유전자 발현

유전자는 세포의 생명활동에 필요한 다양한 단백질을 만드는데 필요한 서열 정보를 담고 있으며, 이 서열정보로부터 단백질을 만들어 내는 과정을 유전자 발현이라고 한다. 유전자 발현은 크게 DNA로부터 mRNA를 만들어내는 전사(transcription) 과정과 mRNA로부터 단백질을 만들어내는 해독(translation) 과정으로 이루어져 있다.

 원핵세포와 진핵세포의 유전자 발현은 모두 전사, 해독의 과정을 거쳐서 단백질을 만들어내는 공통점이 있으며, 전사에는 RNA 중합효소, 해독에는 리보좀(ribosome)이 관여하는 공통점이 있다. 그러나 RNA 중합효소의 종류, 중합효소가 결합하는 프로모터(promoter) 서열, 리보좀(ribosome)이 결합하는 서열 등에는 차이가 존재한다.

목차

원핵세포의 유전자 발현 단계는 그림 1에서와 같이 전사와 해독 과정으로 이루어져 있으며, 유전자의 구조는 RNA 중합효소가 인식하여 결합하는 프로모터(promoter), 단백질을 만들어내는 정보가 포함된 코딩서열(coding sequence, CDS), 전사 과정의 종료를 돕는 전사 종료 서열(transcription terminator), 그리고 mRNA 상에서 코딩서열을 제외한 비해독지역(untranslated region, UTR)이 존재한다.

그림 1. 원핵세포의 유전자 발현 과정 (출처: )

전사는 DNA로 이루어진 유전자 정보가 mRNA 형태로 복제되는 과정을 의미한다. 전사는 크게 3단계로 이루어지며, (1) RNA 중합효소가 프로모터(promoter)에 결합하여 전사를 시작하는 단계, (2) DNA와 상보적인 RNA 서열을 만들어내는 단계, (3) 그리고 전사 종료 단계다.

(1) RNA 중합효소는 프로모터에 존재하는 특정 서열을 인식해서 결합을 하는데, 전사 시작 위치(transcription start site)의 -10, -35 위치에 존재하며 -10 box (TATAAT) 및 -35 box (TTGACA)라고 한다¹⁾. 이들 두 서열이 얼마나 잘 보존되어 있느냐에 따라 RNA 중합효소의 결합력이 결정되고, 결합력이 강할 수록 RNA 중합효소가 프로모터에 더 잘 결합할 수 있기에 더 많은 전사를 하여 많은 mRNA를 만들어낼 수 있다.

프로모터외에도 전사 조절 요소(regulatory element)가 존재하는데, 대표적인 것이 오퍼레이터(operator)와 인핸서(enhancer)이다. RNA 중합효소 외에도 전사 관련 단백질이 존재하는데 이들이 결합하는 위치가 오퍼레이터와 인핸서이다. 예를 들어, lac 오페론을 구성하고 있는 lac 프로모터의 경우 LacI 억제 단백질(repressor)이 결합 가능한 오퍼레이터 서열이 lac 프로모터에 존재한다. LacI 단백질이 오퍼레이터 서열에 먼저 결합을 하게 되면 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하지 못하게 된다. LacI 단백질은 이런 식으로 유전자 발현을 조절하게 된다. lac 프로모터 앞 쪽엔 CAP 단백질이 결합할 수 있는 CAP 결합 서열이 존재하는데, cAMP가 결합된 cAMP-CAP 단백질이 이 서열에 결합할 수 있다. 결합된 CAP 단백질은 RNA 중합효소가 프로모터에 더 잘 결합하도록 도와줌으로써 전사를 촉진하는 역할을 한다.

(2) 프로모터에 결합된 RNA 중합효소는 DNA 이중나선을 풀고 DNA와 상보적인 RNA를 하나씩 결합시켜 mRNA를 만들게 된다.

(3) 유전자의 끝 부분에는 전자 종료 서열(transcription terminator)이 존재하는데, 이 서열이 mRNA로 전사되면 보통 머리핀(hairpin) 구조를 이루고 그 끝 부분은 여러 개의 U로 구성되어 있는 경우가 많다. 전사 종료 시 Rho라는 단백질의 필요 유무에 따라 Rho 의존적/비의존적 전사종료 과정이 존재한다.

