유전자 발현 과정

 

 

생물의 유전 정보는 DNA에 저장되지만 DNA만으로는 아무런 작업도 할 수 없습니다. 진핵 생물의 세포에서는 핵 안에 DNA가 있습니다.

 

이 DNA에서 필요한 정보를 RNA에 복사하고 그것을 핵 밖으로 옮겨 다양한 분자 장치를 사용하여 단백질이 만들어집니다. "유전정보가 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐른다"라는 개념을 분자생물학에서는 센트럴드곰이라고 합니다.

DNA에서 RNA로 "전사"

세포가 DNA를 RNA에 찍는 구조를 "전사"라고합니다. RNA는 DNA와 동일한 핵산이지만 DNA와 구조적으로 두 가지 차이가 ​​있습니다. 첫 번째는 RNA의 당(리보스)은 산소 분자가 DNA의 당(데옥시리보스)보다 하나 많다는 것입니다. 그 때문에, RNA는 DNA에 비해 입체 구조를 취하기 쉬워지고 있어, 세포내에서는 단일 가닥 그대로 존재하고 있습니다. 두 번째는 염기에 티민(T)이 없고 우라실(U)이 있다는 것입니다. 우라실은 DNA의 아데닌과 수소 결합으로 결합합니다.

전사에서는 RNA 중합 효소라는 효소에 의해 DNA에서 RNA가 만들어집니다. 우선, DNA의 유전 정보를 보존하고 있는 영역의 5'측(상류)에 존재하는 전사를 조절하는 영역(프로모터 영역)에, RNA 폴리머라제가 결합합니다. 다음으로 RNA 폴리머라아제는 프로모터 영역의 3'측(하류)으로 연속적으로 이동하면서 10 염기쌍 정도의 길이의 DNA를 이중 나선이 열린 상태로 하고, 쌍이 없는 DNA(sense쇄) 에 해당하는 RNA 염기 (A, U, G, C 중 하나)를 운반하여 염기쌍을 형성하고 DNA의 염기 서열을 상보적으로 복사한 RNA를 합성합니다.
이때 합성된 RNA는 단백질을 합성하는 “지령”을 찍은 RNA이며, 메신저 RNA(mRNA)라고 불립니다. 진핵생물에는 3종류의 RNA 폴리머라제가 존재하며, 각각 역할이 다른 RNA를 합성하고 있습니다. mRNA는 RNA 중합효소 II에 의해 합성됩니다.

 

 DNA로부터 전사된 mRNA는 단백질 설계에 관한 부분(엑손)과 단백질 설계에 불필요한 부분(인트론)을 가지고 있습니다. mRNA에서 인트론을 제거하고 엑손을 연결하는 과정을 "스플라이싱"이라고 합니다. 또한 mRNA의 5' 말단에 5'-Cap라고 불리는 메틸화된 GTP가 부가됨으로써 리보솜에 결합하기 쉬워지고 리보뉴클레아제에 의한 분해를 방지할 수 있습니다. 3' 말단에는 100~300개의 아데닌 염기가 추가되어(폴리A테일) mRNA가 핵 밖으로 나가는 것을 돕습니다. 게다가, mRNA의 일부 염기는 핵 내에서 수식을 받고(참조: RNA 수식이란? ), RNA 결합 단백질로 인도되어 핵막 기공에서 핵 밖으로 나갑니다.

 

RNA에서 단백질로 "번역"

