기본필독코스 1단계 (생화학강의)4. Protein Synthesis - translationof the genetic message

[colony]

4. Protein Synthesis - translationof the genetic message

DNA 염기서열이 RNA로 transcription된 후, 유전정보는 RNA 서열에서 단백질의 아미노산 서열로 전해지는 trnaslation이 필요하다. Eukaryotic cell에서는 DNA의 transcription이 핵에서 일어나고, translation은 세포질에서 일어난다. Transcription은 mRNA를 형성하여 핵으로부터 방출하고, ribosome에서 해독되며 translation된다. tRNA 분자는 활성화된 아미노산의 집합 형성에 필요하고, 그것들을 한 번에 하나씩 ribosome에 전달한다. 이렇게 해서 단백질의 polypeptide chain 합성이 연속적으로 연결된다. DNA 염기사슬에서 유래한 아미노산 사슬은 유전암호에 의해 특수화되어 있다. RNA의 네 염기인 A, U, G, C 중 한 번에 세 개의 염기로 유전암호는 구성된다. Triplet code에서 codon의 종류는 64 가지가 가능하며, 3개의 정지신호와 61개의 codon은 20개의 아미노산을 생각하기에 충분하다. Translation 기작에서 mRNA는 tRNA와 일시적으로 결합한다. 따라서 tRNA 분자는 그들이 가지고 있는 amino acid를 연속적인 ribosome에 전달해 주어 peptide bond는 growing polypeptide chain에 아미노산을 공유결합 시킨다. mRNA의 정지신호는 protein chain을 종결시키고, ribosome으로부터 방출한다.

20.1. The Process of Trnaslating The Genetic Message

Protein biosynthesis는 ribosome, mRNA, tRNA 그리고 많은 수의 protein factor가 필요한 복잡한 과정이다. 단백질 합성 과정에서 ribosome에 결합하는 mRNA와 tRNA는 growing protein cahin에서 아미노산의 정확한 서열이 이루어지게 한다.

Amino acid는 growing protein chain에 결합되기 전에 tRNA와 aminoacyl-tRNA synthetase라는 특별한 효소가 관여하는 과정에 의해 활성화되어야 한다. Amino acid는 이 과정에서 tRNA와 공유결합하여 aminoacyl-tRNA를 형성한다. Polypeptide chain의 형성은 세 단계에 의해 이루어진다. 개시 단계(initation step)에서는 먼저 aminoacyl-tRNA가 polypeptide systhesis의 시작이 입력되어 있는 mRNA 부위와 결합한다. 다음은 aminoacyl-tRNA가 mRNA와 결합하고 있는 ribosome과 복합체를 형성한다. Second aminoacyl-tRNA를 위한 bingsite는 first aminoacyl-tRNA를 위한 binding site를 닫히게 한다. Peptide bond는 두 아미노산 사이에서 일어나는데, 이러한 단계를 사슬의 elongation(신장)이라 한다. 사슬의 elongation 과정은 polypeptide chain이 완전해 질 때까지 반복된다. 마지막으로 사슬의termination(종결)이 일어난다.

20.2. The Genetic Code

Triplet code는 한 아미노산을 특수화하는 데 필요한 세 개의 염기 서열(codon)을 의미한다. Non- overlapping이라는 용어는 연속적인 codon 사이에서 나누어진 염기가 없는 것을 의미한다. Ribosome은 mRNA를 따라 움직일 때 한 번에 하나 또는 두 개의 염기를 거치기보다는 세 개의 염기를 거쳐 지나간다. 만약 ribosome이 mRNA를 따라 움직일 때 한 번에 세 개의 염기 보다 많은 염기를 거쳐 지나간다면, 이런 경우는 "the presence of commas in the code"처럼 간주된다. 따라서 codon 사이에 있는 염기는 존재하지 않으며, 이러한 code를 commaless라 한다. Degenerate code는 하나의 triplet보다 많이 동일한 아미노산을 code할 수 있다. RNA에서 발생하는 네 염기의 triplet은 64(4⁓4⁓4) 가지가 가능하고, 이들 모두는 20개의 아미노산 또는 stop signal을 code하는데 사용된다. 보편적인 code는 virus, prokaryote, 그리고 eukaryote에서 관찰되지만, 예외적으로 mitochondria의 codon은 약간 다르다. 이러한 차이의 진화적 기원은 아직 밝혀지지 않았다.

