유전자 발현

DNA에 저장된 유전 정보가 생물 개체 및 세포의 유지와 활성을 위해서 유전 정보는 유지한 채, 정보를 읽어야 한다. 세포는 DNA 자체는 유지하면서 유전자 DNA에 한해서 정보를 RNA의 형태로 복사해내는데 이를 "전사(transcription)"라고 한다. 유전체 DNA 중 유전자로 기능하는 일부 지역에서 RNA를 필요한 만큼 복사하고 이는 RNA 자체로 기능을 하거나 단백질로 "번역(translation)"되어 생물학적 활성을 보인다. 이렇게 유전정보에서 기능적 유전자 산물을 만들어내는 과정을 "유전자 발현(gene expression)"이라 한다. 진핵 생물 (다세포 생물), 원핵생물 (박테리아 및 고세균)을 포함한 모든 생물에서 일어나는 고유한 과정이고 생물은 아니지만 유전 정보를 갖는 바이러스에서도 일어난다.

유전자 발현은 여러 단계가 존재하고 각각이 조절될 수 있다. 유전자 발현 조절은 세포가 환경신호에 따라 반응할 수 있게 하고, 세포 분화, 형태 형성을 포함하는 발생(development)의 초석이 된다. 이러한 조절에 문제가 생기면 발생에 문제가 생겨 배아 치사(lethal) 혹은 기형을 야기할 수 있고 암(cancer)을 비롯한 각종 질병의 원인이 된다. 유전자 발현의 단계와 시점에 대한 연구는 생명체의 발달과 유지의 원리를 이해할 수 있는 것뿐만 아니라 암, 유전 질환 같은 다양한 인간 질환의 발병 원인과 기전을 밝힐 수 있고 치료제 개발에 대한 근간을 마련한다.

목차

유전자를 이루는 DNA는 2개의 DNA 가닥으로 이루어지며, 발현되는 유전자에 한하여 RNA 전사에 쓰이는 '주형 가닥(template strand)'과 전사체 서열의 DNA 버전을 포함하는 '암호화 가닥(coding strand)'으로 나뉜다. '암호화 가닥'은 전사 과정에서 읽혀지는 가닥이기 때문에 직접적으로 전사되지 않는다.

DNA에서 RNA 사본이 만들어지는 과정을 "전사"라고 하며, RNA 중합 효소(RNA polymerase)에 의해 일어난다. RNA 중합 효소는 DNA 복제의 DNA 중합 효소처럼 주형 가닥 염기의 상보성에 따라 한 번에 하나의 염기를 새로 합성되는 RNA에 추가한다. 염기 중 DNA의 티민(T)이 RNA에서 우라실(U)이 대응되는 것을 제외하면 5‘에서 3’방향으로 RNA 서열은 암호화 DNA 가닥서열과 동일하다.

그림1.원핵생물의 유전자 발현 ()

원핵생물에서는 전사와 번역이 동시에 일어나고, 진핵세포에서는 핵막 이 두 과정을 분리하여 RNA가 프로세싱 되는 시간을 준다. 원핵생물의 단백질 암호화 유전자에서 단백질로 번역될 수 있는 전령 RNA (messenger RNA, mRNA)로 전사되지만, 진핵생물에서는 1차 전사체(primary transcript, pre-mRNA)를 만들어서 프로세싱을 거쳐 성숙한 mRNA가 된다. mRNA의 5‘, 3’ 양쪽 말단에 화학적 변화가 일어나는데 5‘ 말단에는 메틸화가 일어나고 3’ 말단에는 절단(cleavage)과 폴리아데닐화(polyadenylation)가 일어나 폴리(A) 꼬리(poly A tail)가 형성된다. 이러한 변화는 mRNA의 안정성을 높여주고 폴리(A) 꼬리에는 mRNA 수송 및 번역 개시에 필요한 다중 폴리(A) 결합 단백질(PABP) 등이 붙는다. 이러한 과정에 문제가 생긴 mRNA는 RNA 분해(decay)를 거쳐 제거된다.

진핵생물의 중요한 RNA 프로세싱 중 다른 하나는 RNA 접합(splicing)이다. 진핵 생물 pre-mRNA는 대부분 엑손(exon)과 인트론(intron)이 교차적으로 구성되어 있다. 엑손에는 단백질 암호화 정보로 구성되고 RNA 접합을 거치면 비암호화 부분인 인트론은 제거되고 엑손끼리 연결된다. 환경 신호와 조직에 따라 일부 인트론이나 엑손은 성숙한 mRNA에서 제거되거나 보존될 수 있다. 이를 대안 접합(alternative splicing)을 통해서 단일 유전자에서 여러 종류의 전사체가 만들어 질 수 있다. 이러한 전사체는 잠재적으로 다른 단백질로 번역 될 수 있기 때문에, 대안 접합은 진핵 생물 유전자 발현의 복잡성을 확장시킨다. 광범위한 대안 접합은 진핵생물에게 진화적 이점을 줄 수 있다. 

그림2.진핵생물의 유전자 발현 ()

진핵생물에서 대부분의 성숙한 RNA는 핵에서 세포질로 수송된다. 일부 RNA는 핵에서 기능을 하지만, 많은 RNA는 핵공을 통해 세포질로 수송된다. 세포질로 수송된 mRNA는 단백질 합성에 쓰인다. mRNA 코딩 영역의 뉴클레오타이드 트리플렛은 코돈이라 부르며, 이러한 정보를 통해 리보솜에 의해 단백질로 번역된다. 원핵생물에서 번역은 일반적으로 전사와 동시에 일어난다. 반면, 진핵생물에서 번역은 단백질이 어디에 있어야 하는지에 따라 세포질의 다양한 영역에서 일어날 수 있다. 합성된 단백질은 고유 기능에 따라 세포 내의 특정 부위로 수송된다. 

단백질은 세포 상황과 필요에 따라 구조, 활성, 세포내 위치, 분해가 조절된다. 이러한 조절은 단백질의 번역 후 수식화라는 화학적 변화에 의해 기인한다. 세포가 받는 신호에 따라 특정 효소와 대사 물질에 의해 단백질에 화학적 수식이 일어나는데 이것은 단백질의 구조 변화를 유도하거나 일종의 표식이 되어 단백질의 세포 내 위치, 분해를 조절하게 된다.

전사(transcription), RNA 접합(RNA splicing), 번역(translation), 번역 후 수식(post-translational modification)

1. Brueckner F, Armache KJ, Cheung A, et al. (February 2009). 'Structure–function studies of the RNA polymerase II elongation complex'. Acta Crystallogr. D. 65 (Pt 2): 112–20.

2. Amaral PP, Dinger ME, Mercer TR, Mattick JS (March 2008). 'The eukaryotic genome as an RNA machine'. Science. 319 (5871): 1787–9.