리보자임

리보자임(Ribozyme)은 단백질 효소처럼 생화학적인 반응을 촉매 할 수 있는 RNA 분자를 의미하며, RNA(Ribonucleic Acid)의 'Ribo'와 효소(Enzyme)의 'zyme'의 합성어이다. 리보자임은 주로 RNA나 DNA의 절단이나 연결(ligation), 단백질 합성, RNA 가공(RNA processing)에 관여하는 것으로 알려져 있다. 대표적인 리보자임으로 RNA 분해효소 P(RNase P), I군 인트론(group I intron), 망치머리(hammerhead) 리보자임 등이 존재하며, 에스터 교환반응(transesterification)과 인산다이에스터(phosphodiester) 결합의 가수분해 반응 등을 담당하는 것으로 알려져 있다. 리보자임은 1981년에 처음으로 발견되었으며, 이로 인해 그동안 생체 내 촉매 역할을 하는 효소는 모두 단백질이라는 정설이 깨지고 RNA도 생물학적인 촉매로 사용될 수 있다는 것이 밝혀지게 되었다.    

목차

리보자임 발견 이전에는 모든 효소는 단백질이라는 것이 정설로 받아들여졌다. 그러나, 1981년 토머스 체크 (Thomas Cech)는 테트라하이메나(Tetrahymena)의 RNA를 연구하던 중에 자기 자신에게 작용하는 RNA 촉매를 발견하고 이를 리보자임이라고 명명하였다. 토머스 체크가 발견한 리보자임은 Ⅰ군 인트론과 Ⅱ군 인트론으로, RNA 분자이지만 자기 자신에게 촉매로 작용한다. 비슷한 시기에 시드니 올트먼(Sidney Altman)은 tRNA에 대한 연구를 하다가 리보핵산가수분해효소 P(RNase-P)를 분리하였고, 이 효소의 생체 내 화학반응을 촉매하는 활성화부위가 RNA에 존재함을 밝혔다. 토마스 체크와 시드니 올트먼의 독립적인 발견으로 노벨 화학상을 수상하였고 이후 RNA도 생물학적인 촉매로 이용될 수 있다는 것이 인정되었다. 현재는 리보자임이란 포괄적인 개념으로 RNase P처럼 촉매적 RNA 부위를 포함하는 물질에 사용된다. 

리보자임은 종류에 따라 40-400개의 뉴클레오타이드에 이르기까지 매우 다양한 크기를 가지며, 다양한 구조형성을 통해 작용한다. 리보자임은 DNA나 RNA의 절단이나 연결과정, 단백질이나 RNA의 처리과정(processing)에 주로 작용하는 것으로 알려져 있는데, 대표적으로 알려져 있는 리보자임은 자체 스플라이싱(self-splicing)을 하는 Ⅰ, Ⅱ군 인트론, 절단(cleavage)과 연결(ligation)을 하는 망치머리(hammerhead) 리보자임, RNase로 작용하는 RNase P 등이 있다. 

인트론(Intron)은 전구체 전령RNA(Precursor mRNA)에서 단백질을 암호화하지 않는 염기서열로 RNA 스플라이싱에 의해 제거되어야 하는 비암호(Noncoding) 염기서열을 말한다. 인트론을 제거하는 과정인 RNA 스플라이싱에는 많은 단백질과 RNA로 구성된 스플라이세오좀(Spliceosome)이 관여하는데 일부 전구체 RNA에 포함된 인트론은 이러한 스플라이세오좀의 도움없이 자체적으로 자기 자신을 제거할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 인트론을 자가스플라이싱 인트론(Self-splicing intron)이라하며 작용기작 및 그 구조에 따라 I군 인트론(Group I intron)과 II군 인트론(Group II intron)으로 나눌 수 있다.