64개의 codon은 모두 의미가 배정되어 있으며, 그 중 61개는 아미노산을 위해 code되어 있고, 3개는 종결신호를 제공한다.

Tryptophan과 methionine 아미노산은 각 하나의 codon을 갖지만, 나머지는 하나 이상의 codon을 갖는다. 하나의 아미노산은 leucine과 arginine의 경우처럼 6개만큼의 codon을 가지고 있다. 하나의 아미노산에 대한 다양한 codon은 무질서한 것이 아니라 한 또는 두 개의 공통적인 염기를 가지고 있다. 공통적인 일부 codon의 염기들은 일반적으로 first와 second base이다. 그리고 third base의 변화를 위한 또 하나의 방을 wobble base라 한다.

유전 암호에서 tirplet의 배정은 몇 가지 형태의 실험을 근거로 한다. 가장 주목할 만한 것 중에 하나가 messenger와 같은 polyribonucleotide 합성에 관계하는 것이다. 이러한 접근은 code의 특성에 대한 일부 정보를 제공해 주지만 애매성을 가지고 있다. 애매하지 않은 배열은 tRNA와 실험실에서 triplet이 관계하는 연구가 결합된 또 다른 형태의 실험이 필요하다.

Hompolynucleotide(한 가지 형태의 염기를 포함하는 polyribonucleotide)가 polypeptide synthesis를 위한 laboratory system에서 synthetic mRNA에 사용될 때, homopolypeptide(한 종류의 아미노산으로 구성된 polypeptide)가 생성된다. Poly U가 messenger로 상용될 때, polyphenylalanine이 형성되고, poly A가 messenger로 사용되면 polylysine이 형성된다. Poly C를 위한 생성물은 polyproline이고, poly G는 polyglycine을 형성한다. 번갈아 일어나는 copolymer(두 개의 염기 사슬이 교대로 일어나는 polymer)가 messenger일 때, 생성물은 교대로 일어나는 polypeptide(두 개의 아미노산 사슬이 번갈아 반복되는 polypeptide)이다. 예를 들면, polynucleotide 사슬이 -ACACACACACACACACACACAC-일 때, polypeptide는 threonine-histidne 사슬이 번갈아 일어나는 poly(thr-his)를 형성한다. 이러한 polynucleotide에서 암호화하는 triplet의 두 가지 형태는 ACA와 CAC이지만, 실험에서 threonine을 형성하기 위한 codon과 histidine을 형성하기 위한 codon을 만들 수 없다. 애매하지 않은 배열을 위해 더 많은 정보가 필요하다. 그러나 이런 결과는 code가 triplet code라는 것을 입증해 준다. 만약 그것이 doublet code라면, 생성물 중 하나는 AC codon에 의해 특수화되고, 다른 하나는 CA codon에 특수화된 두 개의 homopolymer의 혼합물일 것이다(Doublet과 같이 message를 읽는 방법이 용어상 다른 것을 /AC/AC/와 /CA/CA/와 같이 하나의 reading frame만이 가능하며, 반복되는 polypeptide를 생성한다). 다른 synthetic polynucleotide의 사용은 다른 암호 배열을 형성시킬 수 있지만 많은 의문이 남아 있다.

다른 방법들은 codon 배열에 대해 잔존하는 의문들에 대한 답을 하는 것이 필요하다. 가장 유용한 방법들 중 하나는 binding assay이다. 이 기술은 aminoacyl-rRNA가 trinucleotide의 존재 하에서 ribosome과 강하게 결합한다는 사실에 기초를 두고 있다. Trinucleotide는 화학적 방법에 의해 합성되어 지고, bind assay는 trinucleotide의 각 형태에 따라 수행된다. Aminoacyl-tRNA는 trinucleotide가 주어진 상태에서 그들의 결합 능력을 측정한다. 예를 들면, 만약 isoleucine을 위한 aminoacyl-tRNA가 trinucleotide AUC의 존재 하에서 ribosome과 결합한다면, AUC 사슬은 isoleucine을 위한 codon을 형성한다. 64개의 codon 중에서 약 50개가 이러한 방법에 의해서 밝혀졌다.

