전사

생명체의 유전정보가 저장된 DNA는 생명체의 존속을 위한 자기 복제와 단백질 합성 목적에 사용된다. 전사(transcription)는 단일 가닥 DNA를 주형으로 삼아 특정 부분을 RNA로 합성하는 과정이다. DNA로부터 전사되어 합성되는 RNA로는 단백질 생산에 필요한 암호화된 정보를 갖는 mRNA(messenger RNA)와 이외 다양한 비암호화 RNA(ncRNA)들이 있다. 기능적으로 중요한 비암호화 RNA(ncRNA)에는 오래전부터 알려진 tRNA(transfer RNA)와 rRNA(ribosomal RNA)가 있으며 비교적 최근에 발견된 microRNA, siRNA, piRNA, snoRNA, snRNA, exRNA, scaRNA, 효소 RNA 분자인 리보자임(ribozyme) 등의 작은 크기의 RNA(small RNA)들과 Xist와 같은 긴 ncRNA(linc RNA) 등이 있다.

전사 과정 ()

목차

복제(replication)는 DNA 두 가닥을 끝까지 복제하지만 전사(transcription)는 DNA 한 가닥의 일부분만 전사하게 된다. 전사되는 가닥을 주형 가닥(template strand) DNA라고 하며 반대편 DNA 가닥을 비주형가닥(non-template strand)이라고 말한다.

구성하는 염기에서도 RNA에는 DNA에 존재하는 타이민(thymine) 잔기 대신에 유라실(uracil)이 아데닌과 상보 결합을 이룬다. DNA로부터 DNA를 만드는 복제는 프라이머(primer)가 필요하지만 전사(transcription)는 프로모터(promoter)가 필요하다. 전사의 과정에도 교정(proof reading) 기작이 있지만 DNA 복제와 비교하여 부족하고 효율성이 떨어져 전사는 복제보다 덜 정확하다.¹⁾

RNA 합성은 RNA 중합효소(polymerase)가 DNA 프로모터에 결합하여 DNA 염기 사이의 수소 결합을 끊어 두 가닥을 분리함으로 시작된다. RNA 중합효소는 주형 DNA 가닥에 상보적인 RNA 뉴클레오타이드들을 첨가하여 당-포스페이트(sugar-phosphate) 결합 반응으로 RNA 가닥을 형성하게 한다. 연장(elongation) 과정을 거쳐 RNA를 합성하다가 종결자(terminator)를 만나면 합성한 RNA 전사체를 DNA로부터 떨어뜨리면서 전사를 종결한다.

전사(transcription)에 의하여 새롭게 합성되어 형성된 RNA-DNA 나선에서 수소 결합이 끊어지면서 RNA가 떨어져 나오게 된다. 진핵세포에서는 RNA 중합효소에 의해 mRNA 전사가 일어나는 동안이나 전사가 완료된 이후에 다양한 RNA 처리과정을 통해 리보솜에 의해 번역이 가능한 성숙한 mRNA(mature mRNA)가 만들어진다.

대표적인 RNA 처리과정으로는 전사 초기에 일어나는 mRNA의 캡화(RNA capping), 전사 연장 단계에서 일어나는 RNA 이어맞추기(RNA splicing), 그리고 전사가 완료된 후 일어나는 아데닐산중합반응(polyadenylation)이 있다. 이러한 RNA 처리 과정은 정상적인 mRNA 합성 및 안정화, 그리고 리보솜에 의한 번역을 촉진시키는 역할을 하게 된다. 합성된 RNA는 핵에 머물러 있거나 세포질로 나오게 된다.

RNA 중합효소는 DNA 중합효소와 마찬가지로 3’-OH에만 뉴클레오타이드의 인산을 결합시키기 때문에 RNA 합성 방향은 DNA 합성 방향과 동일하게 5’에서 3’ 방향으로 일어난다.

