리보솜

리보솜은 살아 있는 세포의 세포질에서 단백질을 합성하는 단백질과 RNA 복합체로 세포막이 없다. 리보솜은 전령 RNA(messenger RNA; mRNA)에 암호화되어 있는 순서에 따라 아미노산을 연결한다. 리보솜은 두 개의 소단위체(subunit)로 되어 있으며 작은 소단위체(small subunit)와 대단위체(large subunit)가 그것이다. 리보솜의 각 단위체는 다수의 리보솜 단백질(ribosomal protein)과 1~3 종류의 리보솜 RNA(ribosomal RNA; rRNA)가 얽혀 있는 번역기구(translation apparatus)이다.^1)2)3)4)5)6)

목차

리보솜은 1953년에 George Emil Palade(1912~2008)가 전자현미경을 이용하여 소포체 막 표면에 알갱이로 분포하는 것을 관찰하였고, 그 결과를 1955년에 최초로 보고하였다.⁷⁾ Palade는 이 공로로 1974년 노벨 생리의학상을 수상하였다. 리보솜은 1958년 Richard B. Roberts가 Biophysical Society의 첫번째 심포지움(1958. 2. 5~8; MIT, Cambridge, 미국)에서 microsomal particle을 리보솜(ribosome)으로 명명하자고 제안하면서부터 사용되기 시작하였다.⁸⁾

George Emil Palade가 1955년에 발표한 세포질의 소포체 표면에 붙어 있는 리보솜 (출처:Palade GE (1955) A small particulate component of the cytoplasm. Journal of Biophysical and Biochemical Cytology 1: 59-68)

리보솜은 리보솜 단백질과 rRNA(ribosomal RNA)가 섞여 만들어진 RNA와 단백질의 복합체(RNA-Protein complex; RNP cpmplex)로 크기가 서로 다른 소단위체와 대단위체로 구성되어 있고 약간 길쭉한 모양이다. 원핵세포와 진핵세포의 리보솜은 매우 유사한 구조로 되어 있다.^9)10)11) 원핵세포의 리보솜은 직경이 20 nm 정도로 약 65%의 rRNA와 35%의 단백질로 되어 있다.¹²⁾¹³⁾ 진핵세포의 리보솜은 직경 25~30 nm로 rRNA와 단백질의 비율이 거의 비슷하다.¹⁴⁾¹⁵⁾ 결정구조에 의하며 폴리펩티드(polypeptide) 합성부위에 리보솜 단백질이 없는 것으로 나타나, 리보솜 단백질은 펩티드 결합을 만드는데 직접 관여하지 않고 rRNA에 의한 단백질을 합성을 촉진하는 스케폴드로 작용할 것으로 제안되었다.¹⁶⁾ 이는 리보솜의 리보자임(ribozyme)으로서의 역할¹⁷⁾을 지지한다.  

원핵생물은 70S(S는 Svedverg 단위로 원심분리시 침강 속도)의 리보솜으로 30S의 소단위체(small subunit; SSU)와 50S의 대단위체(large subunit; LSU)로 되어 있다. 대장균에서 소단위체는 16S rRNA와 21개의 단백질, 대단위체는 23S, 5S rRNA와 31개의 단백질로 되어 있다. 대단위체 리보솜 단백질 중에서 L27에 아미노 그룹과 친화도가 높고¹⁸⁾, 소단위체 단백질 중에서 S1과 S21 단백질에 16S rRNA 번역개시에 관여하는 것으로 보고되었다.¹⁹⁾

번역 주형으로 쓰이는 mRNA의 번역개시 코돈(AUG)으로부터 8개의 염기(base) 앞에 있는 리보솜 결합부위(ribosome-binding site 또는 Shine-Dalgarno sequence)의 염기서열인 AGGAGG는 16S rRNA의 3' 말단서열과 염기쌍을 만드는 것으로 알려져 있다.²⁰⁾²¹⁾ 이는 rRNA가 리보솜이 mRNA의 개시코돈과 정렬하여 단백질 합성을 시작하게 하는데 중요한 역할을 함을 말한다.