Codon-Anticodon Pairing and Wobble

Codon은 amino acid가 단백질로 합성되는 동안 tRNA의 anticodon에 상보적인 염기쌍을 형성한다. 일부 tRNA는 하나의 codon에 독립적으로 결합하지만, 많은 tRNA는 수소결합의 유형이 다양하기 때문에 하나의 codon 보다는 더 많은 codon을 인식할 수 있다. 이러한 다양성을 wobble이라 하고, 이것은 anticodon의 5' 끝에 있는 first base에 적용한다. 그러나 second나 third base는 적용시키지 않는다. Anticodon의 first(wobble) base는 codon의 3' 끝에 있는 third base와 수소결합을 형성한다. Anticodon의 wobble position에 있는 염기는 Watson-Click 염기쌍에 의해 분류된 염기에 한하여 일부 다른 염기들과 염기쌍을 형성할 수 있다.

Anticodon의 wobble base가 uracil일 때, 그것은 adenine 뿐만 아니라 guanine과 같은 purine 염기와 염기쌍을 형성할 수 있다. Wobble base가 guanine일 때, 그것은 cytosine과 uracie과 같은 다른 pyrimidine 염기와 염기쌍을 형성할 수 있다. Hypoxanthine purine 염기는 많은 tRNA에서 wobble position을 자주 발생시키고, 이것은 codon의 adenine, cytosine, 그리고 uracil과 염기쌍을 형성할 수 있다. Adenine과 cytosine은 uracil과 guanine과만 염기쌍을 형성할 수밖에 없다.

Wobble hypothesis는 code가 퇴화하는 형태를 약간 알 수 있게 해준다. 전부는 아니지만 많은 경우에 퇴화한 codon에 세번째 염기가 다른 아미노산이 주어졌을 경우, 그것은 anticodon의 wobble base와 짝을 이룬다. tRNA는 일부 codon과 염기쌍을 형성할 수 있기 때문에 극소량의 tRNA가 필요로 한다. 이 결과로 세포는 tRNA를 필요로하는 합성에서 적은 양의 에너지를 사용한다. 또한 wobble base가 있음으로 인해 code를 잘못 읽어 발생할 수 있는 피해를 최소화시켜 준다. 예를 들면, 만약 leucine codon이 CUU라면 mRNA로 transcription되는 동안 CUC, CUA, CUG로 잘못 읽을 수 있고, 이 codon은 단백질을 합성하는 동안 leucine처럼 translation되어 기관에 피해를 주지 않는다.

20.3. Amino Acid Activation

아미노산의 활성화와 aminoacyl-tRNA의 형성은 독립된 두 단계에서 일어나며, 이들 모두는 aminoacyl-tRNA synthetase에 의해 촉매 된다. 우선 아미노산은 adenine nucleotide와 공유결합을 형성하여 aminoacyl-AMP를 생성한다. 결합을 형성시키는 energy는 ATP의 가수분해에 의한 free energy에서 제공받는다. Aminoacyl의 일부는 tRNA로 전달되어 aminoacyl-tRNA를 형성한다.

	Amino acid + ATP → aminoacyl-AMP + PPi Aminoacyl-AMP + tRNA → aminoacyl-tRNA + AMP
	Amino acid + ATP + tRNA → aminoacyl-tRNA + AMP + PPi

Aminoacyl-AMP는 무수 화합물(anhydride)인 carboxylic acid와 phosphoric acid이 혼합되어 있다. Anhydride는 화합물과 반응하기 때문에 aminoacyl-AMP의 가수분해를 위한 free energy의 변화는 전체 반응의 두번째 단계를 돕는다. 반응의 진행을 돕는 다른 것에는 pyrophosphate(PPi)가 orthophosphate(Pi)로 가수분해되어 세포 내에 phosphate를 계속 공급해 줄 때 방출되는 energy가 있다. 합성효소에는 Mg2+가 필요하며, 아미노산과 tRNA가 필요하다.

반응의 두번째 단계에서는 아미노산과 tRNA의 3'-hydroxyl 끝 사이에서 seter bond가 형성된다. 하나의 아미노산에 대해 몇 개의 tRNA가 존재할 수 있지만, 하나의 tRNA는 하나 이상의 amino acid와 결합할 수 없다. 각 합성효소(synthetase)들은 정확한 tRNA와 아미노산을 위해 고도로 특수화되어 있다. 효소의 특수화는 translation 과정의 정확성을 결정짓는다.

