[분자생물학] 17.1 : 세균에서의 번역 개시(bacterial translation initiation) - 1

 

 

 

이번 포스트부터는 mRNA로부터 단백질이 만들어지는 과정인 translation(번역)의 개시 과정에 대해 알아보도록 하자.

 

 

 

먼저 bacteria system에서의 translation initiation에 대해 알아보자.

 

 

 

 

 

 

bacteria에서의 translation initiation 과정을 간략히 나타내면 위와 같고, 이 과정 하나하나에 대해 지금부터 살펴볼 것임.

 

 

 

참고로 이 때 50S로 표현된 것이 ribosome의 large subunit, 30S로 표현된 것이 ribosome의 small subunit임. 이 때 bacteria의 경우 23S rRNA가 large subunit 내에, 16S rRNA가 small subunit에 포함되어 있다는 것도 상식적으로 알아두자. 

 

 

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tRNA charging (tRNA 충전)

 

translation initiation 과정 중 가장 먼저 일어나는 것이 바로 tRNA charging임. 쉽게 말해 이 과정은 tRNA의 3' 말단부에 보존적으로 존재하는 CCA 서열에 뒤이어 특정한 amino acid가 충전되는 과정으로, 이 과정이 일어나야 tRNA가 특정한 amino acid를 ribosome 부근에 운반할 수 있게 될 것임.

 

 

 

 

일반적인 tRNA의 모습은 위 그림과 같은데, 보면 3' 말단에 CCA terminal이 있는 것을 알 수 있음. 이 말단부에 이어 amino acid가 결합하게 됨.

 

 

tRNA에 amino acid를 충전시켜주는 효소는 바로 aminoacyl-tRNA synthetase임. aminoacyl-tRNA synthetase는 크게 두 step을 거쳐 tRNA를 amino acid로 charging 시켜주는데, 그 과정이 아래에 나타나 있음.

 

 

 

 

 

첫 번째 단계에서는 aminoacyl-tRNA synthetase가 ATP와 amino acid를 기질로 받아들여서 ATP로부터 피로인산을 때내고 amino acid와 AMP를 결합시키게 됨. 이렇게 되면 amino acid가 activation됨. 이 상태로 두 번째 단계에서는 tRNA가 들어오게 되고, 이후 tRNA와 amino acid가 붙는 과정에서 다시금 AMP가 빠져나오게 됨. 결과적으로는 위 그림 맨 아래에 나타나 있는 것처럼 amino acid로 충전된 tRNA가 빠져나옴. (참고로 이 때 각 amino acid에 해당하는 aminoacyl-tRNA synthetase가 있어서 특정 tRNA에 특정 amino acid들을 charging시켜줌)

 

 

 

 

 

위 그림에는 tRNA 3' 말단부에 amino acid가 충전된 모습이 조금 더 화학적으로 묘사되어 있음. 참고로 위 그림에서는 tRNA 3' 말단부 3번 탄소에 amino acid가 달라붙어 있지만 사실 aminoacyl-tRNA synthetase의 종류에 따라 3번 탄소에 amino acid가 붙을 수도, 2번 탄소에 amino acid가 붙을 수도 있음.

 

 

 

 

 

위 그림에는 class I, class II 두 종류의 aminoacyl-tRNA synthetase가 나타나 있는데, class I이 작동할 경우 이 녀석은 tRNA 3' 말단의 2번 탄소 위치에 amino acid를 붙여주고, class II가 작동할 경우 이 녀석은 tRNA 3' 말단의 3번 탄소 위치에 amino acid를 붙여줌. 그 밖에 위 그림에도 나타나 있는 것처럼 class에 따라서 tRNA 중 어느 부분에 binding할지도 다르다는 것을 참고삼아 알아두자. (binding하는 위치가 다른 것은 어찌 보면 당연한데, 몇 번 탄소에 amino acid를 붙여줄지에 따라서 다른 location에 결합하는 것이 반응 시 편리할 것임)

 

 

 

한편 aminoacyl-tRNA(충전된 형태의 tRNA)들도 tRNA에 맞는 적절한 tRNA가 들어갔는지에 대해 검증을 거쳐 만약 이상한 amino acid가 들어갔다면 amino acid를 제거한 후 올바른 amino acid로 tRNA를 다시 충전하는 과정을 거치게 되는데, 이 과정을 editing이라고 부름.

 

 

 

 

이 editing도 aminoacyl-tRNA synthetase에 의해 일어나는데, 위 그림에 나타나 있는 것처럼 aminoacyl-tRNA synthetase는 tRNA에 amino acid를 달아주는 activation site를 가지고 있을 뿐만 아니라 amino acid가 잘못 결합된 tRNA에서 acyl group을 끊어 amino acid를 떼주는 editing site도 가지고 있음. 이 때 tRNA의 CCA 말단부가 꽤나 flexible하므로 때에 따라 activation site쪽으로 휘어서 충전 과정을 거칠 수도, editing site 쪽으로 휘어서 editing 과정을 거칠 수도 있음. (참고로 이 때 CCA 말단부가 flexible한 이유는 앞전에 나온 tRNA 구조를 보면 알 수 있는데, CCA 부분이 다른 단백질 혹은 RNA 부분과 interaction을 딱히 하고 있지 않기 때문에 결과적으로 flexible해짐)

 

 

 

그렇다면 어떻게 activation site에 들어가 작용하는 녀석, editing site에 들어가 작용하는 녀석이 구분될 수 있을까. 기본적으로 이에 대한 구분은 amino acid 그 자체의 size에 따라 이루어지게 됨.

 

 

 

 

 

 

위 그림을 보면 activation site, editing site 각각에 체의 형태가 나타나 있음. 실제로 이런 식의 분자체가 형성되어 있다기 보다는, 활성을 가지고 있는 amino acid 결합자리의 size가 정해져 있다 보니 이 site가 마치 분자체처럼 작용하게 된다고 생각하면 됨.

 

 

위 그림에 나타나 있는 tRNA는 Ile을 충전받는 녀석인데, 이 경우 aminoacyl-tRNA synthetase가 위와 같은 크기의 체를 가지고 있음. activation site의 경우에는 Tyr, Phe와 같이 너무 큰 녀석들이 못 들어갈 정도의 크기여서 그보다 작은 Ile, Val, Ala, Gly 등이 이곳으로 들어가게 됨. 이후 activation site의 체를 통과한 amino acid들은 AMP와 결합해 일단 activation됨. 한편 editing site의 체를 통해서는 Ile처럼 상대적으로 큰 녀석이 들어가지 못하고 Ile보다 더 작은 Val, Ala, Gly와 같은 녀석들이 이곳으로 들어가게 됨. 결과적으로 Ile만 tRNA에 제대로 결합하게 되고 Tyr, Phe(아예 activation site의 체에서 걸러짐), Val, Ala, Gly(editing site 체 안으로 들어가 tRNA에서 분리됨) 등의 amino acid들은 tRNA와 결합하지 못하게 됨.

 

 

 

이러한 방식으로 각종 aminoacyl-tRNA synthetase들이 구성되어 있으며, 결과적으로 tRNA에 특이적인 한 종류의 amino acid만 충전시켜주게 됨.

 

 

 

 

다음 포스트에서는 tRNA 충전이 일어나고 난 다음에 일어나는 일들에 대해 이어서 알아보도록 하자.