진핵생물에서 일어나는 전사 과정은 원핵생물의 전사 과정과 비교하여 보다 훨씬 더 복잡하다. 원핵생물은 한 종류의 RNA 중합효소만 사용하고 스스로 개시를 할 수 있다. 또한 짧은 길이의 비암호화 DNA에 의해 조절된다. 반면 진핵생물은 RNA 중합효소가 세 종류나 되고, RNA 중합효소와 전사인자의 복합체가 DNA와의 결합되어 전사가 조절된다. 이러한 전사인자들은 전사의 정도, 즉 전사의 양과 속도, 전사되는 단백질의 종류 등을 미묘하게 조절한다. 또한 진핵생물에서는 전사가 일어나기 위해 염색질(chromatin)의 구조 변화가 동반된다.

전사는 RNA 중합효소가 한 개 또는 그 이상의 전사인자와 함께 프로모터(promoter)에 결합하여 닫힌 복합체(closed complex)를 형성함으로 시작한다. 닫힌 복합체에서 DNA는 아직 풀리지 않고 이중 가닥 상태를 유지하고 있다. 다음 단계로 DNA의 염기쌍(12 – 15개 정도)이 서서히 풀리면서 열린 복합체(open complex)가 형성된다. 이때 분리된 가닥이 자발적으로 원래의 쌍으로 되는 과정을 억제하기 위하여 DNA 한 가닥에 특정 단백질 SSB(single-strand binding protein)이 붙어서 계속 한 가닥을 유지하도록 한다. RNA 중합효소는 전사인자의 도움을 받아 풀린 가닥에서 전사 출발 부분을 선택하여 RNA 초기 생성물을 합성을 촉매하게 된다. RNA 전사를 지속하여 연장(elongation)하기 위해서는 RNA 중합효소가 프로모터에서 떨어져 이동하여야 한다. RNA 중합효소는 프로모터에서 떨어질 때까지 프로모터에서 염기 10개 미만 길이의 서열을 RNA를 합성했다가, 버렸다가를 반복한다.

중합효소가 프로모터를 떠나면서 RNA 합성 연장(elongation) 단계가 시작된다. RNA 중합효소가 DNA사슬 중 주형 한 가닥을 따라 이동하면서 DNA 주형에 상보적인 염기를 가진 RNA 뉴클레오타이드를 차례로 하나씩 결합시킨다. RNA 합성은 DNA 복제와 같은 원리이며 차이는 RNA 합성에서는 염기 U(유라실)이 T(타이민) 대신 A(아데닌)과 결합한다는 점이다. 이 연장 과정에서 교정(proof reading) 작업도 일어난다.

전사가 완성되면 RNA는 분리되고 RNA 중합효소는 DNA에서 분리된다. 이후에 또 다른 시그마 인자가 결합하여 새로운 합성 과정을 시작한다. RNA 합성의 종료는 과정은 원핵생물과 진핵생물 사이에 차이가 있다. 원핵생물에서는 DNA 분자의 주형가닥에 있는 서열에 의해 신호가 주어지는데, 그 신호는 종결단백질인 rho인자(ρ factor)에 의해 인식된다. Rho는 신생 RNA-DNA 복합체를 풀어주는 ATP-의존 RNA-촉진 헬리케이스(ATP-dependent RNA-stimulated helicase)이다. 일부 세균의 RNA 중합효소는 rho인자의 도움 없이 DNA-부호화 종결 신호(DNA-encoded termination signal)를 직접 인식한다.

반면 원핵생물에서의 종결 과정은 원핵생물에 비하여 정확하게 알려지지는 않았으나, 3’ 말단에 폴리아데닐화반응(polyadenylation)이 이루어진 후 DNA 주형에서 합성된 RNA가 떨어져 나가면 전사가 종결된다.

1. Berg J, Tymoczko JL, Stryer L (2006). Biochemistry (6th ed.). San Francisco: W. H. Freeman.
2. Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann AA, Levine M, Losick RM (2013). Molecular Biology of the Gene (7th ed.). Pearson.