전령 RNA

모든 생명체에서 유전자 발현은 DNA에서 mRNA, 그리고 단백질 합성의 순서로 이루어진다. 이러한 유전정보의 흐름을 중심원리(Central Dogma)라 하며 제임스 왓슨(James Watson)과 함께 DNA의 구조를 밝힌 프랜시스 크릭(Francis Crick)에 의해 1953년에 처음으로 제시되었다. mRNA는 특정 단백질을 암호화하고 있는 유전자를 RNA 중합효소(RNA polymerase)가 전사(transcription)하는 과정에서 만들어지는 RNA를 말한다. 이 과정에서 유전자가 가지고 있는 DNA 염기서열이 mRNA로 정확히 전달되고 이는 최종적으로 단백질로 합성하는 리보솜(Ribosome)으로 유전정보를 제공하는 역할을 하게 된다. 따라서 mRNA는 DNA의 유전정보를 전달하여 단백질 합성 과정에서 단백질의 아미노산 서열을 지정하는 역할을 하기 때문에 ‘전령RNA’라 부른다. mRNA의 존재는 1961년 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 시드니 브레너(Sydney Brenner)와 매슈 메셀슨(Matthew Meselson)에 의해 처음으로 발견되었다. 

목차

mRNA는 다른 RNA와 마찬가지로 단일가닥(single strand) 형태로 존재한다. 이러한 이유 때문에 이중가닥인 DNA에 비해 보다 쉽게 손상이 되며 분해되기도 한다. mRNA의 또 다른 특징으로는 구성성분인 뉴클레오티드가 T(thymine) 대신에 U(uracil)을 포함하고 있는 것이다. RNA 중합효소가 전사하는 과정에서 DNA 주형에 A(adenine)가 있으면 T 대신 항상 U를 삽입하게 된다. 또 다른 특징으로는 DNA에는 항상 디옥시리보오스(deoxyribose)가 포함되어 있지만, mRNA를 비롯한 모든 RNA는 리보오스(ribose)를 포함하고 있다.

또한 mRNA의 일반적인 구조는 5’ 말단의 캡화(5’ capping), 5‘ 말단 비번역 부위(5’ untranslated regions, 5’ UTR), 번역부위(coding sequence), 3’ 말단 비번역 부위(3’ untranslated regions, 3‘ UTR), 그리고 아데닐산 말단(polyA tail)을 포함한다 (그림 1). 전령RNA는 세포내에서 주요기능을 담당하는 단백질을 합성하는데 가장 중요한 역할을 하지만 최근 연구결과에 따르면 인간세포의 경우 mRNA는 전체 RNA중 약 2% 내외 정도 차지하는 것으로 알려졌다. 

그림 1. 전령RNA의 기본구조 ()

진핵세포의 경우 그림1에서 볼 수 있는 것처럼 mRNA는 핵 내에서 RNA 중합효소에 의해 DNA로부터 전사(transcription)를 통해 형성되고, 복잡한 RNA 처리과정(RNA processing)과정을 통해 최종적으로 성숙한 전령RNA(mature mRNA)로 만들어지게 된다. 이후 핵에서 세포질로 전달된 mRNA는 리보솜(Ribosome)에 결합하여 단백질 합성을 위한 유전정보를 제공한다. 더 이상의 단백질 합성이 필요하지 않은 경우에는 해당 mRNA는 세포내 다양한 RNA 분해효소에 의해 제거된다 (그림 2). 

그림 2. 전령RNA(messenger RNA)의 생활사

핵 내에서 RNA 중합효소는 2개의 DNA가닥 가운데 한쪽 가닥의 염기서열을 주형(template)으로, 그리고 리보뉴클레오시드삼인산(Nucleoside triphosphates, NTPs)을 기질로 하여 mRNA를 합성한다. RNA중합효소는 유전자의 프로모터 부위에 결합하여 DNA의 이중나선구조를 국소적으로 풀고, 이러한 DNA가닥의 한쪽을 주형으로 5′말단에서 3′말단 방향으로 이동해가면서 DNA 염기서열에 상보적인 mRNA를 합성해 나간다. 이때 DNA상의 A, T, G, C 등 각 염기는 RNA상에서는 각각 U, A, C, G로 전사된다. DNA의 A에는 U가, G에는 C가 반드시 짝을 짓는 방식으로 전령RNA의 염기서열순서는 DNA의 염기서열순서를 반영하여 형성된다. 

