카복시말단 영역

진핵세포에서 RNA 합성에 관여하는 RNA 중합효소는 크게 세가지 형태로 구분되며, 주로 리보솜의 구성성분인 rRNA(Ribosomal RNA)를 전사하는 RNA 중합효소 I, 대부분의 mRNA(messenger RNA)의 전사에 관여하는 RNA 중합효소 II, 마지막으로 tRNA(transfer RNA)와 작은 핵내의 RNA(small nuclear RNA, snRNA) 등의 합성에 관여하는 RNA 중합효소 III가 있다.

RNA 중합효소 II는 효모와 인간에서 약 12개의 단백질로 구성이 되어 있고, 이중 가장 큰 단백질은 Rpb1로 전사개시, 신장, 종료에 매우 중요한 역할을 한다. 특히, Rpb1 단백질은 카복시 말단(C-terminal)에 총 7개의 아미노산, YSPTSPS 반복서열 (heptapeptide repeats)을 가지고 있고 이 카복시 말단이 진핵세포의 전사과정을 조절하는데 중심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 카복시말단 영역(C-terminal domain)은 존스 홉킨스 대학의 코든(JL Corden)과 토론토대학의 잉그리스(C.J. Ingles) 교수팀에 의해 처음 밝혀졌다. 

목차

RNA 중합효소 중 가장 큰 단백질인 Rpb1의 카복시말단에는 7개의 아미노산으로 이루어진 반복서열이 존재한다. 이 서열은 Y(티로신)S(세린)P(프롤린)T(트레오닌)S(세린)P(프롤린)S(세린)으로 구성되어 있으며, 효모에서는 총 26번 반복서열로 존재하지만 인간세포에서는 52번 반복되어 있는 것으로 알려져 있다(그림 1). 

그림 1. Rpb1 단백질의 카복시말단영역 구조 (출처: 한국분자·세포생물학회)

RNA 중합효소와 상호작용을 하여 전사를 촉진시키는 보편전사인자(General transcription factor) 중 하나인 TFIIH(Transcription factor II H)는 전사개시와 프로모터 탈출(Promoter clearance)에 매우 중요한 역할을 한다. 특히 이에 포함된 Kin28이라는 인산화효소(kinase)는 전사 초기단계에서 Rpb1의 세린 5번째 인산화를 매개하는 효소로 세린 5번 인산화에 의해 RNA 중합효소가 전사를 개시하고 프로모터를 떠나 전사신장(elongation) 단계로 넘어가게 된다. 따라서 세린 5번 인산화는 유전자의 프로모터 부위나 5‘ 말단에 높게 나타나게 되며, 이에 의해 RNA 처리과정(RNA processing) 중 처음으로 일어나는 RNA 캡화(capping)도 촉진된다 (그림 2). 즉, RNA 캡화에 관여하는 효소는 Rpb1의 세린 5 인산화를 통해 RNA 중합효소와 직접 결합하게 되고 현재 만들어지고 있는 RNA의 5’ 말단 부위에 캡(cap)을 추가하게 된다. 

그림 2. 카복시말단영역 인산화에 의한 전사조절 (출처: 한국분자·세포생물학회)

RNA 중합효소가 프로모터 부위를 떠나 전사신장(elongation) 단계로 넘어가게 되면 TFIIH에 의한 세린 5번 인산화는 급격히 감소하게 된다. 이를 대신하여 세린 2번째 인산화가 증가하게 되는데 이에 관여하는 효소는 인간의 P-TEFb(Positive transcription elongation factor)와 효모의 Ctk1으로 알려져 있다. 이들 인산화효소는 주로 신장단계에 있는 RNA 중합효소와 결합하여 세린 2번을 인산화시키게 된다. 따라서 세린 2번 인산화는 유전자의 3‘ 말단에서 높게 나타나며 전사신장에 관련된 다양한 단백질들이 결합하는 부위로 작용하는 것으로 알려져 있다. 대표적으로 전사신장인자(elongation factor)인 Spt6 단백질이 세린 2번 인산화와 결합하여 신장을 촉진한다. 또한 전사신장과정에서 일어나는 RNA 처리과정인 스플라이싱(Splicing)에 관여하는 단백질이 세린 2번 인산화와 결합하는 것으로 알려졌다 (그림 2와 그림 3). 따라서 세린 2번 인산화가 적절히 나타나지 않으면 스플라이싱 과정이 정상적으로 일어나지 않게 된다.

세린 2번 인산화는 마지막 RNA 처리과정인 아데닐산중합반응(Polyadenylation)과 진핵세포에서의 전사종결(termination)에도 관여한다. 아데닐산중합반응을 위해서 먼저 아데닐산중합반응 신호(Polyadenylation signal) 부위에서 RNA가 잘려져야 하는데 이에 관여하는 효소가 세린 2번 인산화를 통해 RNA 중합효소와 결합하고 이후에 RNA로 이동하여 절단하게 된다. 이렇게 잘려진 mRNA는 아데닐산중합반응을 거쳐 성숙한 mRNA로 만들어지게 된다. 또한 RNA 절단 이후에 RNA 중합효소에는 짧은 RNA가 결합되어 있는데, 이 RNA들의 분해를 통해 전사종결이 촉진된다 (그림 3).   

그림 3. 카복시말단영역 인산화의 기능 (출처: 한국분자·세포생물학회)

카복시말단영역 인산화의 또 다른 주요기능은 히스톤 변형을 유도하는 효소를 불러들이는 것이다. 예를 들면 세린 5번 인산화는 히스톤 중 H3의 네 번째 라이신(histone H3 K4)을 특이적으로 메틸화시키는 메틸화효소의 결합부위로 작용한다. 따라서 세린 5번 인산화와 히스톤 H3의 네 번째 라이신 메틸화(H3K4 methylation)는 주로 유전자의 5‘ 말단에 높게 나타난다 (그림 3). 이와 반대로 세린 2번 인산화는 히스톤 중 H3의 서른여섯 번째 라이신(histone H3 K36)을 특이적으로 메틸화시키는 메틸화효소를 불러들이는 역할을 한다. 결국 히스톤 H3의 서른여섯 번째 라이신 메틸화(H3K36 methylation)은 세린 2번이 높게 나타나는 유전자의 3‘ 말단에 주로 축적되는 것으로 알려져 있다 (그림 3). 

RNA 중합효소(RNA polymerase), 보편전사인자(general transcription factors), 전사개시(Initiation), 전사신장(Elongation), 전사종결(Termination), RNA 처리과정(RNA processing)

Molecular Biology of the gene (7 판),

Buratowski S. Progression through the RNA polymerase II CTD cycle. Mol Cell. 2009 Nov 25;36(4):541-6