[분자생물학] 6.2 : 원핵생물의 transcription initiation(전사 개시) - 1

 

 

이번 포스트부터는 원핵생물에서의 transcription initiation(전사 개시) 과정에 대해 자세히 알아보자.

 

 

 

과거에 Carpousis와 Gralla는 전사 개시 시점에서 매우 작은 크기의 oligonucleotides(2~6 nucleotide long)가 만들어지는 것을 관찰함. 이러한 작은 조각에 해당하는 oligonucleotide들을 abortive transcript라고 부름. (최대 10bp 길이로까지 발견) 

 

 

 

 

위 그림에서 1은 DNA를 아예 넣어주지 않은 것이고, 2~7은 시간 순서대로 RNA polymerase에 의해 만들어지는 transcript의 크기를 측정해 본 것임. (이 때 heparin이라는 물질을 넣어서 RNA polymerase가 두 번 이상 사용되지 못하게 만들어줌) 이 때 보면 초기(특히 2~4 사이)에 짧은 길이의 abortive transcript가 만들어지는 것이 관찰됨. 이에 대한 모식도는 아래와 같음.

 

 

 

왜 이런 현상이 일어나는지에 대해서는 이후에 다시 살펴보자.

 

 

 

한편 이전 포스트에서 간략히 살펴본 sigma factor에 대해 조금 더 알아보자.

 

 

가장 처음에 수행한 실험 결과를 통해서는 sigma factor가 initiation 뿐 아니라 elongation(신장)도 촉진할 것이라는 예측이 이루어졌었음. 이 때의 실험 결과는 아래와 같음.

 

 

 

이 때 x축은 sigma factor의 양, y축은 각 선 위에 표시된 물질의 양을 나타내주고 있음. 이 중에서 특히 파란색과 빨간색 결과를 비교해보자. 우선 빨간색의 경우 [14C] ATP를 사용했으므로 이 경우 그냥 새로운 RNA가 합성되는 정도를 나타낸다고 보아도 무방함. (일종의 elongation 표지) 한편 [gamma-32P] ATP를 넣어주는 경우는 어차피 RNA를 이루는 nucleotide가 1개이던 100개이던 한 transcript 하에서는 gamma-P가 하나뿐이므로(ppi는 생기는 족족 사라져버리므로 5' 말단에 남은 하나의 gamma-P만 존재할 것임) 결국 이 표지는 얼마나 많은 transcription initiation이 일어나는지를 보여주고 있다 할 수 있음. (일종의 initiation 표지)

 

 

실제로 gamma phosphate는 위 그림과 같이 5' 말단에만 존재하게 되고, 중합 과정에서 5'을 제외한 나머지 부분에서는 gamma, beta phosphate가 PPi의 형태로 빠져나가므로 한 transcript마다 하나씩의 gamma phosphate만 표지되게 될 것임.

 

 

이런 지식을 바탕으로 앞서의 결과를 일차원적으로 보게 되면 sigma factor의 양이 늘어남에 따라 initiation과 elongation 정도가 모두 늘어나는 것으로 해석 가능함. 

 

 

그러나 이후 rifampicin이라는 화합물(transcription initiation만 막아줌)를 처리한 채로 동일한 실험을 수행할 시에는 elongation도 일어나지 않는다는 실험 결과가 발표되었음. 따라서 sigma factor는 initiation에만 관여한다는 것을 알게 됨. (앞서 나온 결과는 initiation 양 자체가 증가했으므로 그에 따라 덩달아 elongation 양도 증가해서 나타난 결과인 것으로 해석 가능함)

 

 

 

 

그렇다면 한번 사용된 sigma factor는 어떻게 되는가. 결론적으로 사용된 sigma factor는  그림과 같이 다시 사용됨. (이 때의 cycle을 sigma-cycle이라 함)

 

 

그런데, sigma factor가 재활용된다는 것은 어떻게 알게 된 것일까. 이와 관련된 실험 결과가 아래와 같음.

 

 

 

 

위 실험에서 붉은 선은 rifampicin을 넣어준 경우의 RNA chain initiation 정도([gamma-32P] ATP)를 나타내주고 있음. 보면 rifampicin이 들어간 경우 아예 initiation이 일어나지 않고 있음. 한편 파란색과 같이 core enzyme을 넣어준 반면 rifampicin은 넣어주지 않게 되면 정상적으로 initiation이 일어남. 이 말은 sigma factor가 재활용된다는 뜻임. (참고로 초록색의 경우 rifampicin과 함께 core enzyme을 넣어준 경우인데, 이 때 넣어준 core enzyme은 rifampicin 작용에 대해 어느 정도 저항성이 있음)

 

core enzyme에 대한 내용은 이전 포스트에서 다루었으므로 참고할 것.

 

 

한편 초록색 선의 경우 rifampicin에 저항성이 없는 (기존에 있던 holoenzyme으로부터 유래한) sigma factor와 rifampicin에 저항성이 있는 core enzyme이 합쳐져서 새로운 RNA polymerase가 생성된 경우인데, 이 경우에도 initiation이 활발히 일어난다는 사실을 통해 rifampicin에 저항성을 주는 것이 core enzyme임을 알 수 있음.

 

 

 

 

다음 포스트에서는 이번 포스트에 이어서 원핵생물에서의 전사 개시 과정에 대해 더 자세히 알아보도록 하자.