진핵생물은 80S의 리보솜으로 40S의 소단위체와 60S의 대단위체로 되어 있다. 생쥐에서 소단위체는 18S rRNA와 33개의 단백질, 대단위체는 5S, 28S, 5.8S  rRNA와 46개의 단백질로 되어 있다.²²⁾²³⁾ 생쥐 간세포의 리보솜 단백질에 대한 tRNA 결합 실험에 의해 대단위 단백질 중에서 L32/33, L36, L21, L23, L28/29, L13이 펩티드전달효소(peptidyl transferase)는 단위체의 중심부 근처에 있는 것으로 보고되었고²⁴⁾, 초파리에서도 유사한 연구 결과가 발표되었다.²⁵⁾ 진핵생물의 엽록체와 미토콘드리아의 리보솜은 원핵생물과 같은 70S이며 내공생(endosymbiosis)설을 뒷받침하는 하나의 사례로 여겨지고 있다.

리보솜은 세포 활동에 필요한 단백질을 합성하는 기관으로, 세포질에 떠 있거나 소포체(endoplasmic reticulum)에 부착되어 있다.

리보솜이 전령 RNA(mRNA)를 주형으로 단백질을 합성하며, mRNA는 단백질을 이루는 기본단위인 아미노산(amino acid)을 암호화라는 3개의 뉴클레오티드로 된 코돈(codon)의 연속이다. 리보솜이 코돈을 스캔할 때 각 코돈에 해당하는 아미노산이 리보솜에 의해 만들어지는 펩티드 사슬의 한 쪽 끝에 aminoacyl-tRNA의 형태로 전달되어 부착된다. tRNA는 mRNA의 코돈에 상보적인(complementary) 안티코돈(anticodon)과 한쪽 끝에 아미노산을 부착해서 tRNA와 아미노산 복합체인 aminoacyl-tRNA로 된다. 리보솜의 소단위체는 아미노산 메티오닌(methionine)을 암호화하는 AUG 번역개시(translation start) 코돈에 methionyl-tRNA(aminoacyl-tRNA의 한 종류)와 같이 붙어서 소단위체 복합체(30S 또는 40S preinitiation complex)를 형성하고, 이 복합체는 리보솜 대단위체와 결합한다. 리보솜에는3개의 RNA 결합 자리인 A, P, E 자리가 있으며, A(aminoacyl) 자리는 aminoacyl-tRNA와 결합하고,²⁶⁾ P(peptidyl) 자리는 peptidyl-tRNA(합성 중인 펩티드에 결합된 tRNA)와 결합하며, E(exit) 자리는 아미노산을 전달하고 리보솜을 떠나는 tRNA가 잠시 머무르는 곳이다. P 자리는 항생제 퓨로마이신 민감 자리(puromycin-sensitive site)로도 불리며 이는 퓨로마이신이 aminoacyl-tRNA과 유사한 구조를 가지고 있기 때문에 이 항생제가 A 자리에 존재할 때 펩트드와 푸로마이신과 연결되는 데서 유래하였다.²⁷⁾ 단백질합성은 mRNA의 5' 말단 근처에 있는 AUG 코돈이 P 자리에 결합하면서 시작되는데 원핵생물에서는 리보솜이 mRNA의 리보솜결합서열(Shine-Dalgarno sequence)을, 진핵세포에서는 코작(Kozak) 서열을 인식하는 것으로 알려져 있으나 이 규칙을 벗어나는 경우가 많다.

1. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ 등 (1999) X-ray crystal structures of 70S ribosome functional complexes. Science, 285: 2095-2104
2. Wilson DN, Doudna Cate JH (2012) The structure and function of the eukaryotic ribosome. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 4: 1-17
3. Stark H (2002) Three-dimensional electron cryomicroscopy of ribosomes. Current Protein & Peptide Science, 3: 79-91
4. Taylor DJ, Devkota B, Huang AD 등 (2009) Comprehensive molecular structure of the eukaryotic ribosome. Structure, 17: 1591-1604
5. Weis BL, Kovacevic J, Missbach S 등 (2015) Plant-specific features of ribosome biogenesis. Trends Plant Sci, 20: 729-740
6. de la Cruz J, Karbstein K, Woolford JL, Jr. (2015) Functions of ribosomal proteins in assembly of eukaryotic ribosomes in vivo. Annual Review of Biochemistry, 84: 93-129
7. Palade GE (1955) A small particulate component of the cytoplasm. Journal of Biophysical and Biochemical Cytology, 1: 59-68
8. Roberts RB (1958) Microsomal Particles and Protein Synthesis, Pergamon Press, Inc, New York
9. Taylor DJ, Devkota B, Huang AD 등 (2009) Comprehensive molecular structure of the eukaryotic ribosome. Structure, 17: 1591-1604
10. Alberts B, Johnson A, Lewis J 등 (2002) Molecular Biology of the Cell, 4th Ed, Garland Science, New York
11. Melnikov S, Ben-Shem A, Garreau de Loubresse N 등 (2012) One core, two shells: bacterial and eukaryotic ribosomes. Nature Structural & Molecular Biology, 19: 560-567
12. Cate JH, Yusupov MM, Yusupova GZ 등 (1999) X-ray crystal structures of 70S ribosome functional complexes. Science, 285: 2095-2104
13. Yusupova G, Jenner L, Rees B 등 (2006) Structural basis for messenger RNA movement on the ribosome. Nature, 444: 391-394
14. Wilson DN, Doudna Cate JH (2012) The structure and function of the eukaryotic ribosome. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 4: 1-17
15. Jenner L, Melnikov S, Garreau de Loubresse N 등 (2012) Crystal structure of the 80S yeast ribosome. Current Opinion in Structural Biology, 22: 759-767
16. Nissen P, Hansen J, Ban N 등 (2000) The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis. Science, 289: 920-930
17. Cech TR (2000) Structural biology. The ribosome is a ribozyme. Science, 289: 878-879
18. Collatz E, Kuchler E, Stoffler G 등 (1976) The site of reaction on ribosomal protein L27 with an affinity label derivative of tRNA Met f. FEBS Letters, 63: 283-286
19. Czernilofsky AP, Collatz EE, Stoffler G 등 (1974) Proteins at the tRNA binding sites of Escherichia coli ribosomes. Proc Natl Acad Sci USA, 71: 230-234
20. Shine J, Dalgarno L (1975) Determinant of cistron specificity in bacterial ribosomes. Nature, 254: 34-38
21. Malys N (2012) Shine-Dalgarno sequence of bacteriophage T4: GAGG prevails in early genes. Molecular Biology Reports, 39: 33-39
22. Ben-Shem A, Garreau de Loubresse N, Melnikov S 등 (2011) The structure of the eukaryotic ribosome at 3.0 A resolution. Science, 334: 1524-1529
23. Klinge S, Voigts-Hoffmann F, Leibundgut M 등 (2011) Crystal structure of the eukaryotic 60S ribosomal subunit in complex with initiation factor 6. Science, 334: 941-948
24. Czernilofsky AP, Collatz E, Gressner AM 등 (1977) Identification of the tRNA-binding sites on rat liver ribosomes by affinity labeling. Molecular and General Genetics, 153: 231-235
25. North D, Pellegrini M (1988) Affinity labeling of the P site of Drosophila ribosomes: a comparison of results from (bromoacetyl)phenylalanyl-tRNA and mercurated fragment affinity reactions. Biochemistry, 27: 2603-2608
26. Konevega AL, Soboleva NG, Makhno VI 등 (2004) Purine bases at position 37 of tRNA stabilize codon-anticodon interaction in the ribosomal A site by stacking and Mg²⁺-dependent interactions. RNA, 10: 90-101
27. Baker BR, Joseph JP, Williams JH (1955) Puromycin. synthetic sstudies. VII. Partial synthesis of amino acid analogs. Journal of the American Chemical Society, 77: 1-7