리보스위치

리보스위치는 대사산물 등의 저분자 물질이 특이적으로 결합할 수 있는 조절부위로, 이 곳에 특정 물질의 결합 여부에 따라 이 mRNA로부터 단백질이 합성되는 정도가 조절된다. 트랜스(trans)로 작용하는 조절 RNA들은 상보적인 부분과 염기 쌍을 형성하거나 RNA 결합 단백질을 격리시키는 형태로 작용을 한다. 리보스위치는 트랜스로 작용하는 조절 RNA와는 달리 시스(cis)로 작용을 하며 조절 대상 RNA의 일부 형태로 존재한다.

FMN 리보스위치(PDB ID: 3F4E)

목차

다양한 종류의 리보스위치에 대한 깊이 있는 연구 결과가 발표되어 리보스위치에 의한 조절 메카니즘이 확립된 것은 2002년이었다. 하지만, 이 발표 전에도 mRNA가 대사산물과 직접 결합하여 스스로를 조절할 수 있을 것으로 보이는 증거들이 많이 발견되었다. 예를 들어, 서로 상관이 있는 mRNA의 비번역부위(untranslated region, UTR)들에서 보존적으로 발견되는 RNA의 2차 구조, 앱타머(aptamer)라 불리는 저분자 물질과 특이적으로 결합하는 인공 RNA의 발견 등을 통해 리보스위치의 존재가 추정되었다.

대부분의 리보스위치들은 전사 감쇠조절(transcription attenuation) 혹은 번역 개시(translation initiation) 수준에서 유전자 발현을 조절한다.

전사조절 리보스위치 출처: 한양대 이진원

전사과정을 조절하는 리보스위치에서는 일반적으로 생리적인 신호가 조절 대상 유전자의 암호화 부위보다 상위(upstream)에 존재하는 내재적인 전사종결자(transcription terminator)의 형성을 촉진하고 안정화시키게 된다. 이를 통해 리보스위치가 특정 조절 신호를 감지하게 되면, 조절 대상 유전자의 암호와 부위 이전에서 전사가 중단되게 된다. 신호가 없으면, 종결자(terminator)를 대체하여 항종결자(antiterminator)를 형성하여 전사를 계속 진행하게 된다. 일부 리보스위치는 전사종결인자인 로(Rho) 의존성 전사종결 메카니즘을 이용하기도 하는데, 이 메카니즘에서는 생리 신호에 의한 구조 변화를 통해 로(Rho)가 결합하는 자리인 rut(Rho-utilization) 부위에 로(Rho)가 더 잘 결합할 수 있도록 한다.

번역조절 리보스위치 출처: 한양대 이진원

번역의 개시를 조절하는 리보스위치는 전사 조절 리보스위치에서 사용하는 종결자(terminator) 대신 sequesterr를 사용한다. Sequester는 리보솜이 결합하는 부위인 샤인-달가노 서열(Shine-Dalgarno_sequence)과 이에 상보적인 서열 사이에 염기쌍 형성을 통해 만들어 진다. 조절 신호에 의해 sequester 형성이 촉진되면, 리보솜이 mRNA에 결합할 수 없기 때문에 번역의 개시가 일어나지 않는다. 신호가 없는 경우에는 항종결자(antiterminator)와 유사하게 antisequester가 형성되어 전사의 개시가 정상적으로 일어난다.

전사 조절 리보스위치는 신호를 전사과정 중에 인식해야 하는 반면에, 번역 조절 리보스위치는 신호를 전사 과정 중에 인식할 수 도 있고 전사가 끝난 후 인식할 수도 있다. 따라서 전사조절 리보스위치보다 번역조절 리보스위치가 신호를 인식할 수 있는 시간을 더 많이 가진다. 또한 일단 종결자가 형성되면 되돌릴 수 없기 때문에 전사조절 리보스위치는 종결자가 형성되기 전에 조절에 대한 결정을 해야 한다. 이에 비해, 번역조절 리보스위치는 전사된 mRNA가 존재하는 동안에는 언제든 반복적으로 신호와 결합할 수 있기 때문에 가역적인 스위치로 작용할 수 있다. 이로 인해 전사과정이 필요 없는 번역 조절 리보스위치는 환경 신호에 보다 빨리 반응할 수 있는 장점이 있지만, 신호가 없을 때에는 번역되지 않는 필요 없는 mRNA를 만드는 데 필요한 자원 낭비를 감수해야만 한다.

흔하지는 않지만 일부 리보스위치의 경우 구조 변화를 통해 RNA 분해효소의 접근성을 조절함으로써 mRNA의 안정성을 조절한다. 일부 진핵생물에 존재하는 리보스위치의 경우 신호에 의한 구조 변화를 통해 mRNA의 스플라이싱(splicing) 혹은 안정성을 조절하는 것으로 알려져 있다.

리보스위치는 온도나 pH같은 물리적인 신호, FMN이나 글루타민과 같은 저분자의 대사산물, 망간이나 니켈 같은 금속이온, tRNA 등 다양한 신호를 감지하는 것으로 알려져 있다.

이진원/한양대학교

하남출/서울대학교

1. Sherwood AV, Henkin TM. Riboswitch-Mediated Gene Regulation: Novel RNA Architectures Dictate Gene Expression Responses. Annu Rev Microbiol. 2016 Sep 8;70: 361-74. doi: 10.1146/annurev-micro-091014-104306.

2. Serganov A, Huang L, Patel DJ. Coenzyme recognition and gene regulation by a flavin mononucleotide riboswitch. Nature. 2009 Mar 12;458(7235):233-7. doi: 10.1038/nature07642.