RNA 중합효소

RNA 중합효소(RNA polymerase, RNAP or RNApol)는 DNA 의존성 RNA 중합효소(DNA-directed RNA polymerase)로 이중가닥 DNA를 풀어 주형가닥에 상보적인 RNA를 합성하는 전사(transcription) 과정에 작용하는 효소이다. RNA 중합효소는 생명체 내에서 필수적인 역할을 하기 때문에 바이러스를 비롯한 모든 살아있는 생명체 내에 존재한다. 전사인자들과 관련된 다른 매개체들이 먼저 프로모터 부분에 결합하면 RNA 중합효소는 이중가닥 DNA를 풀면서 전사를 진행한다. 다양한 종류의 RNA 중합효소는 세포내에서 전령 RNA뿐 아니라, tRNA(transfer RNA), rRNA(ribosomal RNA), miRNA(micro RNA) 등의 전사에도 관여한다.

목차

박테리아의 경우 한 종류의 RNA 중합효소가 전령 RNA와 비암호화 RNA(non-coding RNA, ncRNA)의 합성을 모두 담당한다. RNA 중합효소는 핵심 효소로 작용하는 5개의 소단위체(α1, α2, β, β‘, ω)에 추가로 시그마(σ)인자까지 포함해 온전한 효소 활성을 가진 효소복합체를 구성된다. β‘은 rpoC 유전자에 의해 암호화되는 가장 큰 소단위체로, RNA 합성을 담당하는 활성 부위와 서열 비특이적인 DNA와 RNA의 상호작용하는 부위를 포함하고 있다. β는 rpoB 유전자에 의해 암호화되는 두번째로 큰 소단위체로, RNA 합성과 서열 비특이적인 DNA 염기서열에 결합하는 나머지 부위을 가진다. α는 세번째로 큰 소단위체로 RNA 중합효소 복합체 당 2개씩 포함되어 있으며, 각각의 α는 αNTD(N-Terminal domain)와 αCTD(C-terminal domain)를 포함한다. αNTD는 RNA 중합효소의 위치를 결정하고, αCTD는 프로모터 DNA와의 상호작용을 담당한다. ω는 가장 작은 소단위체로 RNA 중합효소의 조립을 촉진하고, 안정화 시키는 역할을 한다. 마지막으로 σ는 RNA 중합효소가 프로모터에 결합할 때 필요한 개시인자로, RNA 중합효소가 프로모터에 정확하게 결합하여 전사가 시작될 수 있도록 한다 (그림 1). 

그림 1. 원핵세포의 RNA 중합효소 구조 (출처: 한국분자·세포생물학회)

진핵생물의 경우 다양한 종류의 RNA 중합효소를 가지는데, 각각의 RNA 중합효소가 서로 다른 RNA의 합성에 관여한다.

① RNA 중합효소 I : RNA 중합효소 I은 리보솜을 이루는 주된 RNA인 rRNA의 전사에 관여한다.

② RNA 중합효소 II : RNA 중합효소 II는 전령 RNA와 대부분의 snRNA, microRNA를 합성한다. 매우 정교하게 조절되며, 프로모터에 결합할 때 많은 전사인자들의 도움을 필요로 한다 (그림 2).

③ RNA 중합효소 III : RNA 중합효소 III는 tRNA, 5S rRNA 그리고 small RNA를 전사한다.

④ RNA 중합효소 Ⅳ : RNA 중합효소 Ⅳ는 식물의 sirRNA를 전사한다.

⑤ RNA 중합효소 Ⅴ : RNA 중합효소 Ⅴ는 식물에서 siRNA 의존적 이질염색질 형성에 관여하는 RNA를 합성한다.

그림 2. 진핵세포의 RNA 중합효소 II의 구조 ()

진성두창바이러스(Orthopoxviruse)의 경우 박테리아, 고세균, 진핵생물과 유사한 RNA 중합효소를 이용하여 RNA를 합성하지만, 대부분의 다른 바이러스는 구조적, 방법적으로 다른 RNA 중합효소를 이용하여 RNA를 합성한다 (그림 3). 많은 바이러스는 하나의 단위로 이루어진 DNA 의존적 RNA 중합효소를 사용하지만 일부 바이러스는 RNA 의존적인 RNA 중합효소를 사용하기도 한다.

