[분자생물학] DNA의 Transcription (전사) - mRNA로 유전정보 전달, RNA polymerase (RNA 중합효소), 진핵생물과 원핵생물 전사 차이점

  DNA의 Transcription (전사)  

 

[1] Gene, DNA에서 단백질로!!    

[2] RNA polymerase (RNA 중합효소) 

[3] 원핵생물의 전사과정  

[4] 진핵생물의 전사과정     

 

[1] Gene, DNA에서 단백질로!!

Molecular Definition of a Gene: The entire nucleic acid sequence (usually DNA) that is necessary for the synthesis of a protein (and its variants) or RNA. In other words, genes are segments of DNA that are transcribed into RNA.   

즉, DNA는 단백질로 표현되기 때문에 그 의미가 있는데 단백질로 가는 과정은, DNA에서 RNA로 전사(Transcription)하고, 단백질로 번역(Trnaslation)된다. 이때 중요한 점은, DNA가 RNA로 전사될때 여러 종류 (mRAN, tRAN, rRNA - 이밖에도 miRNA, snRNA, siRNA 등등 여러종류가 있다)의 RNA로 만들어지는데, 이때 mRNA (messenger RNA)만 단백질로 번역되고 tRNA (Transfer RNA)와 rRNA (Ribosomal RNA) 는 단백질로 번역되지 않고 단백질이 만들어질 수 있도록 돕는 역할을 한다.      

 

 

 

 

 

 

 

[2] RNA polymerase (RNA 중합효소)    

RNA 전사는 RNA Polymerase (RNA 중합효소)에서 일어나는데, (아래 그림에서 노란색) DNA 이중나선을 RNA 중합효소 안에서 풀어 (아래 그림에서 파란색) RNA가 5' 에서 3' 방향으로 나온다.  

 

이때 RNA 중합효소는 DNA 중합효소 (DNA Polymerase)와 기능적으로 비슷한데, 하나의 Template(주형)을 바탕으로 (ribo)nucleoside를 연결해서 만들어진다. 만약 연결이 잘못되면 자체적으로 수선도 가능하다. 마치 타이핑할때 글자를 잘못쓰면 Backspace 버튼눌러 잘못된 글자를 지우는것처럼 Backspace button의 기능이 있다. 

 

가장 큰 차이점은, DNA 중합효소는 Primer(시발체)가 필요하지만 RNA 중합효소는 Primer가 필요하지 않다. 또한 RNA 중합효소는 Helicase (헬리카제)있어서 혼자서 DNA 이중나선을 풀 수 있다. 

 

 

 

다시 RNA 중합체 (RNA polyerase)를 자세히 들여다보면, 아래 그림에서 파란색은 DNA고, 빨간색은 만들어지고 있는(Trnascribed) RNA 모습이다. 이때 주형(Template)은 DNA 이중나선 중의 한개 선만 해당된다. 이때 만들어지고 있는 RNA를 보면, RNA는 phosphodiester bond(인산디에스테르결합) 로 연결되어 있다.  아래 오른쪽 그림을 보면, 뉴클레오타이드(nucleotide)는 5' 인산이 결합하고 있고, 3' 말단에 다른 뉴클레오타이드가 결합해서 3' 말단 방향으로 RNA가 만들어진다. 그리고 DNA 와 RNA는 base (base paring)끼리 연결되어있다.   

 

 

[3] 원핵생물의 전사과정  

원핵생물(원핵세포)의 전사과정, 즉 bacteria의 RNA 전사과정을 보면 아래 그림과 같다.  이때 필요한건 σ factor (sigma factor) 인데, 먼저 용어부터 설명하면 sigma factor가 RAN 중합체에 들어오기 전에 RNA 중합체만 말하는건 Core RNA Polymerase라 한다. 그리고 RNA 중합체에 DNA와 promoter가 같이 붙어있는 상태를 RNA Polymerase, 또는 Holoenzyme (Core enzyme + Sigma Factor) 이라 한다.  sigma factor는 DNA 아무곳이나 붙는게 아니고, DNA의 prometer라는 부분에 sigma factor가 붙는다. 이때 위치는 -35, -10이다. 이때 +1은 RNA 전사가 시작하는 부분을 말하고 -1 부터는 전사되지 않는 부분이다. 그러니까 promoter가 붙는 부분은 RNA로 전사되지 않는다.

