스플라이싱

진핵세포의 mRNA(messenger RNA)는 전사 이후에 다양한 RNA 처리과정(RNA processing)을 통해 번역이 될 수 있는 성숙한 mRNA(mature messenger RNA)로 만들어진다. 이중 RNA 스플라이싱(RNA splicing)과정은 진핵세포에서 특이적으로 발견되는 RNA 처리과정으로 RNA 전구체(precursor RNA)에서 단백질을 암호화하고 있지 않은 인트론(intron) 부위를 제거하고 단백질로 번역되는 부분인 엑손(exon)끼리 연결시켜주는 과정을 말한다 (그림 1). 

그림 1. 진핵세포에서의 전령 RNA 생성과정 (출처: 한국분자·세포생물학회)

목차

진핵세포의 유전자는 원핵세포와 달리 단백질을 암호화하고 있어 실제로 발현되는 부위(exon)가 단백질을 암호화하지 않은 부위(noncoding DNA, intron)에 의해 분리(Split)되어있다. 이러한 현상은 필립 샤프(Phillip Sharp)와 리차드 로버츠(Richard Roberts)에 의해 처음 발견되었고 이후에 스플라이싱에 의해 제거된다 것이 밝혀졌다. 이 두 연구자는 이러한 발견을 통해 1993년도에 노벨상을 수상하였다.

진핵세포의 전사과정에서는 비록 단백질을 암호화하고 있지 않지만 유전자에 포함된 인트론 부위까지 모두 전사가 일어나며, 단백질로 번역되기 위해서 인트론 부위를 정확히 제거하고 단백질을 암호화하는 엑손 부분끼리 연결시켜주는 과정인 스플라이싱이 반드시 필요하다 (그림 1). 진핵세포에서 전사 후 처음 만들어지는 RNA를 전구체(precursor, pre-mRNA)라고 하는데 이는 스플라이싱을 포함한 다양한 RNA 가공과정을 거쳐 번역이 될 수 있는 성숙한 전령 RNA로 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 전령 RNA를 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 donor라 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 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)가 5‘ 스플라이스 부위에 있는 "G"를 공격하는 것이다. 이 과정을 통해 엑손과 인트론이 연결된 부위의 인산이에스테르(phosphodiester bond) 결합이 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. 

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.

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

첫 번재의 에스테르교환반응에 의해 인트론의 5‘ 말단은 가지분기점에 직접 연결되기 때문에 최종적으로 인트론이 분리가 되면 이는 올가미(lariat)형태를 나타내게 된다. 이러한 인트론은 세포내에서 특별한 기능이 없는 RNA이기 때문에 빠르게 분해된다. 일반적으로 전령 RNA를 보호해주는 5’ 말단의 캡핑(5’ cap)이나 3‘ 말단의 폴리아데닐산(Polyadenylation)이 없기 때문에 핵산가수분해효소에 의해 보다 쉽게 분해가 될 수 있다.   

정확한 스플라이싱이 정상적인 기능을 하는 전령 RNA 및 단백질을 만드는데 매우 중요하기 때문에 스플라이싱 관련 유전자들의 돌연변이는 다양한 질병에서 쉽게 발견된다. 뿐만 아니라 질병관련 유전자내에 있는 염기서열의 돌연변이에 의해서도 비정상적인 스플라이싱이 일어나 질병을 유발할 수도 있다. 예를 들면, 스플라이싱에 중요한 염기서열이 돌연변이를 포함할 경우 스플라이싱의 효율이 급격히 감소하거나 비정상적인 스플라이싱에 의해 전령 RNA 중간에 종결코돈이 생성되기도 한다. 이러한 경우 단백질의 합성이 저해되는 결과를 낳게 된다.

RNA 처리과정 (RNA processing), 스플라이세오솜 (Spliceosome), 전구체 RNA (Precursor RNA), 대체 스플라이싱(Alternative splicing), 인트론(Intron), 엑손(Exon)

Molecular Biology of the Gene (7 판)