전사풍선

세포가 필요한 단백질을 만들기 위해서는 DNA에 암호화되어 있는 유전정보를 RNA 중합효소가 가장 먼저 RNA로 전사(transcription)하고, 이후에 RNA에 전달된 유전정보를 리보솜(Ribosome)이 단백질로 번역(translation)하게 된다. 유전자 발현의 가장 첫 단계인 전사과정에서 이중가닥 DNA가 단일가닥으로 분리되고, 분리된 두 가닥 중 주형가닥(template strand)을 따라 RNA 중합효소(RNA polymerase)가 이동하면서 필요한 전령 RNA(messenger RNA)를 만들게 된다.

전사풍선(transcription bubble)은 전사 과정에서 RNA 중합효소가 이동하면서 나타나는 DNA의 12-14bp 정도에 해당하는 구조를 일컽는다. 이 부분에서 이중가닥 DNA는 풀린 상태로, RNA 중합효소는 주형가닥(template strand)에 상보적인 mRNA를 합성한다. 전사풍선은 일정한 크기를 유지하며 RNA 중합효소를 따라 움직이며, RNA 중합효소가 지나간 뒤에는 DNA가 다시 이중가닥 형태로 돌아오게 된다.

목차

전사단계는 개시(initiation), 신장(elongation), 종결(termination) 3가지 과정으로 이루어지며, 전사풍선은 RNA 중합효소가 DNA의 프로모터에 결합하여 합성을 준비하는 개시과정에서 가장 먼저 생성된다.

먼저 전사인자들과 RNA 중합효소가 특정한 DNA 서열인 프로모터에 결합하면 DNA는 여전히 이중가닥 형태를 이루는 RNA 중합효소-프로모터 ‘닫힌 복합체(closed complex)’의 형태를 이루게 된다. 이때, 전사인자들의 영향으로 14bp 정도의 DNA가 풀려 RNA 중합효소-프로모터 ‘열린 복합체(open complex)’ 형태를 가지게 되고, 이중가닥 DNA사이의 수소결합이 깨지면서 이중가닥 DNA가 단일가닥 DNA로 되면서 전사풍선을 생성하게 된다. RNA 중합효소는 전사풍선 내의 전사 시작 부분에 상보적인 RNA를 합성하면서 전사를 시작한다.

원핵세포에서 이중가닥 DNA를 단일가닥으로 분리시키는데 중요한 역할을 하는 단백질은 전사인자 중 하나인 시그마(σ)인자이다. 이 단백질은 원핵세포의 프로모터(-10영역과 –35영역)에 강하게 결합하여 RNA 중합효소를 불러들이는 역할을 한다. 뿐만 아니라 이 단백질에는 –10 영역에 있는 2개의 염기가 수소결합이 깨어지면서 밖으로 돌출될 때 이를 수용할 수 있는 2개의 주머니(pocket)가 있다. 시그마 인자에 의해 –10 영역에서 이중가닥 DNA가 단일가닥으로 분리되고 RNA 중합효소가 전사를 시작하면 전사풍선이 생성된다.

진핵세포에서는 보편전사인자(General transcription factor) 중 하나인 TFIIH에 의해 처음으로 이중가닥 DNA가 단일가닥으로 분리된다. 진핵세포의 프로모터에 가장 늦게 결합하는 TFIIH는 ATP 분해효소(ATPase)와 인산화효소(Kinase) 활성을 모두 가지고 있으며, 특히 ATPase 활성을 이용하여 프로모터 앞쪽의 DNA 염기서열을 RNA 중합효소의 활성부위로 당기게 되는데 이 과정에서 프로모터 부위의 DNA가 단일가닥으로 분리된다. 원핵세포에서와 마찬가지로 이후에 RNA 중합효소가 전사를 시작하면 일정한 크기의 전사풍선이 생성되게 된다.

RNA 중합효소에 의해 전사가 개시되면 약 12 bp ~ 14bp 정도의 전사풍선이 형성이 된다. 이 전사풍선은 RNA 중합효소가 신장(elongation)단계로 넘어가면 RNA 중합효소와 함께 유전자내의 염기서열을 따라 이동하게 된다. 또한 RNA 중합효소가 지나간 후에는 단일가닥으로 분리되었던 DNA는 다시 빠르게 이중가닥을 형성하면서 전사풍선이 제거된다. RNA 중합효소가 유전자의 3‘ 말단에 도달하여 전사를 종결하게 되면 전사풍선도 완전히 사라지고 DNA는 이중가닥 형태를 유지하게 된다 (그림 1).

그림 1. 전사풍선(Transcription bubble)의 이동 (출처: 한국분자·세포생물학회)

전사풍선은 RNA 중합효소에 의한 전사과정에서 이중가닥 DNA가 일시적으로 단일가닥으로 분리되어 생성된다. 따라서 단일가닥으로 분리된 DNA는 상대적으로 불안정하게 된다. 이러한 현상은 DNA 복제과정에서도 나타나게 되는데 DNA 헬리카제(DNA helicase)에 의해 이중가닥 DNA가 단일가닥으로 분리되면 상대적으로 불안정하여 이를 안정화시킬 수 있는 단백질이 반드시 필요하다. DNA 복제과정에서 단일가닥이 형성되었을 때 단일가닥 DNA 결합단백질(Single-stand DNA binding protein, SSB)이 빠르게 결합하여 이를 안정화시키는 것으로 알려져 있다 (그림 2).

그림 2. 단일가닥 DNA 결합단백질에 의한 전사풍선의 안정화 (출처: 한국분자·세포생물학회)

전사과정에서 일시적으로 생성되는 DNA 단일가닥도 반드시 안정화되어야 한다. 실제로 전사가 매우 활발하게 일어나는 DNA 염기서열 혹은 유전자 부분에서 DNA 손상(damage) 혹은 돌연변이(mutation)이 많이 일어난다는 보고가 있다. 따라서 이 전사풍선이 안정화되지 않는 경우에는 더욱 더 많은 DNA 손상이 유발될 수 있다. 최근에 전사과정에서 일시적으로 생성되는 전사풍선 부분의 단일가닥에 DNA 복제 시에 관여하는 단일가닥 DNA 결합단백질(Single-stand DNA binding protein)이 결합하여 이 부위를 안정화시킨다는 연구결과가 보고되었다.

전사(transcription), RNA 중합효소(RNA polymerase), 주형가닥(Template strand), 단일가닥 DNA 결합단백질(Single-stand DNA binding protein)

Molecular Biology of the Gene (7판)

Sikorski TW, Ficarro SB, Holik J, Kim T, Rando OJ, Marto JA, Buratowski S. Sub1 and RPA associate with RNA polymerase II at different stages of transcription. Mol Cell. 2011 Nov 4;44(3):397-409