엑손

엑손(exon)은 RNA 스플라이싱(splicing)에 의해 생성된 성숙 RNA에 존재하는 암호화 서열, 또는 이 서열에 상응하는 분할유전자(sprit gene) 내의 DNA 서열을 의미한다. DNA 전사에 의하여 생성된 일차 RNA 전사물로부터 스플라이싱을 통하여 성숙 RNA를 생성하는 과정에서 인트론(intron)은 제거되고 엑손이 서로 공유결합으로 연결된다. 인트론은 mRNA 뿐만 아니라 tRNA와 rRNA를 암호화하는 유전자들을 포함한 모든 종류의 진핵세포 유전자에서 발견된다. 

목차

 세균에서 폴리펩타이드 사슬의 아미노산서열 정보는 DNA 속에 삼중코돈의 연속배열로 암호화되어 저장되어 있다. 오랜 세월 동안 고등생물체의 유전자들도 이처럼 삼중코돈의 연속배열로 구성되어 있을 것이라 추측되었었다. 즉, 유전자를 암호화하는 DNA 서열은 뚜렷한 시작과 끝을 가지며, 내부에 암호정보를 방해하는 비암호정보가 존재하지 않는다는 것이다. 그러나, 이러한 견해는 Philip Sharp와 Richard Roberts를 비롯한 여러 연구자가 많은 유전자의 암호정보가 불연속적이라는 것을 발견한 1977년에 이르러 폐기되었다. 진핵생물 유전자의 모자이크 특성은 mRNA와 해당 유전자를 포함하는 DNA 조각 간의 하이브리드 분자를 전자현미경으로 관찰한 연구를 통하여 밝혀졌다. 예를 들어, 헤모글로빈 β-사슬 유전자의 아미노산 서열 암호정보는 550 염기쌍과 120 염기쌍의 비암호서열(인트론) 2개에 의하여 단절되어 있다. 따라서, β-글로빈 유전자는 세 개의 암호서열, 즉 엑손으로 분리되어 있다. 인간의 유전자는 평균 8개의 인트론을 가지고 있으며, 일부는 100개 이상을 가지고 있다. 인트론의 크기는 50에서 10,000 개의 뉴클레오티드다.

일차전사물RNA에 들어 있는 엑손과 인트론의 배열(출처: )

 인트론으로 단절된 발현부위는 유전자 발현의 어느 단계에서 이어질까? 핵에서 분리된 신생 RNA 사슬(pre-mRNA 또는 일차전사물)은 그것들로부터 유래된 mRNA 분자보다 훨씬 더 크다. β-글로빈 RNA의 경우, 전자는 약 1600 개의 뉴클레오티드, 후자는 약 900개의 뉴클레오티드로 구성된다. β-글로빈 유전자의 일차전사물은 전령 RNA(messenger RNA; mRNA)에 존재하지 않는 2개의 영역, 즉 인트론을 포함하고 있는데, 일차전사물의 가공과정에서 이러한 부위는 절제되며, 이와 동시에 단절되었던 엑손은 정확한 RNA스플라이싱(RNA splicing) 효소에 의해 연결되어 성숙한 mRNA를 형성한다. 불연속 또는 분할된 유전자의 발현에서 흔히 볼 수 있는 특징은 그들의 엑손이 DNA에서와 같이 mRNA에서 동일한 순서로 정렬된다는 것이다. 따라서, 인트론을 갖는 불연속 유전자의 코돈도 연속유전자의 경우와 같이 폴리펩티드 산물의 아미노산과 동일한 순서로 존재한다. 엑손과 엑손의 연결, 즉 RNA 스플라이싱은 단백질과 작은 RNA 분자의 집합체인 스플라이세오좀(spliceosomes)에 의해 수행되는 복잡한 작업이다. 이 효소복합체는 스플라이싱 부위를 지정하는 초기 RNA의 신호서열를 인식한다. 인트론은 거의 항상 GU로 시작하여 피리미딘 풍부서열이 선행된 AG로 끝난다. 이 공통서열은 RNA 스플라이싱을 위한 중요한 신호의 일부이다. 

일차전사물RNA 내에 존재하는 인트론의 공통서열(출처: )

일차전사물RNA에서 일어나는 스플라이싱 과정(출처: )

조류와 포유류와 같은 고등 진핵생물의 유전자는 대부분 분할되어 있다. 반면에, 효모와 같은 하등 진핵생물에서는 분할유전자의 비율이 훨씬 낮으며, 원핵생물에서는 극히 드물다. 인트론이 고등생물로의 진화과정에서 유전자에 삽입되었을까? 아니면, 원핵생물과 하등진핵생물의 간소화된 유전체를 형성하기 위해 유전자로부터 인트론이 제거된 것일까? 진화과정에서 잘 보존되어 있는 단백질을 암호화하는 유전자들의 DNA 서열을 비교·분석한 결과에 따르면, 원시 유전자에 존재하던 인트론이 원핵생물과 같이 매우 빠른 성장을 위해 최적화된 생명체의 진화과정에서 이탈된 것으로 추정된다.

분할유전자는 어떤 이점이 있을까? 많은 경우에, 엑손은 단백질의 특정한 구조요소, 결합부위 및 촉매부위를 암호화한다. 새로운 단백질 출현에 따른 단백질의 진화는 이러한 엑손의 재배치, 즉 엑손셔플링(exon shuffling)이라고 불리는 과정을 통해서 이루어지는 것으로 추측된다. 각 엑손은 특정 기능단위를 보존하지만 새로운 방식으로 상호작용할 수 있기 때문에 엑손셔플링은 새로운 유전자를 생성하는 빠르고 효율적인 수단이 될 수 있다.

인트론 내에서의 DNA 절단과 재조합은 그 유전자가 암호화하는 단백질을 손상시키지 않는다. 반대로, 서로 다른 엑손 사이의 서열교환은 대개 단백질의 기능상실을 초래한다. 분할유전자의 또 다른 이점은 초기 RNA 전사물을 다른 방식으로 스플라이싱함으로써, 일련의 관련 단백질들을 생성할 수 있는 가능성이 있다는 점이다. 예를 들어, 항체생산세포의 전구체는 그 세포의 원형질막에 고정되어 있는 항체를 형성한다. 이 항체는 특정한 외래항원을 인식하고, 그 결과 세포분화와 증식이 유도된다. 활성화된 항체생산세포는 항체유전자의 초기 RNA 전사물을 다른 방식으로 스플라이싱하여 가용성 항체분자를 생성하고 세포 외로 분비한다. 이는 고등생물에서 인트론과 엑손을 복잡하게 배열함으로써 얻을 수 있는 이점을 보여주는 대표적인 사례이다. 선택적 스플라이싱(alternative splicing)은 각 단백질에 대한 유전자를 따로따로 갖추지 않고 발달 프로그램에 따라 기본 모티프를 여러가지로 변형한 다양한 단백질의 집단를 도출하는 데 가장 유용한 수단이다. 

진화(evolution), RNA 스플라이싱(RNA splicing), DNA(deoxyribonucleic acid), 엑손(exon), 진핵생물(eukaryotes), 원핵생물(prokaryote), 유전자, 전령 RNA(messenger RNA; mRNA), 뉴클레오티드, 인트론(intron)

맹필재/충남대학교

이진원/한양대학교

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