전사종결인자

Rho 인자(Rho factor)는 원핵생물에서 유전정보 물질인 DNA로부터 단백질 합성의 중간정보 전사체인 RNA의 합성종결에 관여하는 단백질이다. Rho 인자는 전사가 진행 중인 mRNA에 결합하는데, 결합부위는 rut (rho utilization)로 명명되는 곳으로, C가 많고 G가 적은 염기서열 부위이다. Rho 인자는 헬리케이스(helicase)의 일종으로 육량체(hexamer)로 이루어져 있으며, RNA-의존성 ATPase 활성을 가진다. Rho 인자는 mRNA를 따라 이동하여 RNA 중합효소를 DNA로부터 떼어놓아 전사 종결을 유발하는 단백질이다.

목차

유전자 발현은 DNA에서 단백질을 합성하는 것이며, 그 과정에서 먼저 DNA와 유사한 핵산으로 구성된 mRNA를 합성하게 된다. 이 과정은 RNA 중합효소가 그 역할을 담당한다. 전사의 시작은 프로모터(promoter) 부위라는 특정 DNA 염기서열에서 시작된 후, RNA 사슬의 합성이 계속해서 일어나게 되고, 유전자의 끝 부위에서 전사종결이 일어나게 된다. 전사의 종결방식에는 두 가지가 있는데, 다른 인자의 도움 없이 스스로 종결하는 내재종결자(intrinsic terminator)와 효소활성을 가지는 단백질 인자의 도움에 의해 종결이 일어나는 효소적 종결자(enzymatic terminator)가 있다. 대장균에서 대표적인 효소적 종결방식이 Rho 단백질에 의한 전사종결이며, 이러한 방식을 Rho 의존종결(Rho-dependent termination)이라고 하며, 세균 유전자의 20~30%가 Rho에 의해 전사 종결된다. 내부종결자의 경우 합성되는 RNA에 역반복서열(inverted repeat sequence)에 줄기-고리 머리핀(stem-loop hairpin)의 이차구조를 만들고, 뒤이어 8~10개의 U 서열을 가진다. 이러한 이차구조의 형성과 RNA의 U와 주형 DNA의 A의 혼성체 사이에 두 개의 수소결합은 세 개의 G-C 결합보다 약해져 불안정하게 되고, RNA 중합효소로부터 RNA가 해리되어 나온다. 이러한 종결방식은 효소활성을 가지는 단백질의 도움 없이 독립적으로 전사종결되므로 Rho 독립종결(Rho-independent termination)이라고 한다.

원핵생물의 두 가지 전사종결방식 (출처: )

삼차원적 Rho 단백질 구조와 RNA의 결합 및 이동 (출처: )

Rho 단백질은 원핵생물에서 상호의존적 RNA 결합과 ATP 가수분해효소(ATPase), 전위효소(translocase), DNA-RNA 혼성체의 헬리케이스(RecA family helicase) 활성 및 단백질을 해리시키는 복합적인 기능을 가진 필수적인 단백질이다. 대장균의 경우 분자량이 약 275 kDa이며, 동일한 소단위체(subunit) 6개로 이루어진 육량체로 된 중앙부가 비어있는 고리구조(도넛 모양)로 되어있다. 고리를 통해 속을 보는 형태를 취할 때, 상부 각각의 인자에 RNA가 돌아가며 결합하고 각각의 인자에 ATP 결합부위가 존재한다. 육량체의 Rho 단백질에 RNA가 결합할 때 고리 구조는 열려있는 상태이다. 단량체 각각은 419개의 아미노산으로 구성되며 RNA의 일차결합부위(Primary Binding Site, PBS)가 있으며, 싸이토신을 선호(C-풍부/ G-빈약 서열)하는 피리미딘 이량체를 수용하기에 충분한 홈(cleft)을 가지고 있다. Rho 단백질이 결합하는 부위는 전사종결부 상류에 존재하는 ~70개의 뉴클레오타이드(가끔은 80~100개)로 이루어진 C가 많고 G가 적은 특별한 염기서열인 Rho utilization (rut) 부위이다. 일반적으로 rut 부위는 직접 Rho-RNA 결합 부위 사이의 구조적 부위가 looped out 될 수 있지만 RNA 상의 특별한 이차구조가 없다. 그리고 Rho는 리보솜이 rut 부위에 근접하는 것을 봉쇄하기 때문에 활성적으로 번역되는 전사체(transcript)에는 접근할 수 없다.  

Rho는 전사종결 이외에도 유전체 수준에서 유전체의 정합성(integrity)과 전체 유전자 발현을 유지하는 기능, 즉 안티센스 전사(antisense transcription)를 억제하고, 번역에 문제가 발생했을 때 이상하고 불필요한 전사체의 합성을 방지하고, 전사와 복제기구 사이의 충돌을 방지하는 역할을 수행한다고 알려져 있다.

각 Rho 단량체의 N-말단 도메인이 새롭게 합성된 RNA에 결합하면 고리가 열리게 된다. 육량체의 고리의 중심부는 각 Rho 단량체의 C-말단부의 이차 결합부위(Secondary Binding Site, SBS) 아미노산 잔기가 존재하고, 합성된 RNA는 열려있는 부위를 지나 내부의 이차 결합부위와 결합하고, 고리는 닫히게 된다. 이차결합부위에 대한 결합 후 Rho의 ATPase 가수분해의 에너지를 이용하여 RNA를 따라 이동한다. 이때 일차결합부위는 고정되고, Rho 단백질은 이차결합부위를 따라 5’->3’ 방향으로 RNA 서열 하류로 전위된다. RNA 합성효소가 종결서열에 도달하여 머뭇거리는 동안 Rho 단백질이 전위하여 RNA 합성효소를 만나게 되면 전사버블(transcription bubble)에서 DNA 주형으로 부터 RNA 합성효소를 해리시키고 RNA 전사체의 방출시킴으로 전사가 종결된다. 

Rho-의존 전사종결과정 (그림: 이한주/서울대)

리보좀(Ribosome), DNA(deoxyribonucleic acid), 원핵생물(prokaryote), 세균 유전자 프로모터(bacterial promoter), 대장균(Escherichia coli), RNA 합성효소, 역반복서열(inverted repeat sequence), 헬리카아제(RecA family helicase), RNA 중합효소

노동현/충북대학교

이진원/한양대학교