[분자생물학] 6.4 : 원핵생물의 transcription termination(전사 종결)

 

 

이번 포스트에서는 원핵생물에서의 transcription termination(전사 종결) 과정에 대해 알아보자.

 

 

전사의 종결은 terminator(종결자)에 의해 일어남.

 

 

terminator에는 크게 두 가지 종류가 있는데, 하나는 intrinsic terminator이며, 다른 하나는 rho-dependent terminator임. 하나하나 살펴보자.

 

 

 

 

1. rho-independent termination

 

 

rho-independent termination은 intrinsic termination이라고도 부르며, 이 termination에는 특별히 다른 factor가 필요하지는 않지만 inverted repeat과 T-rich region(in nontemplate strand)이 있어야 함. 

 

 

우선 inverted repeat은 아래와 같은 일종의 유사 회문구조를 의미함.

 

 

 

 

이 때 이 inverted repeat이 전사되어 위 그림 아래와 같이 RNA가 되면 이 RNA 서열은 스스로 접혀서 hairpin 구조를 형성하게 됨.

 

 

한편 nontemplate strand에 T-rich region이 있게 되면 결국 templete과 RNA 사이에 수많은 A-U hybrid가 생기게 됨. 이것이 termination에 어떤 영향을 미치는지는 잠시후에 살펴볼 것임.

 

 

 

 

 

위 그림에서 attenuator로 표시된 곳에는 inverted repeat과 T-rich region이 모두 포함되어 있음.

 

 

 

이 때 당연히 정상적인 상황에서는 (a)와 같이 attenuator가 잘 작동해서 적절한 길이의 transcript가 생성되지만, 만약 mutation에 의해 inverted repeat 혹은 T-rich region에 이상이 생기게 되면 위 그림 (b)와 같이 termination이 진행되지 않아 비정상적으로 긴 transcript가 생길 수 있음.

 

 

 

 

실제 rho-independent termination 과정은 위 그림과 같음. 우선 inverted repeat에 의해 RNA의 일부가 hairpin 구조를 이루게 되고 이 hairpin이 RNA polymerase를 잠시 pause시킴. 이 때 DNA-RNA를 구성하고 있는 염기들의 쌍이 (T-rich region이므로) 모두 다 A와 U임. 그런데 A-U 사이에 형성되는 수소결합은 G-C 사이에 형성되는 수소결합에 비해 많이 약함. (A-U 사이에서는 두 개의 수소결합밖에 일어나지 않음) 그런데 이런 약한 결합이 무수히 많으므로 RNA polymerase가 pause되어 있는 동안 이 RNA 서열은 DNA로부터 떨어져나오게 됨. 이런 방식으로 termination이 이루어짐.

 

 

 

 

2. rho-dependent termination

 

이 경우에도 inverted repeat은 필요하지만, T-rich region 대신 rho protein이 활약함. 그렇다면 rho protein이 termination에 관여한다는 확신을 어떻게 얻을 수 있었을까.

 

 

 

 

위 data에서 [gamma-32P] GTP는 앞서서도 등장했던 것처럼 initiation 정도를 나타냄. 한편 3H-UTP는 elongation되는 transcript의 길이(혹은 total transcription 양)를 의미함. 이 때 가로축은 rho인데, 점점 rho의 농도를 높여감에 따라 elongation되는 transcript의 총 길이는 감소하지만 initiation은 변화가 없음. (즉, rho factor 증가에 따라 조기에 termination이 이루어지는 RNA의 양이 많아짐) 따라서 rho factor는 initiation에는 거의 영향을 미치지 않고 termination에 영향을 미친다는 것을 짐작할 수 있음.

 

 

 

 

한편 위 그림은 labeling한 RNA를 대상으로 ultracentrifugation을 수행한 결과임. 이 때 x축은 fraction number이며, RNA size별로 서로 다른 fraction에 분리됨. (이 때 fraction number가 작을수록 큰 size, fraction number가 클수록 작은 size임)

 

 

이 때 (a)는 일반적인 transcript의 size distribution이며 (b)에서 붉은 색으로 나타난 것은 rho factor를 첨가해주었을 때의 transcript의 size distribution임. 결과적으로 rho factor를 첨가해줄 경우 전반적인 transcript의 size가 작아지는 것을 확인할 수 있음. (조기에 termination되었기 때문) 사실 이런 결과가 나온 경우 rho factor가 termination에 관여한다는 추측 외에 RNase로 작용해서 이미 만들어진 transcript를 잘라버린다는 추측도 가능한데, 후자가 아니라는 것은 (b)의 파란색에 나타나 있는것처럼 transcription을 다 시켜버리고 난 이후 rho factor를 넣었을 때 transcript의 distribution이 (a)와 완전히 동일하다는 결과를 바탕으로 쉽게 증명 가능함.

 

 

 

 

한편 위 그림에서 나타난 실험도 rho factor의 기능을 알아보기 위해 수행한 ultracentrifugation 결과임. 이 때는 DNA와 RNA의 size별 distribution을 관찰함. 이 때 파란색 선은 DNA를, 빨간색 선은 RNA를 나타냄.

 

 

(a)를 보면 이 경우에는 termination이 쉽게 일어나지 않으므로 RNA와 DNA가 계속 같이 붙어다니게 되고 그 결과 DNA의 size distribution과 동일한 경향의 RNA size distribution이 나타남.

 

 

 

한편 (b)에서는 rho factor를 넣어줬는데, 이 때는 DNA의 size distribution과 RNA의 size distribution이 완전 다른 것을 확인 가능함. 이는 rho factor에 의해 transcription이 매우 빨리 조기종결되었기 때문에 나타나는 현상이라고 이해 가능함.

 

 

 

 

위 그림은 rho-dependent termination의 과정을 나타내고 있음. 일단 rho factor가 hexamer임에 유의하자.

 

 

 

이 경우에도 우선 inverted repeat에 의해 hairpin 구조가 형성되어 RNA polymerase를 pause시키는 것까지는 rho-independent termination에서와 똑같음. 그런데 이 때 RNA polymerase가 pause되어 있는 동안 rho factor가 RNA 가닥을 잡게 되고, 이후 rho factor에 의해 DNA로부터 RNA가 떨어져 나가게 됨.

 

 

 

 

이번 포스트를 끝으로 원핵생물의 transcription(전사) 과정 전체에 대해 알아봄.

 

 

다음 포스트부터는 원핵생물 유전자 발현을 조절하는 매우 중요한 체계인 오페론(operon)에 대해 알아보도록 하자.