폴리아데닐화

[ Polyadenylation ]

mRNA의 3’ 말단에 아데닌 (adenine) 뉴클레오티드가 길게 연결되어 꼬리 (tail)와 같은 모습으로 변형되는 RNA 전사 후 변형 (post-transcriptional modification)의 한 형태이다. 보통 80~250개 정도의 A(adenine)가 붙어 있지만, 짧게는 20여 개에서 길게는 수 백개의 A 뉴클레오티드가 더해져 있는 경우도 있다. 초기에는 진핵 세포에서만 일어난다고 생각 되어져 왔지만, 세균을 비롯한 원핵 세포의 RNA들 중에서도 가끔 발견된다 (그림 1). 폴리아데닐화는 mRNA의 스플라이싱 (splicing), 핵수출 (nuclear export), 번역 (translation), 안정성 (stability) 등에 큰 영향을 끼친다. 폴리 A꼬리 (poly(A) tail)의 길이는 시간이 지날수록 짧아지는 경향이 있고, 길이가 어느 정도 짧아지게 되면 해당 mRNA는 분해 된다. 폴리아데닐꼬리는 mRNA 번역에 자체에 필요한 것은 아니지만 mRNA의 안정성에 필수적이기 때문에 폴리아데닐꼬리 형성에 문제가 있는 경우 해당 단백질 결과물 생성이 저하 된다. 대체로 긴 폴리 A꼬리 (poly(A) tail)를 갖고 있는 mRNA가 그렇지 않은 것 보다 오래 세포질에 존재하는 경향이 있지만, 절대적인 경향성이 존재한다고 볼 수는 없다. 폴리아데닐화는 기본적으로 막 전사를 마친 후 핵 내에서 일어나는데 특별한 경우에는 세포질에서 일어나는 경우도 있다.

그림 1. 폴리아데닐화. mRNA의 성숙 과정에서 3' 말단에 다수의 아데닌이 연결되어 poly(A) 꼬리를 형성, mRNA의 핵수출, 번역, 안정성 등에 영향을 끼친다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

전사를 막 마친 RNA의 3’ 말단 쪽에는 코딩 지역 바깥쪽으로 AAUAAA라고 하는 폴리아데닐화 신호 서열이 존재한다. 이 근처에는 AAUAAA외에도 중요한 역할을 하는 특이적 서열이 존재하기도 하고 여러 가지 단백질 집합체가 조립된다. 그 중 CPSF (Cleavage and polyadenylation specificity factor) 라고 하는 효소가 AAUAAA 서열의 3 ‘ 근처를 잘라내면 자유롭게 열린 3’-OH 수산기가 생성되고, CPSF와 결합하는 폴리아데닐레이트 중합 효소 (polyadenylate polymerase)가 여러 개의 ATP의 아데노신 일인산 (adenosine monophosphate)를 더하고 피로인산 (pyrophosphate)을 떼어내며, 폴리아데닐화가 시작된다. CPSF가 자르는 자리는 한 곳 이상일 수도 있어서 한 종류의 mRNA에 여러가지 형태의 폴리아데닐 꼬리가 생겨날 수 있다. 폴리 A꼬리 (poly(A) tail)가 적정한 길이가 되면 폴리아데닐레이트 중합 효소가 떨어져 나오게 된다. 이러한 보편적인 폴리아데닐화 과정은 거의 모든 진핵세포의 mRNA에서 일어나지만, 예외적으로 동물의 복제 의존 히스톤의 mRNA는 폴리아데닐화 대신 스템-루프 (stem-loop)모양의 2차 구조와 퓨린이 풍부하게 포진된 염기 서열을 갖는 구조가 형성되면서 절단이 되고, 3’말단의 형성이 마무리 된다. 대부분의 긴 비번역 RNA (long non-coding RNA)도 폴리아데닐화 되고, miRNA (micro RNA)의 전구체는 폴리아데닐화가 되지만 후에 숙성 과정을 거치면서 떨어져 나가게 된다.

폴리(A) 결합 단백질 (poly(A)-binding protein)

폴리(A) 결합 단백질 (poly(A)-binding protein)이 폴리(A) 꼬리 (poly(A) tail)에 결합하게 되고, 이 상태에서 핵에서부터 빠져 나온 후, 번역에 들어가게 되며 이 과정에서 mRNA가 분해 되지 않도록 보호하는 기능을 하게 된다. 또한, 폴리(A) 결합 단백질은 번역 개시 단백질 (translation initiation factor)나 40S 리보솜 (ribosome) 서브유닛 등, 번역에 필요한 다른 단백질들이 mRNA에 결합할 수 있도록 돕는 역할도 하게 된다.

세포질 폴리아데닐화 (Cytoplasmic polyadenylation)

동물의 배아 발생 과정의 생식 계열 (germ line) 세포들이나, 신경 세포의 수상 돌기에서 20 bp 정도로 짧아진 폴리(A) 꼬리를 80 에서 150 bp 정도로 늘려주어 분해되지 않고 번역이 될 수 있도록 한다. 동물의 초기 발생에서 모계 mRNA (maternal mRNA)의 세포질 폴리아데닐화는 전사가 아직 시작하기 전인 1~2 번째 세포 분열이 일어날 때까지 세포 성장에 필요한 단백질을 생성할 수 있도록 해준다. 신경 세포의 수상 돌기에서는 장기강화작용 (long-term potentiation) 과정에서 필요한 단백질 생성에 필요한다. 세포질 폴리아데닐화를 일으키는 효소는 핵에서 기능하는 폴리아데닐레이트 중합효소와 비슷한 것들도 있지만, 종류가 다른 것도 있다.

원핵 생물에서의 폴리아데닐화

여러세균에서는 mRNA와 비번역 RNA (non-coding RNA) 모두 폴리아데닐화가 일어날 수 있다. 그러나, 진핵 세포에서와는 달리 해당 RNA의 분해를 촉진시킨다. 즉, 폴리 A 꼬리는 가인산효소 (polynucleotide phosphorylase)와 RNA 분해효소 E (RNaseE) 가 포함된 분해체 (degradosome)가 붙어서 해당 RNA가 잘려 나가도록 한다. 트리파노솜 (Trypanosome)과 같은 원생동물과 미토콘드리아에서도 폴리 A 꼬리는 mRNA와 비번역 RNA를 분해하지만, 안정화 시키는 경우도 있다. 예를 들어 U나 UA로 끝나는 번역지역 (coding region)을 갖는 경우, 바로 뒤에 붙은 폴리 A 꼬리는 완전한 정지 코돈 (stop codon)인 UAA를 형성하면서 mRNA가 번역이 될 수 있도록 돕는다. 효모의 미토콘드리아에서는 폴리아데닐화가 일어나지 않는다.

참고문헌

생명과학 (Brooker 저, 3판, 홍릉과학출판사)

분자생물학 (Weaver 저, 5판, 라이프사이언스)

Kimball’s Biology Pages.

Voet D and Voet JG. (2010). Biochemistry, 4th Edition. Wiley

Slomovic, Shimyn; Portnoy, Victoria; Liveanu, Varda; Schuster, Gadi (2006). 'RNA Polyadenylation in Prokaryotes and Organelles; Different Tails Tell Different Tales'. Critical Reviews in Plant Sciences. 25: 65–77.

Tian B, Manley JL. Alternative polyadenylation of mRNA precursors. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017 Jan;18(1):18-30.

폴리아데닐화