원핵세포는 하나의 프로모터에 의해 여러 개의 유전자 발현이 조절되는 경우가 많으며, 이런 것을 오페론(operon)이라고 한다. 이는 기능적으로 유사하거나 동일한 목적을 수행하는 단백질 발현을 동시에 조절할 수 있는 장점이 있다.

그림 2. 원핵세포의 프로모터 서열 (출처: 나도균/중앙대)

그림 3. 전사 종료 서열 (출처: )

mRNA에는 단백질의 아미노산 정보가 포함된 코딩서열(coding sequence, CDS)과 단백질을 만드는 정보가 포함되어 있지 않은 비해독 영역(untranslated region, UTR)이 존재한다. 코딩서열은 단백질을 구성하는 아미노산 정보를 가지고 있는 영역이며, 보통 AUG로 시작하여 UAA, UGA, 혹은 UAG로 끝난다. 비해독 영역은 mRNA 해독과정을 조절할 수 있는 여러 서열들이 포함되어 있는 경우가 많다.

해독과정은 (1) 리보좀(ribosome) 단백질이 mRNA에 존재하는 Shine-Dalgarno sequence (SD시퀀스; 샤인-달가노 배열)을 인식하여 결합하는 것으로 시작된다. 그리고 (2) 코딩서열을 인식하여 단백질을 생성하는 과정, (3) 해독종료 과정으로 구성되어 있다.

(1) 해독과정의 시작은 리보솜이 mRNA에 결합하는 것인데, 이는 리보좀 내에 존재하는 16S rRNA의 3' 말단 서열과 mRNA의 Shine-Dalgarno 서열이 상보적결합을 함으로써 결합하게 된다. Shine-Dalgarno 서열과 코딩서열의 개시코돈은 보통 4~10염기 정도 떨어져 있으며, 이 위치에 존재하는 개시코돈(AUG)부터 단백질 생성 과정이 시작된다(그림 4).

그림 4. 원핵세포의 Shine-Dalgarno 서열 (출처:)

(2) 리보솜은 개시코돈부터 3개의 염기씩 읽고 이에 해당하는 아미노산을 펩티드 결합으로 연결하는 해독 과정을 진행하는데, 3개의 염기 쌍을 코돈(codon)이라고 하며, 각 코돈은 하나의 아미노산을 지칭한다. 이들 코돈-아미노산 쌍은 거의 대부분의 생물 종에서 유사하게 유지가 되어있으나, 코돈의 사용 빈도는 종마다 차이가 나타난다. 총 64종류의 코돈이 존재하며 이 중 3개는 종료코돈의 역할을 한다(그림 5).

 tRNA는 코돈과 상보적 결합을 할 수 있는 안티-코돈 서열을 가지고 있으며, tRNA의 한쪽 끝에는 아미노산이 결합되어 있다. 리보솜이 해당 코돈 위치에 있을 때 그 때의 코돈과 상보적 결합이 가능한 tRNA가 리보좀 안으로 들어오게 되고, 이때 tRNA에 결합되어 있는 아미노산을 이용해 단백질을 생성하게 된다(그림 6).

(3) 코돈 중에서 UAG, UGA, UAA는 이에 해당하는 tRNA가 존재하지 않으며, 따라서 이에 해당하는 아미노산도 존재하지 않는다. 이들 3개의 코돈을 종료코돈(stop codon)이라고 하며, 단백질을 생성하는 해독과정은 여기에서 종료된다.

 mRNA의 5' 말단과 3' 말단에는 코딩 서열이 아닌 영역이 존재하는데 이를 비해독영역(untranslated region, UTR)이라고 한다. 여기에는 리보솜이 결합하는 Shine-Dalgarno 서열이 포함되어 있기도 하며, 주로 mRNA의 해독과정을 조절하는 여러 서열이 포함되어 있는 경우가 많다. 특히 5' UTR 서열 속에는 전사 및 해독 과정을 조절하기 위한 리보스위치(riboswitch)²⁾, mRNA의 수명을 조절하기 위한 RNase 결합 서열 등이 존재한다.

