[분자생물학] 14.1 : 진핵생물에서의 splicing

 

 

이번 포스트부터는 전사된 mRNA의 splicing 기작에 대해 알아보자.

 

 

 

대부분의 eukaryotic gene들은 bacterial gene과는 달리 noncoding DNA를 포함하고 있음. 그런데 RNA polymerase는 noncoding region과 coding region을 구분하지 못하기 때문에 결국 모두를 transcribe하게 됨. 따라서 cell은 noncoding RNA를 primary transcript로부터 제거해줘야 함. 이 때 수행되는 과정이 splicing임. (참고로 상식적으로 알고 있듯이 splicing은 핵 내에서 일어남)

 

 

 

splicing은 co-transcriptional modification의 한 종류로 취급됨. (과거에는 post-transcriptional modification이라고도 불렸으나, 이는 엄밀히 말해 틀린 표현임. 이에 대해 뒤에서 다시 알아볼 것)

 

 

참고로 진핵생물의 gene이라 하더라도 일부 녀석들은 intron을 가지지 않는 경우도 있다는 것을 알아두자. (이는 human gene에서도 마찬가지임)

 

 

 

 

 

DNA와 mature mRNA의 서열이 완전히 상보적이지 않고, missing piece가 존재한다는 것을 처음 발견한 실험이 아래에 나와있는 R-looping experiment임.

 

 

 

 

보면 single strand DNA에 mature RNA를 hybrid시켜봤음. 그랬더니 위 그림 A, B, C와 같은 짝이 맞지 않아 붕 떠있는 DNA 조각들을 확인함. 이 부분이 바로 intron임. (이 때 생기는 고리 모양이 약간 R 모양을 닮았다고 해서 실험기법의 이름이 R-looping experiment임)

 

 

(참고로 titin gene의 경우 362개의 intron이 있는 반면 tRNA gene과 같은 녀석들은 0개, 혹은 1개의 intron만이 발견됨)

 

 

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intron은 gene에서는 발견되지만 mature RNA에서는 발견되지 않음. 그렇다면 어떻게 이런 일이 가능한 걸까. 이에 대해 잘 모르던 과거에는 두 가지 가능성이 제기되었음. 첫 번째 가능성은 polymerase가 어떤 식으로든 intron을 jump해서 intron이 아예 transcription되지 않는다는 것이었고, 두 번째 가능성은 intron이 transcription되기는 하지만 intron RNA 부분을 잘라주는 기작에 의해 결국 mature RNA에서는 intron이 관찰되지 않는다는 것임.

 

 

첫 번째 가능성을 기각할 수 있었던 가장 주요한 발견은 바로 임식적으로나마 발견되는 hnRNA의 존재 확인임.

 

 

 

 

앞서 봤던 것처럼 RNA polymerase II에 의해 전사되는 RNA 중 한 종류인 hnRNA(heterogeneous nuclear RNA)는 잠시동안 존재하다가, mRNA로 성숙됨.

 

 

 

 

이 hnRNA를 이용해서 위와 같은 실험을 수행함. 이 경우 앞서 봤던 R-looping experiment와 비슷한데, 대신 이번에는 double strand DNA를 사용함. 그렇기에 이 경우 그냥 갈라진 loop가 나온다고 해서 무조건 다 mismatch가 있는 것은 아니고(위 그림 왼쪽과 같이 예쁘게 하나만 갈라져 나온 경우에는 잘 match되었다고 판단함), RNA와 결합하지 않은 DNA 중 loop를 이루고 있는 부분이 있어야 이 부분을 intron이라고 판정할 수 있음.

 

 

 

우선 왼쪽의 경우 mouse beta-globin dsDNA와 함께 hnRNA를 hybridization시켜본 결과임. (참고로 이 때 beta-globin DNA를 쓴 이유는 그 당시 가장 쉽게 실험을 수행할 수 있었던 gene 중 하나가 beta-globin gene이었기 때문임) 결과를 보면 딱히 mismatch되는 loop 부분이 관찰되지 않음. 이를 통해 아직 hnRNA에는 intron이 있다는 것을 확인 가능함.

 

 

 

다음으로 오른쪽의 경우 beta-globin dsDNA와 함께 mature mRNA를 hybridization시켜본 결과임. 보면 mismatch된 loop가 형성되어 있음을 알 수 있음. 즉, 이 실험 결과를 통해 hnRNA 시점에는 있던 intron이 어떤 기작에 의해 mature mRNA에서는 사라진다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

 

 

앞서의 실험을 통해 밝혀낸 사실을 정리하면 위 그림과 같음. 보면 gene으로부터 처음 전사가 수행될 때는 exon과 함께 intron도 같이 전사되는데, 이후 RNA maturation 과정 중 하나인 splicing이 일어나면서 결국 intron 부분은 잘려나가고 exon 끼리만 결합이 이루어지게 됨.

 

 

그렇다면 splicing이 일어날 때 이 부분이 intron이고 잘려나가야 할 부분임을 알려주는 signal은 도대체 무엇인가. (이런 signal이 있어야 splicing이 precise하게 일어날 수 있음) 놀랍게도 nuclear mRNA precursor에서 나타나는 splicing signal은 매우 잘 보존되어 있음. 일반적으로 intron의 첫 번째 두 base는 GU이고, intron의 마지막 두 base는 AG임.

 

 

이 서열 주변에 있는 base들도 어느 정도 보존되어 있는데, mammalian에서 나타나는 consensus sequence는 아래와 같음.

 

 

 

 

보면 /로 구분된 intron의 맨 처음에 GU, 맨 마지막에 AG가 나타나 있는 것을 확인할 수 있음.

 

 

한편 이 때 밑줄쳐진 A가 보이는데, 이 A는 뒤에서 다시 살펴보겠지만 branchpoint로 불리며 splicing이 일어날 때 매우 중요하게 작용하는 position임.

 

 

 

 

다음 포스트부터는 splicing의 기작에 대해 알아보도록 하자.