일반적으로 인트론 내에는 스플라이싱에 중요한 세 가지의 중요한 염기서열이 존재한다. 첫 번째로 엑손(Exon)의 3‘ 말단과 인트론의 5’ 말단이 인접해 있는 부위에 존재하는 5‘ 스플라이스 사이트(5’ splice site), 두 번째로 인트론의 3‘ 말단에 가깝게 위치하는 가지분기점(Branch point), 그리고 인트론의 3’ 말단과 그 다음 엑손의 5‘ 말단이 연결된 부위에 존재하는 3’ 스플라이스 사이트(3’ splice site)이다 (그림 1). I군 인트론과 일반적인 인트론의 가장 큰 차이점은 가지분기점에 잘 보존된 "A" 서열이 존재하지 않는다는 것이다. 이로 인해 I군 인트론은 일반적인 인트론과는 다른 스플라이싱 과정을 거치게 된다. I군 인트론에는 "A" 서열을 포함하는 가지분기점이 없는 대신에 전구체 RNA에 포함되지 않은 자유 G 뉴클레오티드(free G nucleotide) 혹은 뉴클레오시드(nucleoside)를 이용하여 스플라이싱 과정을 개시하게 된다 (그림 1). 

그림 1. 인트론의 일반적인 구조 (출처: 한국분자·세포생물학회)

➀ 먼저 I군 인트론은 전사 후 자유 G 뉴클레오티드가 결합할 수 있도록 특정 구조(G-결합부위, G-binding pocket)를 형성하고 이 부위에 G가 결합하게 된다.

➁ 다음으로 "G"의 3‘-하이드록실기(3’-OH)가 5‘ 스플라이스 사이트를 공격하여 엑손과 인트론 인접 부위를 잘라내고 이 과정에서 "G"는 인트론의 5’ 말단에 직접 결합하게 된다. 이 과정을 첫 번째 에스테르교환반응(transesterification I)이라 한다.

➂ 잘려진 엑손의 3‘ 말단에 있는 3’-하이드록실기(3’-OH)가 인트론과 다음 엑손이 만나는 지점을 공격하여 자르게 되고, 이 과정을 두 번째 에스테르교환반응(transesterification II)이다.

그림 2. I군 인트론의 스플라이싱 과정 (출처: 한국분자·세포생물학회)

➃ 두 번째 에스테르교환반응에 의해 두 개의 엑손은 서로 연결되고 인트론이 RNA로부터 분리되면 스플라이싱 과정이 마무리 된다 (그림 2).

망치머리 리보자임은 식물에 감염하는 RNA로 알려진 비로이드(viroid)와 담배둥근무늬바이러스(tobacco ringspot virus)의 위성 RNA(satellite RNA)에서 처음 발견되었다. 2차 구조의 모양이 망치머리 상어를 닮아 망치머리 리보자임(hammerhead ribozyme, HHR)으로 명명되었으며, 가운데 부분에 15개의 잘 보존된 뉴클레오타이드로 구성된 핵심(core) 부분과, 이를 둘러싼 3개의 이중나선으로 구성된 나선(helix) 또는 줄기(stem) 구조로 되어 있다(그림 3). 망치머리 리보자임은 서열 특이적 리보핵산분해효소로서 자기절단(self cleavage)에 사용된다. 이 효소는 RNA 골격의 리보오스의 2‘-히드록시기의 양성자가 떨어지면서 생겨난 음전하의 산소가 3’ 위치의 인산기를 공격하면서 생성되는 2‘, 3’ 고리형 인산기의 형성을 통해 RNA를 절단하는 기능을 한다.   

그림 3. 망치머리 리보자임의 3차 구조 ()

RNA분해효소 P(RNase P)는 하나의 RNA와 하나의 단백질 부분으로 구성되어 있으며 RNA 부분만이 촉매역할을 한다. 단백질 부분은 RNA의 음전하를 감싸 효소가 음전하를 띄는 기질에 효과적으로 결합할 수 있도록 하여 반응을 촉진시킨다. RNase P는 리보핵산분해효소로서 긴 RNA 전구체로부터 5‘ 말단의 선도부위를 절단하여 성숙한 tRNA를 만드는 역할을 한다. tRNA(노란색)는 L자형으로 접혀 촉매 중심인 RNA(보라색)와 접하고, 선도가닥은 단백질(파란색)과 결합하고, RNase P는 CCA 서열과 함께 전구 tRNA의 3차원 모양을 인지하여 tRNA의 5’ 선도부위를 절단한다(그림 4).

그림 4. RNase P의 3차 구조 ()

효소(Enzyme), I군 인트론(Gourp I intron), RNA 스플라이싱(RNA splicing), 리보핵산가수분해효소(RNase)

Molecular Biology of the Gene (7판)