항종결자

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항종결자

[ Antiterminator ]

항종결(antitermination)이란 전사(transcription)를 조절하는 기전들 중 하나로서, 유전자의 전사 종결(transcription termination) 신호가 있음에도 불구하고 항종결자(antiterminator)라는 단백질이 RNA 중합효소와 상호작용함으로써 RNA중합효소(RNA polymerase)가 mRNA 합성을 지속하게 하는 기전이다.

목차

  1. 1.발견
  2. 2.항종결 시스템
  3. 3.항종결 시스템 N
  4. 4.항종결 시스템 Q
  5. 5.Nus 인자
  6. 6.관련용어
  7. 7.집필
  8. 8.감수
  9. 9.참고문헌

발견

항종결자는 Jeffrey Roberts가 박테리오파지 람다(bacteriophage λ)의 대장균 감염기전 연구 도중 발견했다1). 박테리오파지 람다의 대장균 감염 초기에는 극초기 유전자(immediate early gene)라고 불리는 일부 유전자만이 대장균의 RNA 중합효소에 의해 전사되어 단백질로 합성된다. 이때 발현된 단백질들은 숙주 내 단백질과의 상호 작용하여 전사가 진행되지 못하고 있던 박테리오파지 람다 유전자들의 전사가 진행되도록 항종결 구조를 형성한다. 이와 같은 역할을 하는 단백질들을 항종결자(antiterminator)라고 한다2). 

항종결 시스템

박테리오파지 람다는 총 2 가지 항종결 시스템, 즉, N단백질을 항종결자로 이용하는 N 시스템과 Q단백질을 항종결자로 이용하는 Q 시스템을 갖고 있다1).

박테리오파지 람다의 항종결 시스템 N과 Q (출처: 강세빈/서강대)

항종결 시스템 N

박테리오파지 람다의 극초기 유전자 전사는 pL (left, 왼쪽)과 pR (right, 오른쪽) 프로모터에서 진행된다. pL에 의한 전사가 진행될 경우 N유전자, pR에 의한 전사가 진행될 경우 cro유전자가 발현되며, 각각의 전사는 Rho-의존적 전사종결 기전에 의해 tL1과 tR1에서 멈춘다. 하지만 N 유전자가 전사되어 N단백질이 발현될 경우 숙주 대장균의 Nus인자와 상호 작용하여 tL1과 tR1 종결자 구조를 바꿔 RNA중합효소가 통과하여 전사가 계속 진행되도록 돕는다. 이때 N단백질과 상호작용하는 Nus인자들은 NusA, NusB, NusE (ribosomal protein S10), NusD (Rho protein), NusG로 구성되어 있으며, 각각은 모두 고유의 기능을 보인다.

N단백질과 Nus인자는 tL1과 tR1의 위쪽(upstream) 지역에 위치한 boxA와 boxB 그리고 중간지역(spacer region)으로 이루어진 nutL과 nutR라는 지역에서 N단백질-Nus 중합체를 형성한다. 이때 N단백질은 stem loop 구조를 이루는 boxB에 부착하며, NusA와 결합한 뒤 RNA중합효소와 중합체를 이루어 RNA중합효소가 종결자 구조에 대한 저항 활성을 가지도록 한다. 또한 NusB는 NusE(S10)와 결합하여 boxA에 결합하고, 숙주의 전사저해단백질(inhibitor)이 boxA에 결합하는 것을 방해하여, N단백질-Nus인자-RNA중합효소 중합체의 형성이 잘 일어나도록 돕는다. NusD는 nutL의 아래쪽(downstream) 지역에 부착하여 Rho중합체를 형성하여 Rho 의존적 종결을 유도하는 역할을 한다. 한편 RNA중합효소에 부착하여 효소활성을 돕는 NusG는 NusD와의 상호작용을 통해 종결 및 항종결을 조절한다1).

