RNA 캡화

진핵세포에서 RNA 중합효소에 의해 전사되는 mRNA(messenger RNA)는 RNA 처리과정(RNA processing)을 통해 다양한 변형을 거치게 된다. 크게 3가지 정도의 RNA 처리과정이 일어나는데, 첫 번째로 RNA 캡화(RNA capping), 두 번째로 RNA 스플라이싱(RNA splicing), 마지막으로 아데닐산중합반응(polyadenylation)이다. 이 중 RNA 캡화는 전령RNA 전사과정에서 가장 먼저 일어나는 RNA 처리과정으로 전령 RNA의 안정화 및 리보솜에 의한 번역을 촉진하는 기능을 가지고 있다.

목차

RNA 캡화는 mRNA의 5‘ 말단에 변형된 형태의 구아닌, 즉 7번 질소에 메틸화되어 있는 형태(7-methylguanylate cap, m7G)의 구아닌이 추가되는 것을 말한다 (그림 1). RNA 캡화는 크게 세 단계로 일어나게 된다. 

그림 1. RNA 캡의 구조 ()

첫 번째 단계에서는 전령RNA의 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 캡화과정은 모두 마무리되게 된다.

진핵세포에서 RNA 캡화는 리보솜 RNA(Ribosomal RNA)나 운반 RNA(transfer RNA) 등에서는 발견되지 않고, RNA 중합효소 II에 의해서 전사되는 전령 RNA에서만 발견된다. RNA 캡화는 전사가 시작되고 가장 먼저 나타나는 RNA 처리과정으로 RNA 중합효소가 전사를 하고 있는 동안에 일어나게 된다. 진핵세포의 RNA 중합효소 II의 가장 큰 특징은 Rbp1이라는 단백질에 7개의 아미노산[티로신1-세린2-프롤린3-트레오닌4-세린5-프롤린6-세린7(Tyr1-Ser2-Pro3-Thr4-Ser5-Pro6-Ser7)] 들이 반복적으로 존재한다는 것이다. 효모의 경우 27번, 그리고 인간에서는 52번의 반복서열이 관찰되었다. 또한 세린 2번째와 세린 5번째는 전사과정에서 다르게 인산화가 일어나는데, 전사 초기에는 세린 5번째 인산화가 나타나며 여기에 RNA 캡화를 유도하는 효소들이 결합하게 된다. 결국 전사과정에서 나타나는 RNA 중합효소의 변형이 캡화를 유도하는 효소들이 적절한 시기에 전령 RNA와 결합하여 캡화를 할 수 있도록 해주는 것이다. 

전령 RNA의 캡은 캡제거(decapping) 효소에 의해 제거되기도 한다. 캡제거효소는 주로 Dcp1와 Dcp2 복합체로 구성되어 있는데, 이 단백질 복합체는 전령 RNA의 캡에 결합하는 eIF4E와 경쟁적으로 캡에 결합하여 캡을 제거하게 된다. 세포내에서 불필요한 전령 RNA들은 더 이상 단백질로 번역되지 않고 제거되어야 하는데 전령 RNA의 분해과정에서 가장 먼저 일어나는 것이 캡제거 과정이다.

전령 RNA의 5‘ 말단에 있는 캡(cap)은 다양한 기능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 가장 먼저 mRNA에 추가된 캡은 전사가 완료가 된 후 이 mRNA가 핵 밖으로 효과적으로 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 진핵세포의 경우 전사는 항상 핵 내에서 일어나지만 이렇게 만들어진 전령 RNA가 단백질로 번역되는 곳은 세포질이다. 따라서 mRNA가 만들어진 후 핵 밖으로 빠르게 이동되어야 하는데 RNA 캡이 이를 촉진하는 역할을 한다.

단일가닥의 mRNA는 이중가닥인 DNA와 다른 핵산들에 비해 매우 불안정한 특징을 가지고 있다. 또한 세포내에 존재하는 많은 5‘ 말단 핵산가수분해효소(exonuclease)에 의해 5’ 말단에서부터 빠르게 분해될 수 있는데 mRNA에 존재하는 캡은 이러한 문제점을 해결하여 mRNA를 안정화시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

RNA 캡의 또 다른 중요한 기능은 번역을 촉진시키는 것이다. 캡화된 mRNA가 세포질로 이동한 후 리보솜에 의해 번역이 되는데, 번역의 개시를 위해서는 번역에 관여하는 단백질과 리보솜이 mRNA의 5‘ 말단을 정확히 인식을 해야 한다. mRNA의 캡은 번역에 관여하는 단백질인 eIF4E(eukaryotic Initiation Factor 4 E)의해 인식되고, 이후에 다른 번역관련 단백질을 불러들여 리보솜에 의한 번역을 촉진하게 된다.   

RNA 처리과정 (RNA processing), RNA 중합효소 II(RNA polymerase II), 전사 (transcription), 번역(translation) 

Molecular Biology of the gene (7 판)