20.4. Chain Initiation

사슬의 개시에 대해 서술하는 것은 prokaryote와 eukaryote에서 약간 다르다. Prokaryote에서의 DNA와 RNA 합성 과정은 완벽하게 연구되어 있다. 우리는 E. coli를 특별한 예로 사용할 것인데, 그 이유는 단백질 합성에 대한 모든 형태가 이 박테리아에서 연구되어 왔기 때문이다. 모든 생명체의 polypeptide chain 합성은 N-terminal 끝에서 시작하여 C-terminal 끝으로 성장한다.

Prokaryote에서 모든 단백질의 개시 N-terminal amino acid는 N-formylmethionine(fmet)이다. 그러나 이러한 단량체는 polypeptide chain이 합성되어진 후에 posttranslation 과정을 통해 제거될 수 있다. E. coli에서 methionine에 대한 tRNA는 두 종류가 있는데, 하나는 변형되지 않은 methionine과 N-for- mylmethionine을 위한 tRNA이다. 이러한 두 종류의 tRNA를 tRNAmet와 tRNAfmet라 한다. Aminoacyl-tRNA는 met-tRNAmet와 met-tRNAfmet라 부르는 methionine을 형성한다. met-tRNA의 경우 formylation 반응은 methionine이 tRNA에 결합된 후에 일어나고, N-formylmethionine-tRNAfmet(fmet- tRNAfmet)를 생성한다. Formyl group의 원료는 N10-formyltetrahydrofolate이다. tRNAmet와 결합하는 me- thionine은 포름산화(formylated)되지 않는다.

두 tRNA(tRNAmet과 tRNAfmet)는 모두 mRNA의 5'-AUG-3'과 염기쌍을 형성하는 특별한 염기서열인 세 개의 염기(triplet)를 가지고 있다. tRNAfmet의 UAC는 AUG triplet을 인식하고, 이것이 poly- peptide 합성을 일으키는 mRNA 사슬의 시작에서 발생할 때 시작 신호가 된다. tRNAmet의 UAC triplet 또한 triplet인 codon은 특별한 아미노산이 polypeptide chain이 신장할 때 첨가된다. Codon과 수소결합에 의해 연결된 tRNA triplet을 anticodon이라 부른다. Anticodon은 앞에서도 설명했지만 mRNA의 codon에 역으로 진행하며 상보적이다. 시작 신호는 Shine-Dalgarno 사슬(5'-GGAGGU-3')이라는 mRNA 절편의 선도에 의해 진행되며, 일반적으로 AUG 시작 신호의 윗 부분(RNA의 5' 끝 근처)에 약 10개의 nucleotide가 배열해 있다. mRNA의 유전정보는 5'에서 3' 끝으로 읽어진다. 선행하는 mRNA는 16S rRNA subunit의 3' 부위와 염기쌍을 형성하는 리보솜의 30S subunit와 결합한다.

Polypeptide 합성의 시작에는 initiation complex(개시 화합물)의 생성이 필요하다. Initiation complex의 생성에는 mRNA, 30S ribosomal subunit, fmet-tRNAfmet, GTP, 그리고 IF-1, IF-2, IF-3라 부르는 세 종류의 initiation factor(protein)를 포함하여 최소한 8개의 구성 성분이 필요하다. IF-3 protein은 mRNA가 30S ribosomal subunit에 결합하는 것을 촉진시켜 주는 것으로 믿어진다. IF-3 protein은 또한 50S subunit가 미리 결합하는 것을 방지해 주며, 개시 단계의 다음 단계에 일어난다. IF-2는 GTP와 결합하여 aminocylate되어 사용할 수 있는 모든 tRNA로부터 initiator tRNA(fmet-tRNAfmet)의 선택에 도움을 준다. IF-1의 기능은 완전하게 밝혀지지는 않았지만, IF-3, IF-2와 결합하여 이들 둘의 활성을 촉진시키는 것으로 추측된다. mRNA의 합성 결과인 30S ribosomal subunit와 fmet-tRNAfmet는 30S initiation complex이다. 50S ribosomal subunit는 30S initiation complex와 결합하여 70S initiation complex를 생성한다. 이 과정은 GTP가 GDP와 Pi로 가수분해되어 energy를 제공해 줌으로써 촉진된다. 이때 initiation factor가 동시에 방출된다.