그림 5. 코돈 테이블 (출처: )

그림 6. 리보솜에 의한 단백질 해독 과정 (출처: )

그림 7은 진핵세포의 유전자 발현 과정을 보여준다. 진핵세포와 원핵세포의 큰 차이점은 핵막(nucleus membrane)에 의해 핵과 세포질이 구분되어 있어 전사된 mRNA가 세포질로 이동해야하는 것과, 전사 과정에서 인트론(intron)영역의 서열이 제거되는 RNA splicing, 그리고 mRNA의 5' 말단에 cap 결합과 3' 말단에 polyA 서열을 결합시키는 변형 과정이 존재하는 것이다. 그 외의 기본적인 유전자 구조 및 발현 과정은 원핵세포의 과정과 거의 유사하다.

그림 7. 진핵세포의 유전자 발현 과정 (출처: )

진핵세포의 RNA 중합효소는 크게 3가지 종류가 있다. RNA 중합효소 I은 rRNA 유전자의 발현에 관여하고, RNA 중합효소 II는 단백질을 생성하는 유전자 발현에, RNA 중합효소 III은 tRNA 유전자 발현에 관여한다. 이들 RNA 중합효소의 종류에 따라 결합하는 프로모터 서열 역시 다른데, 이를 각각 Class I, Class II, Class III로 나눈다. 그림 8은 Class II 프로모터의 구조를 보여주고 있는데, 크게 핵심 프로모터 영역(core promoter)과 주변부 프로모터 영역(proximal promoter)으로 나눌 수 있다. 핵심 프로모터 영역에는 TATA box (TATA(A/T)AA(G/A))가 존재하며 여기에는 TBP(TFIID) 단백질이 결합하여 다른 전사 단백질이 조립되도록 돕는 역할을 한다³⁾. 주변부 프로모터 영역에는 GC box (GGGCGG, CCGCCC) 혹은 CCAAT box가 존재하는데, 이 서열에는 Sp1 및 CTF 단백질이 결합하여 전사를 돕는 역할을 한다. 

 진핵세포의 유전자 서열이 모두 100% mRNA로 복제되는 것이 아니라 일부 서열은 mRNA로 전사되는 과정에서 제거되는 RNA 스플라이싱(splicing) 과정이 존재한다. 이때 제거되는 영역을 인트론(intron)이라고 하고 mRNA에 남아있는 영역을 엑손(exon)이라고 한다. 엑손과 인트론은 고정된 형태가 아니라 필요에 따라 엑손 인트론 영역이 바뀌게 되며 이를 alternative splicing이라고 한다.

 RNA로 전사된 서열은 두 가지 추가적인 변형 과정을 거치게 된다. 전사 과정의 초기 단계에 5' 말단의 인산기가 제거되고 그 위치에 7-methyguanosine을 결합시키는 캐핑(capping) 과정과, 전사 후 3' 말단에 A 염기를 200개 이상 결합시키는 polyA 생성 과정이 있다. 이들 과정은 mRNA가 핵막을 통해 이동하는데 활용되기도 하고 mRNA의 안정성을 유지하는데 도움을 주기도 한다.  

진핵세포의 해독과정은 원핵세포의 해독과정과 거의 유사하다. 차이점은 리보솜이 mRNA에 결합하는 과정과 개시코돈의 위치를 나타내는 서열정보가 다른 정도이다. 진핵세포의 리보솜은 mRNA의 '5 말단에 존재하는 cap을 인식하여 결합하고 mRNA를 따라 이동하며 개시코돈을 찾는 과정을 거친다. 이때 개시코돈의 위치를 지칭하는 서열로 코작 서열(Kozak sequence, ACCAUGG)이 있으며, 이 서열 안에 개시코돈인 AUG가 포함되어 있는게 특징이다. 이후의 단백질 합성 과정은 원핵세포의 과정과 유사하다. 

그림 8. 진핵세포의 코어 프로모터(Class II) (출처: )

그림 9. 엑손과 인트론 (출저: )

프로모터(promoter), 리보좀(ribosome), 진핵세포, 리보스위치(riboswitch), lac 오페론, 오페론(operon), 유전자 구조

나도균/중앙대학교

김근필/중앙대학교

1. Cowing, D.W., et al. 1985. Consensus sequence for Escherichia coli heat shock gene promoters. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82, 2679–2683.
2. Serganov, A. and Nudler, E. 2013. A decade of riboswitches. Cell 152, 17–24.
3. Patikoglou, G.A., et al. 1999. TATA element recognition by the TATA box-binding protein has been conserved throughout evolution. Genes Dev. 13, 3217–3230.