RNA 중합효소

전사(transcription) 과정에서 DNA를 주형(template)으로 하여, RNA 중합체를 만드는 효소. 세균에서는 한 종류의 RNA 중합효소가 모든 RNA를 전사하며, 이 RNA 중합효소는 2개의 알파(α), 베타(β), 베타 프라임(β'), 오메가(ω)의 5개 소단위체(subunit)로 이루어진 핵심효소(core enzyme)와, 전사의 개시를 위한 프로모터(promoter) DNA와의 결합을 매개하는 시그마(σ) 소단위체로 구성되어 있다. 반면, 진핵생물에는 RNA 중합효소 I, II, III, 세가지의 RNA 중합효소가 존재하며 이들은 각각 다른 종류의 RNA를 전사한다. 최근에 RNA 중합효소 IV와 V가 식물에서 발견되었다.

진핵생물의 RNA 중합효소는 8~14개의 소단위체로 구성되어 있으며, 이외에도 전사를 시작하기 위해서는 다양한 종류의 전사인자(transcription factor)들이 필요하다. 고균의 경우, 세균에서처럼 한 가지의 RNA 중합효소가 모든 RNA를 전사하지만 이 RNA 중합효소는 소단위체 구성, 촉매 도메인의 구조 등의 측면에서 진핵생물 RNA 중합효소 II와 가장 큰 유사성을 가진다. 염색체 DNA의 전사를 담당하는 이러한 RNA 중합효소는 그 서브유닛 구성과 상관없이 모두 집게발 모양(crab claw shape)의 전체적인 구조를 보이고 비슷한 촉매 활성부위를 가지고 있다 (그림 1).

위에 기술된 여러 개의 소단위체로 구성된 RNA 중합효소들 이외에 하나의 폴리펩타이드로 이루어져 있는 RNA 중합효소들이 존재하는데, T7, SP6 등 몇몇 박테리오파지에 의해 생산되는 RNA 중합효소들이 대표적이다. 이러한 단일 소단위체 RNA 중합효소들은 파지 프로모터 DNA와의 결합에 다른 전사인자들을 필요로 하지 않으며 전사 효율이 뛰어나, 생화학적 RNA 합성이나 단백질 정제를 위한 과발현 등에 유용하게 쓰인다.

그림 1. 세균과 효모의 RNA 중합효소 구조

Taq RNA polymerase (출처: )

Yeast RNA polymerase II (출처: )

목차

유전자 발현의 조절은 대부분 전사의 시작단계에서 이루어지며, 전사가 시작되는 지점과 전사 시작의 빈도는 RNA 중합효소와 프로모터 DNA의 상호작용에 의해 결정된다. 세균에서는 전사의 시작을 위해 시그마 인자가 RNA 중합효소의 핵심효소와 결합하여 전효소(holoenzyme)를 구성한다. 전효소에서 시그마 소단위체는 프로모터 DNA의 -35 요소(element)와 -10 요소와 상호작용하고, 알파 소단위체는 -35 요소의 상류(upstream) 염기서열인 UP 요소와 상호작용하여 RNA 중합효소의 DNA 결합위치가 결정된다.

결합 초기에는 전효소가 프로모터 DNA와 약하게 결합하는데, 이를 닫힌 복합체(closed complex, RPc) 단계라 한다. 이후, DNA 융해(melting)가 일어나 전사거품(transcription bubble)이 만들어지면, RNA 중합효소와 DNA의 결합이 강해지고, 이를 열린 복합체(open complex, RPo) 단계라 한다. 전사 활성화인자(transcription activator)는 프로모터 DNA의 상류에 존재하는 결합 서열에 붙어 RNA 중합효소와 프로모터 DNA 간 결합을 용이하게 하여 닫힌 복합체의 형성을 촉진하거나, 닫힌 복합체에서 열린 복합체로의 전환을 촉진하는 방식으로 전사의 시작 효율을 증진시킨다. 반면, 전사 억제인자(transcription repressor)는 프로모터 DNA와 결합 부위가 겹치거나 그 하류(downstream)에 존재하는 오퍼레이터(operator) DNA 서열에 결합해, RNA 중합효소와 프로모터 DNA의 결합을 방해하는 방식으로 전사의 시작을 억제한다.

이후 열린복합체의 NTP 채널을 통해 NTP가 유입되고 RNA의 중합이 시작되면 이를 시작 복합체(initially transcribing complex, RPi)라 하는데, 시작복합체 단계에서는 프로모터 DNA와 RNA 중합효소 간 결합이 유지되어 있으나 RNA의 중합에 따라 RNA 중합효소는 하류 DNA와 상호작용하며 하류 쪽으로 이동하기 시작한다. RNA 중합체의 길이가 8~15 뉴클레오타이드보다 길어지면, RNA 중합체가 RNA exit 채널을 통해 분출되면서, RNA exit 채널에 위치하고 있던 시그마 인자가 밀려나고, RNA 중합효소와 프로모터 DNA 사이의 접촉도 끊어지게 되는데, 이를 프로모터 탈출(promoter escape)이라 한다. 이를 기점으로 RNA 전사의 시작단계를 벗어나 연장단계가 시작되고 이렇게 형성된 DNA, RNA, RNA 중합효소 간의 콤플렉스를 삼중 연장 콤플렉스(ternary elongation complex, TEC)라 한다.

RNA 연장단계에 들어가면 시그마 인자는 바로 분리되는 것으로 생각되었으나, FRET 분석법을 이용한 시그마 인자와 RNA 중합효소 간 상호작용 분석에 기초해 상당수의 시그마 인자가 전사의 연장단계에서도 TEC에 느슨하게 결합되어 있는 것으로 보고된 바 있다.

진핵생물에는 RNA 중합효소 I, II, III, 세가지의 RNA 중합효소가 존재하며 이들은 각각 다른 종류의 RNA를 전사한다. 최근에는 예외적으로 식물에서 RNA 중합효소 IV와 V가 발견되었다.

45S의 라이보좀 RNA (rRNA) 전구체(효모에서는 35S)를 전사한다. 이 RNA 전구체는 이후 28S, 18S, 5.8S 세 가지의 rRNA로 분리된다.

메신저 RNA (mRNA), 대부분의 작은 핵 RNA (small nuclear RNA, snRNA), 그리고 마이크로 RNA (miRNA)를 전사한다. snRNA는 mRNA의 엑손(exon) 부분 이어맞추기(splicing)을 담당하는 이어맞추기소체(spliceosome)의 구성요소이다. miRNA는 비번역(noncoding) RNA의 일종으로 다양한 유전자의 mRNA에 결합해 안정성을 조절함으로써 유전자 발현 정도를 조절한다.

트랜스퍼 RNA (tRNA), 5S 라이보좀 RNA, 그리고 기타 작은 RNA를 전사한다.

이들은 식물세포에서만 발견되며, 전사 침묵(silencing)에 관여하는 작은 간섭 RNA (small interfering RNA, siRNA)를 전사한다.

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조홍백/성균관대학교

정우현/덕성여자대학교