유전자의 발현이란 무엇일까 1(생명의 중심원리, 전사과정)

저번 글에서는 DNA 복제의 구체적인 과정 및 말단소체, 염색체의 구성에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 유전자의 발현에 대해 알아보겠습니다. DNA는 단백질 합성에 필요한 RNA와 단백질 합성을 지배하여 특정 형질을 초래합니다. 즉, 단백질은 유전자형과 표현형을 연결합니다. 유전자 발현(gene expression)은 DNA가 단백질을 합성하는 과정을 의미합니다. 전사와 번역 두 단계로 구성됩니다.

1. 전사와 번역의 기본 원리

 유전자는 직접적으로 단백질을 만들지는 않고, RNA가 DNA와 단백질을 연결하는 역할을 합니다. RNA는 DNA와 전체적으로 유사하나 당만 디옥시리보스가 아닌 리보스를 가지며, 염기는 티민이 아닌 우라실을 가집니다. 또한 DNA는 이중 나선 구조이지만, RNA는 주로 단일가닥입니다. 그럼 전사(transcription)는 무엇일까요? 바로 DNA의 정보로 RNA를 합성하는 것입니다. DNA가 주형으로 작용하여 전령 RNA(messenger RNA, mRNA)를 만듭니다. mRNA는 단백질을 합성하는 기구로 유전 정보를 전달합니다. 번역(translation)은 mRNA의 정보를 이용해 리보솜에서 폴리펩타이드를 합성하는 단계입니다. 다만 염기서열로 되어 있는 정보를 아미노산 서열로 바꾸는 것이기 때문에 언어가 바뀝니다. 전사와 번역은 모든 생물에서 일어납니다. 기본적인 원리도 원핵세포와 진핵세포에서 비슷하나 차이점도 있습니다. 세균은 핵이 없기 때문에 핵막이 DNA와 mRNA를 리보솜과 격리시키지 않습니다. 따라서 전사 이후 바로 번역이 가능합니다. 진핵세포에서는 핵막에 의해 전사와 번역이 따로 일어납니다. 즉, 전사가 핵 내에서 일어난 후 mRNA가 세포질로 이동해 번역이 진행됩니다. 단, 처음 만들어진 RNA 전사체(mRNA 전구체)는 가공되어 최종적으로 mRNA가 된 후 세포질로 나갑니다. 이때 처음 만들어진 RNA 전사체를 1차 전사체(primary transcript)라고도 합니다. 정리하자면 DNA의 유전정보는 전사를 통해 mRNA로 전달되고, 이것은 단백질 합성 기구로 전달되어 번역됩니다. 이를 생명의 중심원리(central dogma)라고 합니다.

-코돈:3염기

결국 4개의 염기가 20개의 아미노산을 지정하는 것인데 그렇다면 하나의 아미노산을 지정하는 염기의 개수는 몇 개인 것일까요? 모든 아미노산을 암호화하기 위해서는 3개의 뉴클레오타이드 염기가 최소 단위입니다. 왜냐하면 1개의 염기로는 4개 아미노산, 2개의 염기로는 4^2개밖에 암호화하지 못하지만 3개의 염기로는 4^3개를 암호화할 수 있기 때문입니다. 이것을 3자 암호(triplet code)라고 합니다. 전사 과정에서 두 개의 DNA 가닥 중 한 가닥만 주형 가닥(template strand)으로 사용되어 전사됩니다. mRNA의 염기쌍은 T가 아닌 U라는 차이점 말고는 DNA 복제로 형성되는 염기쌍과 크게 다르지 않습니다. 즉, RNA 분자도 DNA 주형과 역평행하게 합성됩니다. mRNA의 세 염기는 코돈(codon)이라고 하며, 5'에서 3'방향으로 씁니다. 이 용어가 비주형 DNA 가닥의 세 염기를 가리키는 경우도 있어 비주형 DNA 가닥을 암호화 가닥(coding strand)이라고 부르기도 합니다. 번역 단계에서는 단백질 합성 기구가 mRNA를 따라 5'에서 3' 방향으로 코돈을 읽고, 그에 맞는 아미노산을 연결해 폴리펩타이드를 만듭니다. 과학자들은 연구를 통해 각각의 RNA 코돈이 무슨 아미노산으로 번역되는지 알아냈습니다. 1960년대 중반까지 모든 64개의 코돈들이 판독되었습니다. 61개의 코돈은 특정 아미노산을 암호화하며, 나머지 3개의 코돈은 정지 신호를 나타내거나 종결코돈입니다. 코돈 AUG는 메싸이오닌이라는 아미노산을 암호화하면서, 개시코돈의 역할도 담당합니다. 번역은 개시코돈에서부터 시작됩니다. 