박테리오파지 람다의 항종결 시스템 N (그림: 강세빈/서강대)

항종결 시스템 Q

pR 프로모터로부터 시작되는 전사 또한 nutR에서 종결자 구조에 대한 활성을 지니는 N단백질-Nus-RNA중합효소 중합체가 형성되면, 종결 지역인 tR1의 다운스트림에 존재하는 유전자의 전사가 계속 진행된다. 그 결과 박테리오파지 람다의 두 번째 항종결자 Q단백질이 합성되는데 N단백질과는 다르게 qut라고 명명된 DNA 지역에 부착하며, pR’ 프로모터에 부착하는 RNA중합효소에 직접 작용하여 효소의 안정화를 돕는다. 이때 Nus인자 중 유일하게 NusA가 이 항종결 시스템에 관여하며, Q 단백질의 활성을 높여주는데 기여한다. 결과적으로 pR’ 프로모터 지역에서 형성된 Q단백질-RNA중합효소 중합체는 pR’의 downstream 지역에 위치한 종결 지역인 tR’의 신호를 무시하고 계속 전사가 진행되게 된다1).

Nus 인자

  • NusA는 전사 멈춤 및 종결, 항종결에 중요한 인자이며, RNA중합효소와 직접적인 상호작용을 통해 RNA 합성율(elongation rate)을 조절하여 전사 및 단백질 발현에 관여한다3).
  • NusB와 NusE(S10)는 전사와 단백질 발현에서 중요한 인자로서 boxA 서열을 가지고 있는 RNA에 결합한다. 항종결 시스템 N에서 NusB는 boxA와의 상호작용을 통해 NusE가 RNA중합효소와 효과적으로 상호작용할 수 있도록 하는 역할을 한다4). NusE는 30S 리보솜을 구성하고 있는 단백질로서, 항종결 시스템 N에서의 역할 이외에도 단백질 발현에도 중요한 역할을 하는데, 전사 감쇠 기전에서 NusB가 RNA에 결합 시 그 결합력을 높여주어 안정적인 구조를 이루게 한다5).
  • NusG는 전사 신장 기전에 중요한 단백질로서 효율적인 Rho(NusD)-의존적 전사 종결에 중요한 역할을 한다. Rho 단백질 6개가 중합체를 이루어 RNA에 결합을 할 때, NusG의 N-말단은 RNA중합효소에 결합을 하고, C-말단은 Rho 단백질 및 리보솜 단백질 등과 상호작용하여 전사 종결 및 항종결을 조절한다6).

관련용어

박테리오파지, 전사 종결(transcription termination), RNA중합효소(RNA polymerase), 박테리오파지 람다(bacteriophage l), 전사(transcription)

집필

이규호/서강대학교

감수

이정신/강원대학교

참고문헌

1. Friedman, D.I. and Court, D.L. 1995. Transcription antitermination: The λ paradigm undated. Mol. Microbiol. 18, 191-200.
2. Weisberg, R.A. and Gottesman, M.E. 1999. Processive antitermination. J. Bacteriol. 181, 359-367.
3. Craven, M.G. and Friedman, D.I. 1991. Analysis of the Escherichia coli nusA10(Cs) allele: Relating nucleotide changes to phenotype. J. Bacteriol. 173, 1485-1491.
4. DeVito, J. and Das, A. 1994. Control of transcription processivity in phage lambda: Nus factors strengthen the termination resistant state of RNA polymerase induced by N antiterminator. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 8660-8664.
5. Lüttgen, H., Robelek, R., Mühlberger, R., Diercks, T., Schuster, S.C., et al. 2002. Transcriptional regulation by antitermination. Interaction of RNA with NusB protein and NusB/NusE protein complex of Escherichia coli. J. Mol. Biol. 316, 875-885.
6. Turtola, M. and Belogurov, G.A. 2016. NusG inhibits RNA polymerase backtracking by stabilizing the minimal transcription bubble. eLife 5, e18096.

동의어

항종결자, antiterminator, Antiterminator