I군 인트론

인트론(Intron)은 전구체 mRNA(Precursor mRNA)에서 단백질을 암호화하지 않는 염기서열로 RNA 스플라이싱에 의해 제거되어야 하는 비암호(Noncoding) 염기서열을 말한다. 인트론을 제거하는 과정인 RNA 스플라이싱에는 많은 단백질과 RNA로 구성된 스플라이세오솜(Spliceosome)이 관여하는데 일부 전구체 RNA에 포함된 인트론은 이러한 스플라이세오솜의 도움없이 자체적으로 자기 자신을 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 인트론을 자가스플라이싱 인트론(Self-splicing intron)이라하며 작용기작 및 그 구조에 따라 I군 인트론(Group I intron)과 II군 인트론(Group II intron)으로 나눌 수 있다. 자가스플라이싱 인트론은 일반적으로 약 400 ~ 1000 뉴클레오티드로 구성되어 있고 포함된 대부분의 염기서열은 인트론이 적절한 2차 구조를 형성하여 스플라이싱을 촉진하도록 하는데 중요한 역할을 한다.  

목차

일반적으로 인트론 내에는 스플라이싱에 중요한 세 가지의 중요한 염기서열이 존재한다. 첫 번째로 엑손(Exon)의 3‘ 말단과 인트론의 5’ 말단이 인접해 있는 부위에 존재하는 5‘ 스플라이스 사이트(5’ splice site), 두 번째로 인트론의 3‘ 말단쪽에 가깝게 위치하는 가지분기점(Branch point), 그리고 인트론의 3’ 말단과 그 다음 엑손의 5‘ 말단이 연결된 부위에 존재하는 3’ 스플라이스 사이트(3’ splice site)이다 (그림 1). 각각의 사이트에는 잘 보존된 염기서열을 포함하고 있는데, 5‘ 스플라이스 사이트는 "GU", 그리고 3’ 스플라이스 사이트에는 "AG" 염기서열이 존재하며 이들은 스플라이싱에 직접 관여한다. 특히 가지분기점에는 잘 보존되어 있는 "A" 서열이 존재하는데 이는 스플라이싱 반응을 개시하는데 매우 중요한 역할을 한다. "A" 염기서열의 하이드록실기(-OH)가 5‘ 스플라이스 사이트에 있는 "GU" 염기서열을 공격하여 첫 번째 에스테르교환반응(transesterification)을 촉진하면 스플라이싱 반응이 시작된다.

I군 인트론과 일반적인 인트론의 가장 큰 차이점은 가지분기점에 잘 보존된 "A" 서열이 존재하지 않는다는 것이다. 이로 인해 I군 인트론은 일반적인 인트론과는 다른 스플라이싱 과정을 거치게 된다.

앞서 언급한 바와 같이, I군 인트론에는 "A" 서열을 포함하는 가지분기점이 없는 대신에 전구체 RNA에 포함되지 않은 자유 G 뉴클레오티드(free G nucleotide) 혹은 뉴클레오시드(nucleoside)를 이용하여 스플라이싱 과정을 개시하게 된다 (그림 1). I군 인트론의 또 다른 특징으로는 "내부 길잡이 서열 (internal guide sequence)"을 가지고 있는 것이다. 이 염기서열은 5‘ 스플라이스 사이트에 결합하여 스플라이싱이 일어날 위치를 정확히 지정해주는 역할을 하게 된다(그림2). 

그림 1. I군 인트론의 구조 및 특징 (출처: 한국분자·세포생물학회)

➀ 먼저 I군 인트론은 전사 후 자유 G 뉴클레오티드가 결합할 수 있도록 특정 구조(G-결합부위, G-binding pocket)를 형성하고 이 부위에 G가 결합하게 된다.

➁ 다음으로 "G"의 3‘-하이드록실기(3’-OH)가 5‘ 스플라이스 사이트를 공격하여 엑손과 인트론 인접 부위를 잘라내고 이 과정에서 "G"는 인트론의 5’ 말단에 직접 결합하게 된다. 이 과정을 첫 번째 에스테르교환반응(transesterification I)이라 한다.

➂ 잘려진 엑손의 3‘ 말단에 있는 3’-하이드록실기(3’-OH)가 인트론과 다음 엑손이 만나는 지점을 공격하여 자르게 되고, 이 과정이 두 번째 에스테르교환반응(transesterification II)이다.

➃ 두 번째 에스테르교환반응에 의해 두 개의 엑손은 서로 연결되고 인트론이 RNA로부터 분리되면 스플라이싱 과정이 마무리 된다 (그림 2).

그림 2. I군 인트론의 스플라이싱 과정 (출처: 한국분자·세포생물학회)

I군 인트론의 스플라이싱 과정에서 관찰되는 가장 큰 특징은 스플라이싱 이후에 생성되는 인트론의 형태가 다르다는 것이다. 일반적으로 대부분의 인트론의 경우는 스플라이싱 과정 이후에 올가미(Lariat)형태를 형성하게 된다. 이는 첫 번째 에스테르교환반응이 일어나게 되면 가지분기점에 있는 "A"가 인트론의 5‘ 말단과 직접 연결되기 때문이다.

그러나 I군 인트론은 가지분기점이 없고 대신 자유 "G" 뉴클레오티드가 전구체 RNA의 결합부위에 결합된 상태로 첫 번째 에스테르교환반응을 일으키게 된다. 이후에 "G"는 잘려진 인트론의 5‘ 말단에 직접 결합된 상태로 존재하게 된다. 따라서 스플라이싱 과정이 완료된 후 생성되는 인트론은 올가미형태가 아닌 선형(linear form)을 나타내게 된다 (그림 2). 

리보자임 또는 라이보자임(Ribozyme)이란 뉴클레오티드 서열로 이루어진 RNA분자가 일반적인 효소와 마찬가지로 지속적으로 어떤 반응을 촉진시키는 것을 말한다. I군과 II군 인트론은 스플라이싱을 일으키기는 하지만 한 번의 스플라이싱만 촉진하므로 일반적으로 리보자임이라 하지 않는다.

그러나 I군 인트론은 특정 RNA의 염기서열을 자르는 리보자임의 역할을 하도록 변경할 수 있다. 만약 자유 "G" 뉴클레오티드(free "G" nucleotide)의 농도가 매우 높을 경우 "G"는 잘려진 I군 인트론의 G 결합부위에 다시 결합하게 된다. 또한 잘려진 I군 인트론의 5‘ 말단에는 "내부 길잡이 서열 (internal guide sequence)"이 포함되어 있기 때문에 이 서열과 상보적 염기서열을 가진 RNA와 결합할 수 있게 된다. 따라서 내부 길잡이 서열이 특정 RNA의 염기서열과 결합하게 되면, "G" 뉴클레오티드가 RNA 내부를 절단하게 되며 "G"는 잘려진 RNA의 5‘ 말단에 결합된 형태가 된다 (그림 3). 또한 I군 인트론은 "G" 뉴클레오티드가 주어진 경우 지속적으로 위의 반응을 촉진시킬 수 있게 된다.

그림 3. I군 인트론의 라이보자임으로의 변화 (출처: 한국분자·세포생물학회)

엑손(Exon), RNA 스플라이싱(RNA 스플라이싱), 리보자임(Ribozyme)

Molecular Biology of the Gene (7판)