Eukaryote에서의 chian initiation 과정은 아직 bacteria에서 연구된 것만큼 연구되지는 않았지만, 약간의 차이가 있다는 것이 알려져 있다. Eukaryote에서 개시에 사용되는 아미노산은 N-formylmethio- nine이 아니라 emthionine이다. Methionine을 위한 두 개의 tRNA는 eukaryote에서 발견되며, 이들 중 하나는 E. coli의 formylase 효소에 의해 fmet-tRNA를 생성할 수 있다. Eukaryote는 tRNA의 특성 때문이라기 보다는 적당한 효소가 부족하기 때문에 반응할 수 있는 능력을 가지고 있지 않다. Eukaryote에는 Shin-Dalgarno 사슬이 존재하지 않는다. Kukaryote에도 eIF-1, eIF-2 등과 같이 최소한 8 종류의 initiation factor를 가지고 있으며, "e"자는 prokaryote의 initiation factor와 구별하기 위해 사용한다. Eukaryote의 initiation factor에 대해 알려진 것은 prokaryote의 것에 비해 추측에 불과하지만, eukaryote의 단백질은 현재 연구 대상이 되고 있다.

20.5. Chain Elongation

Porkaryote 단백질 합성의 신장(elongation) 단계는 사실상 70S ribosome의 50S subunit에 나타나는 tRNA를 위한 두 개의 binding site를 사용한다. 두 개의 tRNA binding site를 P(peptidyl) site와 A(aminoacyl) site라 부른다. P site는 peptide chain을 수송하는 tRNA와 결합하고, A site는 aminoacyl-tRNA와 결합한다(chain eloagation은 ribosome에 있는 third site가 있는데, 그것은 tRNA를 deacylatie하기 위한 E(exit) site이다). Chain elongation은 mRNA에 의해 특수화된 두번째 아미노산이 70S initaition complex에 첨가되면서 시작된다(Step 1). Ribosome에 있는 P site는 70S initiation complex의 fmet-tRNAfmet에 의해 처음으로 점유된다. 두번째로 aminoacyl-tRNA는 A site에 결합한다. tRNA 염기의 A tirplet(AAA anticodon의 예를 들어보자)은 mRNA 염기의 triplet(이 예에서 phenylalanine을 지정하는 codon인 UUU)과 수소결합을 형성한다. 게다가 GTP와 두 종류의 elongation factor 단백질 즉, EF-Tu와 EF-Ts(온도에 불안정한(temperature-unstable) elongation factor와 온도에 안정한(temperature-stable) elongation factor)는 aminoacyl-tRNA가 A site에 결합하는데 필요하다. GTP는 이 과정에서 GDP와 Pi로 가수분해된다(Step 2A).

Peptide bond는 peptidyl transferase에 의해 촉매되는 반응에서 형성되며, 이 반응은 50S subunit 부위에서 일어난다(Step 3). N-formylnethionyl 잔기의 carboxyl group은 A site에서 tRNA와 결합하고 있는 아미노산의 amino group에 전달된다. 이제 A site에는 dipeptidyl-tRNA가 있고, 아미노산이 없는 tRNA(uncharged tRNA)는 P site에 붙어 있게 된다.

Translation 단계는 성장하는 사슬에 또 다른 아미노산이 첨가될 수 있기 전에 일어난다(Step 4). 이 과정에서 충전되지 않은 tRNA는 P site로부터 방출되고, peptidyl-tRNA가 A site로부터 자리가 빈 P site로 이동한다. 게다가 mRNA를 ribosome을 움직이는데 관여한다. 이 지점에서 또 다른 elongation factor인 EF-G 단백질이 필요하며, GTP가 GDP와 Pi로 가수분해되는 반응이 한 번 반복된다.

사슬 성장의 세 단계는 aminoacyl-tRNA 결합, peptide bond 형성, 그리고 translocation(Step 1, 3, 4)이다. 이 과정은 mRNA의 유전정보가 정지신호에 도달할 때까지 반복된다. 그림 20.8의 Step 2A에서 2C까지의 과정은 aminoacyl-tRNA의 regeneration 단계를 보여준다.

