세균 RNA 중합효소

RNA 중합효소는 유전자의 전사를 담당하는 효소로서 DNA를 주형(template)으로 활용하여 RNA를 합성하는 효소(DNA-dependent RNA polymerase, RNA polymerase라고 부름)와 RNA를 주형으로 활용하여 RNA를 합성하는 효소(RNA-dependent RNA polymerase, RdRP 또는 RNA replicase라고 부름)로 대별된다. 세균에서 인간에 이르기까지 모든 생물체들의 유전자는 DNA로 되어 있고, 여기에서 전사를 담당하는 효소는 DNA-의존적 RNA 중합효소이다. RNA를 유전자로 갖는 일부 바이러스에서는 RNA-의존적 RNA 중합효소가 전사를 담당한다. 모든 RNA 중합효소들은 리보뉴클레오티드(ribonucleotides; rNTPs)를 중합반응(polymerization)시켜 RNA 중합체(RNA polymer) 또는 RNA 전사체(RNA transcript)를 만드는 효소활성을 가지고 있다(EC number 2.7.7.6과 2.7.7.48).

목차

4가지의 rNTP들(ATP, GTP, CTP, UTP)을 활용하여 DNA에 의존적인 방식으로 RNA를 합성하는 효소의 존재는 1960년 대장균(Eschericia coli)에서 처음 확인되었다(Hurwitz, J. 등, 1960) 뉴욕대(New York University)의 Jerald Hurwitz그룹의 논문이 실린 같은 호에 NIH Leon Heppel연구실의 postdoc인 Audrey Stevens도 같은 효소의 활성을 보고하였다(Stevens, A. 1960). 이어서 여러 생물체에서 RNA 중합효소들의 발견이 1960년대 초반에 이루어 졌다.

세균의 RNA 중합효소는 알파, 베타, 베타-프라임, 오메가(alpha, beta, beta-prime, omega) 단위체(subunit)들로 구성되어 있으며, α2ββ‘ω로 이루어진 핵심효소(core enzyme)의 상태로 RNA 합성효소활성을 가진다. 유전자의 전사가 이루어지기 위해서는 유전자의 앞부분에 위치한 프로모터(promoter)를 인식하여 RNA 중합효소가 결합하고, DNA 이중나선의 일부분을 풀어, 염기가 드러난 DNA 한 가닥을 주형으로 활용하여야 하는데, 이와 같은 일을 담당하는 특별한 단위체는 시그마(sigma)라는 단위체이다. 핵심효소에 시그마인자가 합쳐진(α2ββ‘ω+σ) 450 kDa 크기의 효소를 완전효소(holoenzyme)라 부르며, 이 holoenzyme의 형태가 비로소 유전자의 전사를 개시할 수 있는 형태이다. 이들 단위체들은 rpoA(alpha), rpoB(beta), rpoC(beta-prime), rpoD(sigma), rpoZ(omega) 유전자들로부터 발현되어 만들어지므로, 이 유전자들의 이름을 따라 불리우기도 한다.

그림1. RNA중합효소 core enzyme과 holoenzyme.(출처: 한국미생물학회)

α2ββ‘ω, 즉 다섯 개의 단위체로 구성된 세균의 RNA 중합효소(RNAP)에 비해, 고균과 진핵생물은 10개 이상의 단위체로 구성되어 있다. 진핵생물의 RNAP는 어떤 유전자를 전사하느냐에 따라 RNAP I, II, III 형으로 구분된다. 그러나 고균과 진핵생물의 RNAP 단위체중 분자량이 큰 5개의 단위체는 모두 세균의 다섯 개 단위체와 보존된 아미노산 서열을 공유하며, 그 기능도 서로 유사하다(Werner and Grohmann, 2011). 구조적인 면에서도 거의 유사한 3차 구조와 복합체(4차) 구조를 보여준다. 따라서 고균과 진핵생물의 RNAP가 세균의 RNAP로부터 진화하였다고 볼 수 있다. 이에 비해 박테리오파아지의 RNA 중합효소는 하나의 단백질로 구성되어 있는 경우가 많지만, 대장균의 RNA 중합효소의 진행속도가 30~50 nt/sec인데 반해, 파지 RNA 중합효소는 200 nt/sec로 빠른 편이다. 가장 대표적인 예로 SP6나 T7 파아지의 RNAP가 잘 알려져 있으며, 실험실 조건에서 RNA를 합성해 내는데 주로 사용된다.

세균 RNA중합효소 복합체의 3차원구조는 호열성 세균 Thermus aquaticus에서 분리한 RNAP 핵심효소의 X-ray결정구조로 처음 알려졌다(Zhang 등, 1999; PDB No. 1HQM). 게의 앞다리 집게발을 닮은 모양으로 clamp를 가지고 있고, 안쪽으로 Mg(II)이온이 결합된 활성자리가 있다. 각각의 알파단위체(alpha-I 과 alpha-II)가 베타와 베타프라임 단위체와 결합하고 있고, 오메가 단위체는 베타프라임과 결합하고 있다.

그림2. 세균 RNA 중합효소의 구조. 호열성 세균 Thermus aquaticus에서 분리한 RNAP core enzyme의 X-ray결정 3차 구조(PDB No. I16V 항생제 리파마이신과 결합한 형태; Campbell, 등, 2001).

RNA중합효소에 결합하여 전사를 방해하는 항생제중 가장 잘 알려진 예는 리팜피신(rifampicin)이라고도 불리는 리팜핀(rifampin)이다. 반합성 rifamycin계열 항생제인 리팜핀은 현재 결핵치료의 1차 치료약물로 폭넓게 쓰이고 있다. 리팜핀은 RNA 중합효소의 베타단위체에 결합하여, RNA 연장을 방해한다. RNA-리팜핀 복합체의 구조는 어떻게 리팜핀이 RNA 연장을 방해하는지를 잘 보여준다(PDB: 4KMU). 리팜핀을 화학적으로 변화시켜 RNA 중합효소의 다른 부위와도 결합을 하게 하면, 항생제의 역가가 훨씬 높아 질 수 있다(Murakami, 2015). Streptolydigin은 RNA 중합효소 활성자리의 주요요소인 bridge helix/trigger loop에 결합하여, 전사를 방해한다. Myxopyronin은 DNA결합 채널을 열고 닫는 clamp의 hinge부위에 결합하여 전사개시, 열린복합체 형성을 방해한다. 이 외에도 Sorangicin은 RNA연장을 방해하고, Salinamide는 bridge helix를, GE23077은 rNTP결합을 방해하고, ppGpp는 열린복합체의 안정성을 저해한다.(Murakami, 2015; Lee and Borukhov, 2016)

노정혜/서울대학교

조유희/차의과학대학교