2. 전사:DNA 이용한 RNA 합성

그럼 이제 본격적으로 전사 과정은 어떻게 이루어지는지 알아보도록 하겠습니다.

-전사에 참여하는 분자들

mRNA는 DNA 주형가닥으로부터 전사된다고 했습니다. RNA 중합 효소(RNA polymerase)는 두 DNA 가닥을 벌리고 DNA의 주형을 따라 5'에서 3' 방향으로 염기쌍을 만들어 RNA 뉴클레오타이드를 붙입니다. DNA 중합효소와의 차이점은 RNA 중합효소는 처음부터 사슬을 혼자 만들 수 있어 프라이머를 필요로 하지 않는다는 것입니다. RNA 중합효소가 전사를 개시하는 DNA의 서열을 프로모터(promoter)라고 합니다. 원핵세포에서는 전사를 종결하는 DNA 서열을 종결자(terminator)라고 부르며, 이 서열은 종결자로부터 상부에 있습니다. RNA로 전사되는 프로모터 하부의 DNA 영역은 전사단위(transcription unit)라고 합니다. 세균은 한 종류의 RNA 중합효소가 있지만 진핵생물에서는 3가지 이상의 RNA 중합효소가 있습니다. 이 중 RNA 중합효소 2가 mRNA를 만듭니다.

-RNA 전사 과정

전사는 개시, 신장, 종결 이 세 단계로 이루어집니다. 개시 단계를 살펴보겠습니다. RNA 합성이 시작되는 뉴클레오타이드인 전사 개시점(start point)은 유전자의 프로모터에 포함됩니다. (TATA를 포함하는 염기서열도 프로모터에 포함됩니다.) RNA 중합효소는 프로모터에 정확하게 부착하여 주형 가닥과 전사 시작 자리를 결정합니다. 세균에서는 RNA 중합효소가 프로모터를 자체적으로 인지할 수 있으나 진핵세포에서는 전사인자(transcription factor)가 RNA 중합 효소의 인지 및 부착을 조절합니다. 전사인자들이 프로모터에 결합하면 RNA 중합효소 2가 부착되며, 이 조합을 전사개시복합체(transcription initiation complex)라고 부릅니다. 이어서 신장 단계를 보겠습니다. RNA 중합효소는 주형 가닥을 따라 이동하면서 이중나선을 풀고 RNA의 3' 말단에 뉴클레오타이드를 계속 붙입니다. 마지막으로 종결 단계를 살펴보겠습니다. 세균에서는 DNA상의 종결 서열을 지나 계속 전사합니다. 전사된 종결자 서열은 종결신호로 작용해 중합효소가 분리되고, 전사물은 바로 mRNA로 기능합니다. 그러나 진핵세포에서는 RNA 중합효소 2가 특정 서열인 아데닐산중합반응 신호서열을 전사하고, 결과적으로는 mRNA 전사물이 분리됩니다. 다음 글에서는 진핵세포에서 전사 후 mRNA를 어떻게 변형하는지, 그리고 번역 과정은 어떻게 이루어지는지 알아보겠습니다.