보편전사인자

원핵세포와 진핵세포에서 RNA 중합효소에 의한 전사과정은 거의 동일한 기작을 통해 일어나지만 두 가지 명확한 차이점이 있다. 첫 번째로 원핵세포는 대부분 하나의 RNA 중합효소를 가지고 있지만, 진핵세포의 경우 적어도 세 개의 RNA 중합효소가 각기 다른 RNA 합성에 관여한다. 또한 원핵세포에서는 RNA 중합효소가 전사를 시작하기 위해서 주로 시그마 인자(σ factor)만 필요로 하지만 진핵세포의 경우 시그마 인자의 기능을 담당하는 다양한 보편전사인자(General transcription factor)가 프로모터로부터 전사가 일어나도록 도와주는 역할을 한다. 보편전사인자는 프로모터 주위에 존재하는 특정 DNA 염기서열을 인식하여 결합하고 RNA 중합효소가 정확한 전사 개시점을 찾아 이로부터 전사가 일어날 수 있도록 한다. RNA 중합효소와 모든 보편전사인자가 결합한 상태를 개시 전 복합체(preinitiation complex)라 한다.  

목차

원핵세포에서 RNA 중합효소에 의한 전사개시에는 시그마 인자(σ factor)라는 보편전사인자가 반드시 필요하다. 시그마 인자는 원핵세포의 프로모터 구성성분인 –10영역과 –35영역에 특이적으로 결합하며 RNA 중합효소를 이 부위로 불러들이는 역할을 한다. 뿐만 아니라 시그마 인자는 –10 영역에서 처음으로 이중가닥 DNA을 단일가닥으로 분리시키는 역할을 하기 때문에 전사개시에 필수적인 전사인자이다.

대장균에서는 시그마70(σ70)이 가장 대표적인 시그마인자이며 많은 유전자의 전사에 관여하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이외에도 시그마32(σ32)는 열처리 시그마인자라고 하며 주로 세포가 높은 온도에 노출되었을때 발현이 증가하거나 상대적으로 안정화되는 것으로 알려져 있다. 이 시그마32는 세포가 높은 온도에 적응하는데 필요한 유전자의 프로모터에 결합하여 해당 유전자들의 발현을 증가시키게 된다. 또다른 예로는 시그마54가 있다. 이 시그마인자는 주로 질소 대사에 관여하는 유전자들의 발현에 사용되는 것으로 알려져 있다.

진핵세포의 경우 훨씬 더 다양한 보편전사인자에 의해 전사개시가 촉진되며 현재까지 알려진 보편전사인자로 TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH 등이 알려져 있다. 보편전사인자의 이름에서 "TFII"는 Transcription Factor for PolII에서 유래되었으며 주로 mRNA 합성에 관여하는 RNA 중합효소 II의 전사에 관여하는 것을 단백질을 말한다 (그림 1).

그림 1. 진핵세포의 전사인자들 ()

진핵세포의 보편전사인자의 주요기능은 1) RNA 중합효소가 프로모터에 결합하는 것을 도와주고, 2) 이중가닥 DNA를 단일가닥 DNA로 분리시키며, 3) 마지막으로 RNA 중합효소가 전사개시 후 프로모터를 떠나 신장(elongation)단계로 넘어갈 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 

TFIID는 RNA 중합효소에 의한 전사개시에 중심적인 역할을 하는 보편전사인자로 TATA-상자 결합단백질(TATA-box binding protein)과 이와 결합된 단백질(TBP-associated factors, TAFs)인 11개의 TAF로 구성되어 있다.

TFIID에 포함된 TATA-상자 결합단백질은 TATA 상자를 특이적으로 인식하며, 다른 일부 TAFs들은 개시지점(Initiator)이나 하단부 프로모터 요소[Downstream Promoter Element(DPE)] 같이 프로모터의 특정 염기서열을 인식하여 결합한다. 따라서 TFIID의 가장 중요한 역할은 프로모터를 특이적으로 인식하는 것이며, 프로모터 결합 이후에는 다른 보편전사인자들을 불러들이는 것으로 알려져 있다. 

TFIIB는 주로 하나의 단백질로 구성되어 있으며, TFIID가 프로모터 부위에 결합하고 난 다음에 TFIIB가 결합하는 것으로 알려져 있다. TFIIB가 프로모터에 결합할 때 항상 TATA-상자 결합단백질을 기준으로 상위부위(upstream region)에 결합하게 된다. 따라서 TFIIB-TATA-상자 결합단백질 순서로 프로모터에 위치하게 되어 RNA 중합효소에 의한 전사가 항상 TATA-상자 결합단백질이 있는 방향으로 일어날 수 있도록 한다. 따라서 TFIIB의 대표적인 기능은 전사의 방향성을 결정하는 것이다.