 

 

그래서 Transcription cycle을 보면, 단계는 Initial RNA synthesis ▶ sigma factor release ▶ DNA Elongation ▶ Termination 단계로 이뤄지는데 RNA가 만들어지는건 RNA 중합체와 prometer에 의해 orientation이 결정된다. Sigma Factor 여러 종류가 있는데, 각각 다른 종류의 gene을 표현하기 위해 여러 종류가 있는 것이다. σ^70은 E. coli에 대표적인 sigma factor이다. 

 

 

 

 

 

 

[4] 진핵생물의 전사과정
진핵생물과 원핵생물의 전사과정이 차이가 나는데,

진핵생물(Eucaryotes)의 RNA 전사는 핵 안에서 DNA가 mRNA로 전사되고, mRNA가 세포질로 빠져나와 단백질로 번역된다. 이때 용어에 대해 조금 더 설명하자면, introns은 transcribed, not translated (즉 RNA로 전사가 되지만 그 다음엔 단백질로 번역되지 않는다, 아래 그림에서 노란색 부분은 번역되지 않음) exons은 transcribed, may or may not be translated (RNA에서 단백질로 번역 될 수도 있고 안될수도 있고...)를 뜻한다.  

 

 

 

 

▲ 원핵생물의 1개의 mRNA는(procaryotic mRAN)에는 여러개의 단백질이 만들어지는 반면, 진핵생물의 mRNA(eucartoci mRNA)에서는 하나의 단백질이 만들어진다.  

 

진핵생물은 원핵생물과 달리 3 종류의 RNA polymerase가 있고, 원핵생물은 하나의 시그마 factor가 있지만 진핵생물은 5개 이상의 transcription factor가 있다.  ㄷㄷㄷㄷㄷ 그리고 진핵생물의 mRNA는 5' cap, Poly A tail, 그리고 intron 부분에서 splicesome이라고 잘리는 과정이 있다.   

 

원핵생물 (E. coli)의 RNA 중합효소 (sigma factor 없는 core polymerase)는 5개의 subunits 로 모여있는데, 진핵생물의 경우, I, II, III의 RNA polymerases는 아래 그림처럼 여러개의 subunits들로 구성되어있다. 이때 II에는 CTD(carboxy terminal domain)라는 special C term이 붙어있다. 

 

 

 

 

진핵생물의 DNA는 RNA로 전사하기 위해 Promoter 부분이 있는데, INR 부분부터 전사가 시작되는데 이를 +1이라고 표시한다. TATA라는 염기서열이 붙어있는 부분은 -30 부분에 있는데 즉, upstream에 위치해있고 downstream은 전사되는 부분이라고 보면 된다. 그리고 TATA box는 35~36 bp (base pair) upstream (-부분)에 위치해있는데 바로 여기에 RNA Polymerase II가 붙어서 전사 시작한다.  

 

 

 

 

Transcription Factor (TF)는 DNA Promoter부분을 인식하는데 TF는 여러종류가 있다. TBP는 TFIID의 subunit으로 TATA 와 연결되는 단백질이고, TFIIE는 DNA 이중나선이 열리도록 돕고 (unzip) 여러 TF들이 모여 RNA polymerase II에 TF들이 붙어서 RAN 전사가 시작된다. 그리고 RNA Polymerase II에는 C-terminal tail (CTD)이 붙어있는데, 7개의 아미노산이 여러번 반복되있다. 이때 아미노산은 Try-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser이라는 7개의 아미노산이 Yeast enzyme에는 26번 반복을, 사람은 52번의 반복되어있다.

 

 

 

 

그리고 DNA에서 RNA로 전사되기 훨씬 이전에 enhancer site가 있는데, 여기에 있는 activator가 mediator (여러 enzymes들을 아우르는 커다란 단백질)를 마주치게 되면(kiss) 전사가 시작된다. RNA polymerase II는 phosphorylation (adding phosphate groups on S(Ser) located on the CTD) 으로 activate 되는데 이렇게 진핵생물의 RNA 전사가 되려면 100여개의 subunit의 단백질이 관여된다. 

 

 

 

 

 

그리고 DNA에서 RNA로 전사될때 exons과 intros(transcribed, not translated) 부분이 있는데 이 intron이 손질되는 것을 slicing이라 하고 이렇게 손질되느냐에 따라 같은 DNA에서 다른 종류의 mRAN들이 만들어지게 된다.  

 

 

아래 그림에서 노란색 부분이 잘려나가야하는 intron sequence인데, 과정을 살펴보면 Adenosine이 intron sequence의 5'에 들어온다.  이때 A가 2'위치한 O(oxygen)이 exon의 3'과 연결되어 intron이 로프처럼 만들어져서 잘려나가게 된다.

 

 

 

 

포스팅이 조금 길었죠~ 그래도 도움 되셨나요? >_<

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