생물에 비해 훨씬 복잡한 전사 후 조절(post-transcriptional regulation)을 받을 수 있다. (그림출처: http://cnx.org/content/m44534/latest/Figure_16_01_01.jpg OpenStax CNX CC BY 3.0.)

원핵생물은 세포질 내에 DNA를 갖고 있기 때문에, DNA로부터 RNA가 만들어짐과 동시에 ribosome들이 합성되고 있는 RNA에 결합하여 단백질을 합성한다. 이 현상을 전사와 번역의 연계(coupling)라 부른다. 원핵생물은 진핵생물에 비해 mRNA의 수명이 매우 짧아 불안정하다. mRNA의 수명을 조절하거나, 리보좀이 결합하는 자리(Shine-Dalgarno sequence)를 막거나 노출시키는 방식의 조절을 통해 유전자 발현의 전사후 조절이 일어난다.

목차

진핵생물에서 전사를 통하여 합성되는 RNA는 핵 안에서 5’말단(5’-end)에 7-methyl-GTP가 결합하여 capping이 되는데, 이것은 RNA가 세포질에서 분해되는 것을 막아주고, 단백질 합성을 위한 첫 단계로 리보좀이 결합하는 자리로서 역할하기도 한다. 전사가 진행되는 중에 함께 일어나는 RNA 스플라이싱(RNA splicing)은 단백질 정보를 갖지 않은 인트론(intron)을 잘라내고, 단백질 정보를 갖고 있는 엑손(exon)들을 서로 연결하여, 단백질에 대한 정보만을 가진 mRNA를 만든다. 전사가 끝난 RNA는 3’말단(3’-end)에 약 200개 정도의 아데닌 뉴클레오티드가 결합하여 poly-A tail을 만든다. 스플라이싱과 말단 변형을 거쳐서 완성된 mRNA는 핵공(nuclear pore)을 통해 핵 밖으로 이동하며, 세포질에서 단백질로 번역이 된다. 따라서 mRNA를 완성하고 이동시키며, 번역을 준비하는 과정의 단계 단계마다 유전자 발현의 전사 후 조절이 일어난다고 볼 수 있다.

그림 2. 선택적 스플라이싱(alternative splicing). 단백질에 대한 정보(code)를 갖고 있지 않은 부분인 intron은 잘려 나가는데, 경우에 따라서는 선택적 스플라이싱을 통해서 모든 엑손이 다 포함되지는 않는 mRNA가 만들어지고, 이러한 메커니즘을 통해 한개의 유전자로 부터 여러 가지의 단백질이 발현될 수 있다. 그림에서 보이는 것은 하나의 pre-mRNA로부터 두 개의 서로 다른 mRNA가 만들어져서, 그 결과 두 종류의 다른 단백질이 합성될 수 있다. (그림출처: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Splicing_overview.jpg Wikimedia CC BY-SA)

전사 후 조절 중 특별히 RNA 스플라이싱은 매우 중요한 조절기작 중 하나인데, 선택적 스플라이싱(alternative splicing)을 통해서 하나의 유전자로부터 여러 종류의 단백질을 만들 수 있는 대표적인 조절방식이다(그림 2). 많은 경우 완성된 mRNA는 모든 엑손들을 포함하고 있지만, 때로는 모든 엑손을 포함하지 않거나, 인트론의 일부분을 포함하는 경우도 있다. 이러한 경우에는 그림 2에서 보여주는 것과 같이 서로 다른 단백질을 하나의 유전자로부터 만들 수 있다. 이러한 선택적 스플라이싱은 정상적으로 하나의 유전자로부터 다양한 단백질을 만드는 메커니즘이기도 하지만, 스플라이싱의 오류로 비정상적인 단백질을 합성하여 병을 유발할 수도 있다.

이와 같은 기본적인 전사 후 조절 외에, RNA 간섭도 중요한 조절 역할을 한다. RNA 간섭은 siRNA (small interfering RNA)나 microRNA(miRNA)에 의한 전사 후 조절 작용으로 작은 분자의 RNA가 자신의 염기와 상보적인 염기서열을 갖고 있는 mRNA에 결합하여, 결합한 mRNA를 분해하거나, 아니면 단백질로 번역되는 과정을 방해하는 메커니즘이다.

이정신/강원대학교

노정혜/서울대학교