TFIIF는 주로 2~3개의 단백질로 구성되어 있으며 RNA 중합효소와 직접 결합한다. TFIID와 TFIIB가 먼저 특정 염기서열에 결합하고 난 뒤 RNA 중합효소와 함께 TFIIF가 프로모터 부위에 결합하며, 이를 통해 DNA-TFIID-TFIIB 복합체를 안정화시키는 역할을 한다.

TFIIE도 주로 2개의 단백질로 구성되어 있으며, 주요 기능으로는 TFIIH라는 보편전사인자를 프로모터 부위로 불러들이는 것이다.

TFIIH는 앞서 언급한 TFIID와 함께 전사개시에서 중추적인 역할을 하는 보편전사인자이다. TFIIH는 대략 10개정도의 단백질로 구성되어 있고, 이중 2개의 단백질은 ATP 가수분해 활성(ATPase)을 가지고 있으며 다른 하나의 단백질은 단백질 인산화효소(Protein kinase)로 역할을 한다.

TFIIH의 기능은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫 번째는 프로모터에서 이중가닥 DNA를 단일가닥으로 분리하는 것(promoter melting)이며 두 번째는 RNA 중합효소가 전사개시 이후에 신장단계로 넘어갈 수 있도록 프로모터 제거(promoter clearance)를 촉진하는 것이다. 

TFIIH가 이중가닥 DNA를 단일가닥으로 분리하는 과정은 원핵세포에서 보다 훨씬 더 복잡한 것으로 알려져 있다. 원핵세포의 경우 시그마 인자가 –10 영역에 결합하여 이 부위에 있는 특정 염기서열을 염기쌍 결합을 끊고 자신이 가지고 있는 주머니 안으로 집어넣음으로써 단일가닥으로의 분리를 촉진시킨다.

TFIIH의 경우 단일가닥 분리를 위해서는 같은 복합체내에 포함된 ATP 가수분해효소의 기능이 반드시 필요하다. TFIIH는 RNA 중합효소보다 하단부(downstream)에 결합해 있으며 ATP 가수분해를 통해 DNA를 따라 이동하면서 하단부 DNA를 RNA 중합효소내로 계속해서 집어넣게 된다. 다른 모든 보편전사인자들이 자신의 결합위치에 강하게 결합되어 있는 상태에서 하단부의 DNA가 RNA 중합효소 내로 계속해서 끌려 들어오는 과정에서 이중가닥 DNA가 단일가닥으로 분리되는 것으로 생각되고 있다.

TFIIH의 또 다른 주요기능은 RNA 중합효소의 프로모터 탈출(promoter clearance)을 촉진시켜 전사신장(elongation)단계로 넘어갈 수 있도록 하는 것이다. TFIIH에 포함된 단백질들 중 단백질인산화를 유도하는 단백질이 프로모터 탈출에 필수적인 역할을 한다. RNA 중합효소 중 가장 큰 단백질을 Rpb1이라고 하며, 이 단백질의 카복시말단에는 Y(티로신, 1)S(세린, 2)P(프롤린, 3)T(트레오닌, 4)S(세린, 5)P(프롤린, 6)S(세린, 7)라는 아미노산 서열이 반복되어 있다. 이중 다섯 번째 세린이 TFIIH에 의해 인산화되며 이로 인해 프로모터 탈출이 촉진되는 것으로 알려져 있다.  

➀ TFIID(TATA-상자 결합단백질 + TAFs)가 TATA 상자에 결합 (그림 2)

➁ TFIIB와 TFIIA가 결합

➂ RNA 중합효소와 TFIIF 복합체의 결합

➃ TFIIE와 TFIIH의 결합 ⟶ 개시 전 복합체(preinitiation complex) 형성

➄ TFIIH에 의한 단일가닥 형성 및 전사개시

➅ TFIIH에 의한 프로모터 제거를 통한 전사신장 촉진

그림 2. 진핵세포의 프로모터에 결합한 보편전사인자들 ()

매개자(Mediator), 카복시말단(C-terminal domain, CTD), 시그마(σ) 인자

Molecular Biology of the Gene (7판)