RNA 처리과정

진핵세포에서 RNA 중합효소에 의해 mRNA(messenger RNA) 전사가 일어나는 동안(cotranscriptional processing)이나 전사가 완료(posttranscriptional processing)된 이후에 다양한 RNA 처리과정(RNA processing)을 통해 리보솜에 의해 번역이 가능한 성숙한 mRNA(mature mRNA)가 만들어진다. 대표적인 RNA 처리과정(RNA processing)으로는 전사초기에 일어나는 mRNA의 캡화(RNA capping), 전사신장 단계에서 일어나는 RNA 스플라이싱(RNA splicing), 그리고 전사가 완료된 후 일어나는 아데닐산중합반응(Polyadenylation)을 들 수 있다. 이러한 RNA 처리과정은 정상적인 전령RNA 합성 및 안정화, 그리고 리보솜에 의한 번역을 촉진시키는 역할을 하게 된다.

목차

RNA 캡화는 전령 RNA의 5‘ 말단에 변형된 형태의 구아닌, 7번 질소에 메틸화되어 있는 형태(7-methylguanylate cap, m7G)의 구아닌이 추가되는 것을 말한다 (그림 1). 전령 RNA에 나타나는 캡은 성숙한 전령 RNA가 핵 밖으로 이동하는 것을 촉진하며, 또한 상대적으로 불안정한 단일가닥의 전령 RNA를 5‘ 말단 핵산가수분해효소로부터 보호하는 역할을 한다. 그리고 캡은 세포질에서 단백질로 번역될 때 번역개시인자인 eIF4E(eukaryotic Initiation Factor 4 E)의해 인식되고, 이후에 다른 번역관련 단백질을 불러들여 리보솜에 의한 번역을 촉진하는 역할을 한다. RNA 캡화는 크게 세 단계로 일어나게 된다. 

그림 1. RNA 캡의 구조(출처: 위키피디아, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1379696)

첫 번째 단계에서는 mRNA의 5‘말단의 가장 바깥쪽에 있는 인산기가 RNA 삼인산 가수분해효소(RNA triphosphatase)에 의해 제거된다. 5’ 말단에 있는 리보뉴클리오시드 삼인산(ribonucleoside triphosphate)에는 세 개의 인산기가 붙어 있는데 당과 직접 결합되어 있는 인산기부터 α, β, γ라고 부르며, 이 경우 γ인산기가 제거되는 과정을 말한다.

두 번째 과정은 구아노신 일인산(Guanosine monophosphate, GMP)이 추가되는 과정이다. 구아노신 삼인산(Guanosine triphosphate, GTP)에서 β와 γ 인산기가 제거되고, α 인산기만 포함하는 구아노신 일인산(Guanosine monophosphate, GMP)이 추가되는 것을 말하며, 특이하게 이 과정에서는 전령RNA의 5’ 말단과 구아노신 일인산의 5‘ 말단이 서로 연결되는 5’ - 5‘ 결합이 형성된다. 이 반응을 촉진하는 효소를 구아닐전달효소(guanylyltransferase)라 한다. 

마지막 단계는 추가된 구아노신 일인산을 메틸화시키는 것이다. 메틸전달효소(methyltransferase)가 구아노신 일인산의 7번 질소부분에 직접 메틸화를 시키게 되면 RNA 캡핑과정은 모두 마무리되게 된다. 

진핵세포의 유전자는 단백질을 암호화하고 있는 부위(엑손, exon)가 단백질을 암호화하지 않은 부위(인트론, intron)에 의해 분리되어있다. 진핵세포의 전사과정에서는 비록 단백질을 암호화하고 있지 않지만 유전자에 포함된 인트론 부위까지 모두 전사가 일어나며, 단백질로 번역되기 전에 인트론 부위를 정확히 제거하고 단백질을 암호화하는 엑손 부분끼리 연결시켜주는 과정인 스플라이싱이 반드시 필요하다. 진핵세포에서 전사 후 처음 만들어지는 RNA를 전구체(precursor, pre-mRNA)라고 하는데 이는 스플라이싱을 포함한 다양한 RNA 가공과정을 거쳐 번역이 될 수 있는 성숙한 mRNA로 재탄생하게 된다.  

스플라이싱은 불필요한 인트론을 제거하고 단백질을 암호화하는 엑손부분을 정확히 연결시켜야 하는 과정이다. 스플라이싱 과정에서 불필요한 염기서열이 제거되지 않거나 필요한 염기서열이 제거되었을 때 단백질로 번역이 불가능한 비정상적인 mRNA를 생산하게 된다. 흥미롭게도 RNA 중합효소에 의해 전사된 RNA 전구체 내에 이러한 정보가 모두 포함되어 있는 것으로 밝혀졌다.  