단백질 합성의 이러한 단계에 대한 많은 양의 정보는 inhibitor의 사용에 의해 얻어진다. Aminoacyl-tRNA의 3' 끝과 구조적으로 유사한 puromycin은 chain elongation 연구에 유용한 시험재료가 된다. 이러한 종류의 실험에서 puromycin은 A site와 결합하고, peptide bond는 신장하는 polypeptide의 C-terminal과 puromycin 사이에서 형성된다. Peptidyl puromycin은 ribosome과 약하게 결합하고 있어서 쉽게 분리된다. 이 결과로 인해 종결이 너무 빨리 일어나게 되고, 단백질은 불완전하게 된다. Puromycin은 또한 P site와 결합하여 비록 peptidyl-tRNA와 반응하지 않지만 trnaslocation 과정을 방해한다. A site와 P site의 존재 유무는 이러한 puromycin 실험에 의해 확인될 수 있다.

Elongation 과정의 주요 특징은 prokaryote와 eukaryote에서 모두 동일하지만, 세부적인 과정에서는 그렇지 않다. 이러한 차이점은 단백질 합성의 inhibitor나 독소에 대한 반응에 의해 볼 수 있다. 항생물질인 chloramphenicol(chloromycetin)은 A site에 결합하여 prokaryote의 peptidyl transferase 활성을 억제하지만, eukaryote에서는 그렇지 않다. 이러한 특징은 chloramphenicol을 박테리아 감염을 처리하는데 유용하게 한다. Eukaryote의 diphtheria 독소는 단백질로서 진핵생물의 elongation factor인 eEF-2의 활성을 감소시켜 단백질 합성을 방해한다.

20.6. Chain Termination

단백질 합성을 종료하는 데는 정지신호가 필요하다. 정지신호에는 UAA, UAG, UGA codon이 있다. Elongation factor(RF-1 또는 RF-2)를 방출하는 두 단백질 중 하나는 GTP를 필요로 하며, 세번째로 방출하는 RF-3와 결합한다. RF-1은 UAA, UAG 그리고 RF-2는 UAA, UGA와 결합한다. RF-3는 어떠한 codon과 도 결합하지 않지만, 두 개의 방출된 다른 factor들의 활성을 촉진시킨다. RF-1과 RF-2는 모두 종결 codon에 도착하게 될 때, ribosome의 A site 근처에 결합하게 된다. 방출한 factor는 새로운 aminoacyl-tRNA의 결합을 방해할 뿐만 아니라 peptidyl transferase의 활성에도 영향을 미친다. 그래서 peptide의 carboxyl 끝과 방출된 factor, tRNA, 30S와 50S ribosomal subunit로 자유롭게 고정된다. 이런 모든 구성성분들은 다음 단백질 합성에 재 사용될 수 있다.

20.7. Posttranslational Modification of Protein

새롭게 합성된 polypeptide는 생물학적 활성을 갖기 전에 종종 가공 과정을 거친다. Preproinsulin과 분열에 의해 proinsulin이 생성되고, proinsulin의 분열에 의해 insulin이 형성되는 것처럼 전구체(precursor)의 특별한 결합은 가수분해될 수 있다. 단백질은 세포의 특정한 부위에 분비되기 위해 미리 정해져 있거나, 세포는 N-terminal 끝에 leader sequence를 가지고 있다. 목적지에 맞는 단백질을 지시해 주는 leader sequence는 protease에 의해 인지되고 제거되어 endoplasmic reticulum에 모아진다. 단백질이 Golgi apparatus로 모두 들어가게 되면, 최종 목적지로 이동하게 된다.

결합의 파괴에 의한 단백질 가공과정에 대해 부가설명을 하자면, 다른 물질들은 새롭게 형성된 polypeptide와 결합을 형성할 수 있다. Heme group과 같은 다양한 cofactor들이 첨가되어 disulfide bond를 형성한다. 일부 아미노산 잔기들은 또한 proline이 변화하여 hydroxyproline을 형성하는 것처럼 공유결합으로 전환된다.