 

mRNA가 가지고 있는 것은 AUGC라는 4종류의 염기의 서열 정보입니다. 한편, 단백질을 구성하고 있는 아미노산은 20종류가 있습니다. 그 때문에, 3개 1조의 염기(코돈)로 아미노산 1개를 지정합니다. 염기는 4종류가 있으므로, 3개의 염기를 조합하면 4x4x4=64가지의 조합이 있어, 20종류의 아미노산 모두에 대응할 수 있습니다. 1종류의 아미노산에 1종류의 코돈이 대응하고 있는 것은 아니고, 1개의 아미노산을 지정하는 코돈은 1~6종류입니다. 또한 코돈에는 시작 코돈과 종료 코돈이 존재합니다. 개시 코돈(AUG)은 메티오닌이라는 아미노산을 DNA의 어디에서 번역하는지를 결정합니다. 종결 코돈(UAA, UAG, UGG)까지 오면 그 전에 아미노산의 합성이 종료됩니다. 종결 코돈에는 지정된 아미노산이 없습니다. 번역에서는, 개시 코돈을 기점으로, 그 후, 3조 염기씩 1개의 코돈으로서 유전 정보는 읽혀집니다. 코돈과 아미노산의 대응(그림. 유전 암호표)은 모든 생물에서 보편적이지 않고, 예를 들면, 인간의 미토콘드리아 내에서는 대응하는 아미노산의 일부가 다릅니다.

핵에서 세포질로 수송된 mRNA에 크고 작은 2개의 서브유닛으로 구성된 리보솜이 결합하여 단백질이 합성되는 과정을 '번역'이라고 합니다. 리보솜은 거대한 단백질-RNA 복합체입니다. 리보솜을 구성하는 RNA를 리보솜 RNA(rRNA)라고 합니다. 리보솜의 크고 작은 서브유닛은 단백질을 합성하지 않을 때 분리됩니다. 소 서브유닛에 mRNA가 결합한 후, 대 서브유닛이 결합하고, 대소 서브유닛은 아미노산을 결합하면서 mRNA상을 3' 말단 방향으로 이동해 갑니다. 아미노산은 펩티드 결합으로 연결됩니다. 순차적으로 연결된 아미노산을 폴리펩티드라고 합니다. 신장된 폴리펩티드가 접혀 입체 구조를 취하고 기능을 가지고 단백질로서 작용합니다.

아미노산 결합 tRNA리보솜까지 염기서열에 대응한 아미노산을 운반하는 역할을 하는 것이 트랜스퍼 

RNA(tRNA)입니다. tRNA의 일부는 안티코돈이라 불리는 3조 염기서열을 가지며, mRNA의 코돈과 상응한다. tRNA는 각각의 안티코돈에 상응하는 아미노산과 아미노아실 tRNA 합성 효소에 의해 올바르게 결합된다. 아미노아실 tRNA 합성효소는 20종류이며 아미노산, tRNA, ATP라는 3종류의 분자를 인식하는 부위를 가지고 있습니다. tRNA는 단일 가닥이지만 내부 상보 서열로 염기쌍을 형성하고 클로버 잎과 같은 2 차 구조를 가지며 L 형 고차 구조를 취합니다. 리보솜은 주로 rRNA로 구성된 A 부위, P 부위, E 부위로 불리는 tRNA의 결합 부위를 가지고 있으며, 펩티드 결합의 촉매 부위도 단백질이 아니라 큰 서브 유닛의 rRNA로 구성됩니다. tRNA는 아미노산이 다음 아미노산에 결합되면 리보솜에서 멀어집니다.

폴리펩티드 사슬은 리보솜에서 벗어날 때 깨끗하게 접혀있을 수 있지만 대부분의 단백질은 리보솜에서 멀리 떨어진 곳에서 분자 샤페론 (분자 샤페론은 단백질이 올바른 구조를 취하고 정상적인 기능을 발휘할 수 있음) 이렇게 시키는 단백질입니다.)와 결합하여 올바르게 접혀집니다. 단백질 합성의 효율을 높이기 위해 하나의 리보솜으로 번역이 진행되면 다음 리보솜이 mRNA에 결합하여 번역을 시작합니다. 번역중의 mRNA에는 다수의 리보솜이 붙은 폴리리보솜이 되어 있습니다. 진핵 생물의 개시 인자는 5' 말단뿐만 아니라 3' 말단의 폴리 A 서열에도 단단히 결합하고 환상화합니다. 환상이 되면 번역을 마친 리보솜의 재이용에 도움이 효율적입니다.