엑손과 인트론이 맞물려 있는 부위로 인트론의 처음에 있는 "GU" 염기서열이 모든 인트론에서 잘 보존되어 있는 것으로 알려져 있다. 5‘ 스플라이스 부위를 다른 말로 공여자(donor)라 한다 (그림 2).

가지분기점은 주로 엑손의 3‘ 말단쪽에 가깝게 위치하며 중간에 있는 "A(아데닌)"이 가지분기점에서 가장 중요한 역할을 한다 (그림 2). 가지분기점에 이어서 폴리피리미딘(polypyrimidine) 부위가 일반적으로 나타난다.

인트론과 다음 엑손이 맞물려 있는 부위로 인트론의 끝에 있는 "AG" 염기서열이 잘 보존되어 있으며, 다른 말로 acceptor라고도 한다 (그림 2). 

그림 2. 스플라이싱에 관여하는 RNA 염기서열 (출처: 한국분자·세포생물학회)

스플라이싱 과정은 RNA 처리과정중에서도 가장 복잡한 것으로 알려져 있으며 약 150개의 단백질과 다섯 개의 RNA로 구성된 스플라이세오솜(Spliceosome)에 의해 촉진된다.

스플라이싱 과정에서 가장 먼저 일어나는 반응은 가지분기점에 존재하는 "A"에 있는 2‘-하이드록실기(2’-OH)기가 5‘ 스플라이스 부위에 있는 "G"를 공격하는 것이다. 이 과정을 통해 엑손과 인트론이 연결된 부위의 인산이에스테르(phosphodiester bond)가 끊어지고, 이렇게 생성된 5’ 말단이 가지분기점의 A에 직접 연결이 되는 것이다 [(1)번 과정](그림 3). 이렇게 하나의 인산이에스테르 결합을 끊고 다른 부위에 재형성되는 것을 에스테르교환반응(transesterification reaction)이라 한다. 

그림 3. 스플라이싱 과정(출처: 위키피디아, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30096313)

두 번째는 잘려진 엑손의 3‘ 말단에 있는 하이드록실기(OH)가 인트론의 3’ 말단 끝에 있는 "G"를 공격하하는 것이다. 이 과정에서 두 개의 엑손이 서로 연결되고 중간에 위치한 인트론은 분리가 되는 것으로 알려져 있다 [(2)번 과정](그림 3). 이 과정도 마찬가지로 에스테르교환반응에 의해 일어난다. 결국 전체 스플라이싱 과정은 두 번의 연속적인 에스테르교환반응에 의해 촉진된다. 

마지막으로 일어나는 RNA 처리과정인 아데닐산중합반응은 RNA를 보호하고, 세포질로 이동을 촉진하며 또한 리보솜에 의한 번역 효율을 높이는 역할을 한다. 이러한 아데닐산중합반응은 유전자의 3‘ 말단에 존재하는 아데닐산중합반응 신호(Polyadenylation signal)가 RNA로 전사된 이후에 시작되는 것으로 알려져 있다.

RNA 중합효소가 아데닐산중합반응 신호(Polyadenylation signal) 부위를 지나 전사를 하게 되면 전령 RNA의 3‘ 말단에는 AAUAAA 염기서열이 포함되고 이 부위를 특이적으로 인식하는 두 개의 단백질, CstF (Cleavage Stimulation Factor)와 CPSF(Cleavage and Polyadenylation Specificity Factor)가 결합하게 된다. 특히 CPSF 단백질은 아데닐산중합반응 신호에서 10 ~30개 정도 뉴클레오티드가 떨어진 위치에서 RNA를 절단하게 된다 (그림 4). 이로 인해 CstF 단백질이 분리되고 이를 대신하여 아데닐산중합효소(Poly A polymerase, PAP)가 RNA의 3’ 말단에 약 250개가량의 아데닌을 지속적으로 추가하게 된다. 그리고 이렇게 생성된 아데닐산에는 아데닐산결합단백질(Poly A binding protein)이 결합하여 전령 RNA의 안정화 및 번역을 촉진하게 된다.  

그림 4. 전사후 RNA 처리과정인 아데닐산중합반응 (출처: 한국분자·세포생물학회)

RNA 중합효소 II(RNA polymerase II), 전사 (transcription), 번역(translation), 스플라이세오솜 (Spliceosome), 전구체 RNA (Precursor RNA), 대체 스플라이싱(Alternative splicing), 인트론(Intron), 엑손(Exon), 아데닐산중합반응 (Polyadenylation), 전사종결 (Transcription termination)  

Molecular Biology of the Gene (7판)