20.8. Polysomes & The Simultaneous Production of Several Copies of The Same Polypeptide

하나의 ribosome에서 일어나는 단백질 합성 반응을 알아보았지만, 그것은 같은 mRNA에 붙어 있는 여러 개의 ribosome에 대해 설명하지 않았다. 각각의 ribosome은 독립적으로 일어나는 다양한 단계 중 한 단계에서 polypeptide를 생성하며, ribosome의 위치는 마치 mRNA를 따라 움직이는 것처럼 결합해 있다. 몇 개의 ribosome이 mRNA에 결합되어 있는 복합체를 polysome(polyribosome의 약어)라 한다.

Prokaryote에서는 translation이 mRNA의 transcription이 끝난 직후에 시작된다. mRNA는 가능한한 많은 ribosome을 부착시켜서 다양한 단계에서 translation을 진행시킨다. 이러한 상태에서 일부 RNA, polymerase 분자는 한 가닥의 유전자에 결합하여 일부 mRNA 분자를 형성하고, 여기에는 수많은 ribosome이 붙어 있다. Prokaryote의 유전자는 동시에 transcription과 translation이 일어난다. 이런 과정을 coupled translation이라 한다. Eukaryote의 mRNA는 핵에서 형성되고, 단백질 합성은 세포질에서 일어난다.

20.9. Genetic Regulation of Transcription & Translation

일부 단백질은 매번 세포에 의해 합성되는 것이 아니다. 이런 단백질의 생성은 inducer(유도물질)라고 하는 적당한 물질의 존재에 의해 시작될 수 있다. 이러한 현상을 induction(유도)이라 하며, 이 과정은 유전자의 조절 하에 있다. 유도할 수 있는 단백질의 가장 잘 알려진 예에는 E. coli에 있는 Ղ-galactosidase 효소이다. 이탄당인 lactose(Ղ-galactoside)는 Ղ-galactosidase의 기질이다. 이 효소는 galactose와 glucose 사이에 glycosidic linkage를 형성하며, 가수분해되어 lactose의 구성물질인 일탄당을 생성한다. E. coli는 유일한 탄소 공급원인 lactose를 원료로 생존할 수 있다. Bacteria는 lactose의 탄소를 감소시키는 첫번째 단계를 촉매하는데 Ղ-galactosidase가 필요하다. Ղ-galactosidase의 생성은 glucose와 같이 다른 탄소원이 존재하지 않고 lactose가 있는 상태에서만 일어난다. Lactose는 inducer이고, Ղ-galactosidase는 유도할 수 있는 효소이다.

1961년에 Jacob과 Monod는 마지막 절에서 주어진 실험적 사실을 설명하는 이론을 제안하였다(이 이론의 주요 특징은 더 발전된 실험 결과에 의해 지지되었다). 이 관점에 따르면 Ղ-galactosidase와 같이 유도될 수 있는 단백질의 실제적인 생성은 structural gene(Z, 구조유전자)의 조절 하에서 이루어진다. 구조유전자의 염기 사슬은 단백질의 아미노산 사슬로부터 특수화되어 있다. 하나 또는 그 이상의 구조유전자 발현은 regulatory gene(I, 조절유전자)의 조절 하에서 교대로 이루어진다. 그리고 조절 유전자의 기능 형태는 이 이론의 특징 중 가장 중요하다. 조절유전자는 repressor라는 단백질을 생성하는데 책임이 있다. 단어가 의미하는 것처럼 repressor는 구조유전자의 발현을 억제한다. Inducer가 있는 상태에서는 억제가 제거된다.

Repressor는 operator(O)라고 알려진 DNA 부위에 결합함으로써 영향을 미친다. Repressor가 operator에 결합할 때, RNA polymerase가 인접한 promoter regeion(P)에 결합할 수 없기 때문에 구조유전자의 발현을 촉진한다. Operator와 promoter는 모두 조절부위를 구성한다.

유도에서 유도물질(inducer)은 repressor와 결합하여 operator와 결합할 수 없는 비활성 repressor를 생성한다. Operator가 더 이상 repressor와 결합하지 않기 때문에, RNA polymerase는 이제 promoter와 결합할 수 있고, transcription과 구조유전자의 translation이 일어날 수 있다. Promoter, operator, 그리고 구조유전자를 통틀어 operon이라 부른다. Promoter와 operator로 구성된 조절부위는 DNA 사슬에서 구조유전자와 인접해 있지만 조절유전자는 operon과 비교적 떨어져 있다(E. coli의 operon에 있는 조절유전자는 promoter와 근접해 있다).

