[분자생물학] 18.3 : 번역 종결(translation termination) - 3

 

 

이번 포스트에서는 비정상적인 termination 과정들, 그리고 이를 해결하기 위해 세포가 가지고 있는 방법들에 대해 알아보도록 하자.

 

 

이상한 termination이 일어나는 예로는 크게 두 가지 상황을 들 수 있음. 첫 번째는 nonsense mutation에 의해서 premature termination이 일어나는 경우이고, 두 번째는 아예 mRNA가 stop codon을 가지고 있지 않아서 ribosome이 non-stop mRNA를 translate한 후 벗어나지도 못한 채로 계속 붙잡혀 있는 경우임. 특히 후자의 경우에는 제때 일어나야 할 세포분열을 저해할 우려가 있으므로 세포 입장에서 어떤 방식으로든 이러한 문제를 해결해야 함.

 

 

우선 prokaryote에서 non-stop mRNA가 있을 때 어떤 식으로 이 문제가 해결되는지에 대해 살펴보자.

 

 

결론부터 말하자면 prokaryote는 tmRNA(transfer-messenger RNA)라는 녀석을 이용해서 이 상황을 해결함. tmRNA는 tRNA의 형태를 띄고 있음과 동시에 protein translation에 필요한 mRNA 정보도 가지고 있음.

 

 

 

 

위 그림에 tmRNA의 구조가 나타나 있음. 보면 붉은 부분에 tRNA의 구조가 존재하고, 이와 함께 아래쪽에 파란색 부위에 해당하는 mRNA 정보도 들어있음. 그렇기에 이 녀석이 non-stop mRNA 부분의 3' 끝에 정체되어있는 ribosome(TF가 없으면 자발적으로 ribosome이 분해되지 않으므로 정체된 채로 계속 남아있음)의 A site에 들어가게 되면 ANTNYALAA의 아미노산이 추가적으로 이미 존재하던 peptide에 연결될 것이고 이후 UAA의 stop codon을 만나서 translation termination이 일어나게 됨.

 

 

 

 

이 과정이 위 그림에 다시금 나타나 있음.

 

 

참고로 이 과정에서 non-stop RNA와 그 RNA에 의해 합성된 단백질은 위 그림 왼쪽 아래에 나타나 있는 것처럼 모두 dissociate됨.

 

 

 

한편 eukaryote에서도 aberrant termination이 일어날 수 있는데, 이 때 eukaryote이 사용하는 해결 방법으로 크게 아래와 같은 3가지가 있음.

 

 

 

 

우선 위 그림의 a는 normal한 termination이 일어나는 과정을 나타내주고 있으며 b는 앞서 원핵생물에서 봤던 것과 같은 non-stop mRNA가 있을 때 이 문제를 해결하기 위해 사용되는 non-stop decay mechanism을 나타내주고 있고, c는 no-go decay(stalling site에 의해 ribosome이 stall되어 있을 경우 ribosome을 다시 움직이게 하기 위해 Hbs1, Dom34등의 단백질이 작용하게 되고, 그 결과 ribosome이 translation을 계속해서 결국 stop codon을 만나고 termination이 일어나게 됨)를, d는 18S-rRNA decay를 나타내주고 있음.

 

 

b의 경우를 약간 더 자세히 알아보자. stop codon이 없는 채로 poly A tail까지 translation이 일어나게 되면 결국 lys가 계속 합성됨. 이런 상황을 인지하고 ribosome 대단위체에 결합하는 녀석이 Ski7이며, Ski7이 exosome을 recruit한 뒤 recruit된 exosome이 poly A tail을 포함한 mRNA를 분해시켜줌. 이와 함께 합성된 poly lysine peptide 서열은 ubiquitylation되어서 결국 proteasome에 의해 분해됨.

 

 

 

이 밖에 eukaryote가 premature termination 상황에 대응하는 mechanism도 존재하는데, 그 중 대표적인 것이 바로 NAS(nonsense-associated altered splicing)임.

 

 

 

위 그림에 NAS의 과정이 대략적으로 나타나 있음. 보면 위 그림 아래와 같이 3개의 exon 중간에 갑자기 premature stop codon이 nonsense mutation에 의해 삽입되어버리는 경우 원래는 노란색과 같이 일어나던 splicing이 보라색과 같은 양상으로 변화하여 일어나게 됨. 보라색과 같이 splicing이 일어나게 되면 결국 premature stop 부분이 intron으로 인식되어 잘려나가므로 nonsense mutation의 영향을 최소화할 수 있음.

 

 

NAS와 함께 또 다른 대표적인 기작 중 하나가 바로 NMD(nonsense-mediated mRNA decay)임.

 

 

실제로 translation을 본격적으로 시작하기 전에 pioneer round가 존재하고, 그 때 시범적으로 translation을 한 번 시켜보는 과정이 일어남.

 

 

 

이 과정에서 위 그림에 나타난 것과 같은 mRNA quality control 과정이 일어남.

 

 

우선 위 그림의 왼쪽은 normal한 상황임. 일단 EJC라는 녀석이 exon의 끝부분을 인지하고 결합하게 됨. 그런데 이 EJC은 pioneer step에서 ribosome이 쭉 서열을 scan하는 과정에서 ribosome에 의해 떨어져나가게 됨. 정상적인 상황이라면 stop codon이 있기 전까지 ribosome이 쭉 scan을 해나갈것이므로 결국 이 때는 ORF 구간 내에 남아있는 EJC가 존재하지 않을 것임.

 

 

한편 위 그림의 오른쪽은 premature stop codon(PTC)이 존재하는 상황임. 이 경우에는 PTC까지만 ribosome이 scan할 것이고 PTC부터 진짜 stop codon까지는 ribosome이 scan을 하지 못함. 그 결과 위 그림과 같이 남아있는 EJC가 존재하게 됨. 그러면 EJC에 각종 단백질들이 recruit되고, 그 중에서도 UPF1이 recruit되어서 결과적으로 mRNA의 decay가 일어나게 됨. (참고로 UPF1은 NAS, NMD에서 모두 쓰임)

 

 

 

 

원래는 stop codon을 인지하는 tRNA가 존재하지 않음. 그런데 인위적으로 stop codon을 인지할 수 있게끔 조작된 anticodon을 가지는 tRNA를 만들어주게 되면 이 녀석을 이용해서 단백질 내에 우리가 원하는 특정 unnatural amino acid들을 삽입시켜줄 수 있음. (물론 이를 위해서는 unnatural amino acid를 tRNA에 charging할 수 있는 orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase도 있어야 함)

 

 

 

그 결과 위와 같은 일이 가능함.

 

 

우선 삽입된 unnatural amino acid를 이용해서 labeling을 수행할 수도 있고, 혹은 이 amino acid에 붙는 linker를 이용해서 다른 단백질과 이 단백질을 연결시켜줄 수도 있음. 위 그림 왼쪽 아래에는 이 방법을 이용해 linker를 달아줘서 cytotoxic T cell이 조금 더 HER2 breast cancer cell을 잘 죽일 수 있도록 modify해준 예시가 나타나 있음.

 

 

 

 

다음 포스트부터는 이제 DNA replication(DNA 복제)에 대해 자세히 알아보도록 하자.