그림 3. T7 RNA 중합효소의 구조 ()

RNA 중합효소는 유전자의 전사를 담당함으로써 생물체가 살아가기 위해 필요한 기본적인 물질대사를 유지하는데 중요하게 작용한다. 따라서 RNA 중합효소는 매우 복잡한 단백질복합체로, 그 기능이 매우 정교하게 조절된다. RNA 중합효소는 특정한 DNA 서열인 프로모터에서 전사를 시작하고, 주형 가닥에 상보적인 RNA를 합성한다. 신장(elongation) 과정을 거쳐 RNA를 합성하다가 종결자(terminator)를 만나면 합성한 RNA 전사체를 DNA로부터 떨어뜨리면서 전사를 종결한다. RNA 중합효소로부터 전사된 RNA는 생물체에 필요한 단백질 합성의 주형(전령 RNA)으로 사용되거나, tRNA나 rRNA처럼 번역과정에 관여하기도 한다. 또한 microRNA의 경우 유전자의 발현을 조절하는 담당한다.

원핵세포에서 RNA 중합효소는 시그마(σ)인자를 이용해 핵심 프로모터 부분인 -35에서 -10 부분을 인식하여 결합한다. 대장균의 경우 정상적인 환경에서는 σ70이 사용되고, 높은 온도 조건에서는 σ32가 사용되는 등 σ는 조건에 따라 다른 σ 인자가 필요한 유전자의 프로모터 인식에 사용된다. RNA 중합효소는 DNA에 결합하여 닫힌 복합체(Closed complex)상태에서 열린 복합체 (Open complex)상태로 전환되고, 이 때 DNA 가닥이 분리되면서 13bp 정도 크기의 전사풍선(transcription bubble)이 형성된다. 그 후 주형 가닥에 상보적인 리보뉴클레오티드가 생성되고, RNA 중합효소가 지나간 DNA는 다시 꼬여 이중가닥을 형성한다.

진핵생물의 경우 전사 개시에는 다양한 전사인자들이 관여하고, 특히 RNA 중합효소가 프로모터에 결합할 때 TATA 상자 결합 단백질(TBP)이 중요한 역할을 한다. 대표적인 RNA 중합효소인 RNA Pol II의 경우 TBP를 가지는 TFIID가 TATA 상자에 결합하면 TFIIA와 TFIIB가 결합하고, 그 후 RNA 중합효소 II와 TFIIF가 결합한다. TFIIE와 헬리카제 활성을 가지는 TFIIH가 결합하 복합체를 형성하면 전사가 시작된다 (그림 4).

그림 4. RNA 중합효소 II의 개시 전 복합체 (출처: 한국분자·세포생물학회)

RNA 중합효소는 프로모터에 강하게 달라붙기 때문에, 우선 9bp 정도의 짧은 RNA 조각을 형성하게 되면 시그마(σ)인자가 떨어지면서 -10에서 -35 부분에서 RNA 중합효소가 떨어지면서 신장단계로 넘어가게 된다. 이러한 과정을 프로모터 탈출(Promoter clearance)라고 한다.

원핵생물의 전사 종결은 rho-비 의존적인 과정과 rho-의존적인 과정에 의해 이루어진다. rho-비 의존적 전사 종결은 rho 단백질의 도움 없이 RNA가 헤어핀 구조를 형성하여 DNA-RNA 결합을 불안정하게 하여 전사를 종결시키고, rho-의존적인 종결은 rho 단백질이 RNA를 따라가 RNA 중합효소와 상호작용하여 전사를 종결시킨다.

DNA 중합효소(DNA polymerase), 전사(Transcription), 전사인자(Transcription factor), TATA 상자(TATA box), TATA-상자 결합단백질(TATA box binding protein)

Molecular Biology of the Gene (7판), Genes X