진핵생물의 전령RNA는 보통 번역(translation)과정을 거치기 전에 방대한 RNA 처리과정(RNA processing) 과정을 거치게 된다. RNA 처리과정에는 RNA의 절단, 스플라이싱, 캡화, 폴리아데닐레이션 등이 있다. RNA 중합효소(RNA polymerase)는 전령RNA 처리(가공) 효소(mRNA processing enzyme)들과 결합하여 전사(transcription)가 일어나는 동안 혹은 일어난 후 처리과정이 빨리 진행될 수 있도록 한다. 전사가 일어난 후 가공이 일어나지 않거나 부분적으로 가공이 이루어진 mRNA를 전구 mRNA(precursor mRNA, pre-mRNA)라 하고, 완전히 가공된 전령RNA를 성숙 mRNA(mature mRNA)라 한다 (그림 3).

그림 3. 진핵세포의 전령RNA 처리과정(RNA processing)

전사가 시작되면, mRNA의 5‘ 쪽에 변형된 구아닌 뉴클레오티드(m7G)가 첨가 되는데 이 과정을 5’ 캡화(RNA cap, RNA 7-methylguanosine cap, RNA m7G cap)라 한다. 5’ 캡의 구조는 RNA 분해효소(RNase)로부터 mRNA가 분해되지 않도록 보호하고, 리보솜에 의해 인식되는 데 중요한 역할을 한다.

전사가 끝나면 mRNA 사슬의 3‘ 말단은 핵산내부가수분해효소(endonuclease)에 의해 잘리게 된다. 이후 약 250개의 아데노신 잔기가 폴리아데닐기 합성효소(polyA polymerase)에 의해 3‘ 말단쪽에 첨가된다. 이 과정을 아데닐산중합반응(polyadenylation)이라 한다. 이러한 폴리 A 말단은 전령RNA가 핵산말단가수분해효소(exonuclease)에 의해 분해되지 않도록 보호해주고 전사 종결, 핵에서의 mRNA 방출, 번역에 중요하게 작용한다.

전사를 통해 형성된 mRNA는 비발현부위(intron, 인트론)와 발현부위(exon, 엑손)를 가지는데, 스플라이싱(splicing) 과정을 통해 유전 정보를 가지지 않은 인트론 부분을 제거하고 유전정보를 가진 엑손부분만을 이어 붙이게 된다. 이러한 다양한 가공과정(processing)을 통해 성숙된 mRNA가 만들어지면 이는 세포질로 이동하여 리보솜과 만나 번역이 이루어지게 된다.

원핵생물의 mRNA 형성과정은 진핵생물의 mRNA 형성과정과 조금 다르다. 다양한 가공과정을 거쳐 성숙된 mRNA가 되는 진핵세포와는 달리, 대부분 원핵생물의 경우 가공과정이나 운반과정을 필요로 하지 않는다. 원핵생물의 경우 유전정보를 포함하는 DNA가 세포질 내에 존재하기 때문에 전사와 번역이 세포내 동일한 영역에서 일어나게 된다. 따라서 원핵세포에서는 전사가 일어남과 동시에 번역이 이루어지기 때문에, 전사된 mRNA가 가공이나 운반 과정 없이 그대로 번역되어 단백질을 생산한다.

원핵생물의 경우 기능적으로 관련 있는 여러 유전자가 DNA상에 인접해 존재하여 하나의 프로모터에 의해 여러 유전자의 발현이 조절되는데 이를 오페론(operon)이라 한다. 또한 이들이 한 분자의 mRNA로 전사되는 경우가 많은데 이렇게 하나의 전령RNA가 여러 단백질의 유전정보를 포함하고 있는 경우를 다유전자성 mRNA(Polycistronic mRNA)라 한다.

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

Molecular Biology of the Gene (7판)