E. coli가 탄소원인 lactose 배지 하에 있을 때, Ղ-galactosidase는 단백질을 유도할 수 없다. 다시 말하면, 이런 operon을 구성하는 일부 구조유전자를 lac operon이라 부른다. Ղ-galactosidase에 더하여 lac operon은 permease와 acetyltransferase라는 두 효소의 생성에 관여한다. Permease는 lacose를 세포 내로 능동 수송하는 것을 조정한다. 그러나 acetyltransferase는 아직 잘 알려지지 않았다. lac-operon의 구조유전자는 Z gene이며, Ղ-galactosidase를 지정하고 있다. 그리고 Y gene은 permease를 지정하며, A gene은 acetyltransferase를 지정한다.

lac operon은 E. coli에 glucose가 없고, 탄소 공급원인 lactose만 있을 때 유도된다. Glucose와 lactose 모두 있을 때 세포는 lac protein을 만들지 못한다. Glucose에 의해 lac protein의 합성이 억제되는 것을 catabolite repression이라 한다. 이런 기작에 의해 E. coli는 glucose가 존재하는 것을 인지하여 promoter gene을 작동시킨다. Promoter에는 두 부위로 구성된다. 하나는 RNA polymerase 입력 부위이고, 다른 하나는 catabolite activator protein(CAP)라는 또 다른 조절단백질을 위한 binding site이다. RNA polymerase를 위한 binding site는 또한 operator 부위의 repressor를 둘러싸고 있다.

CAP protein이 promoter에 결합하는 것은 3',5'-cyclic AMP(cAMP)의 유무에 따라 조절된다. Glucose가 없을 때 cAMP가 형성하여 세포에 굶주림 신호를 제공한다. CAP는 cAMP와 결합하여 복합체를 형성한다. 이 복합체는 promoter 부위에 있는 CAP site에 결합한다. 복합체가 promoter에 있는 CAP site와 결합할 때, RNA polymerase는 promoter에 있는 RNA polymerase 입력 부위에 강하게 결합한다. 만약 동시에 lactose가 존재한다면, repressor-inducer 복합체가 형성되어 RNA polymerase는 입력 부위에 결합할 수 있게 되고, transcription을 진행한다.

Glucose가 세포에 적당히 공급될 때 cAMP의 수준을 낮다. CAP는 cAMP와 완전히 복합체를 이루었을 때만 promoter에 결합할 수 있다. CAP-cAMP 복합체가 promoter에 결합할 수 없을 때 RNA polymerase를 결합 부위에 들어오지 못하게 하고, lac operon 단백질은 생성되지 않는다. lac operon은 cAMP-CAP 복합체에 의해 양성적으로 조절된다고 가정하면, repressor에 의해 음성적으로 조절된다.

Repressor에 의해 transcription과 translation을 조절하는 방법에는 또 다른 것이 있다. 몇몇의 경우에 corepressor는 repressor 단백질에 결합한다. Repressor-corepressor 복합체는 operator에 결합할 수 있지만, repressor 하나로는 결합할 수 없다. E. coli의 tryptophan operon은 corepressor에 의해 조절되는 operon의 예이다. 이 operon은 효소 생성을 위해 다섯 개의 구조유전자를 포함한다. 이러한 operon의 corepressor는 tryptophan 자체이다. Trytophan이 충분할 때 세포는 이러한 다섯 가지 효소를 위한 mRNA를 생성하거나 효소 스스로를 생성하는데 필요한 에너지를 사용하는 것이 필요하지 않다. Tryptophan이 필요하게 될 때, 세포는 trytophan을 생성하고, 게다가 효소와 mRNA를 필요로 하게 된다.

20.10. Viruses, Cancer, and AIDS

이제 우리는 DNA의 replication transcription 그리고 trnaslation에 관계되는 과정에 대해 어느 정도 알고 있으며, 서로 작동하는 모든 과정에 대해 이야기할 수 있다. 이러한 반응의 상호작용이 어떻게 일어나는지 가장 잘 보여주는 예로는 바이러스 감염이다. 바이러스들은 암을 발전시키는 일을 수행한다. 이러한 바이러스 중 가장 익명 높은 것은 AIDS의 원인이 되는 human immunodeficiency virus(HIV)이다. 그러면 이제 암과 AIDS에서 바이러스의 역할에 대해 알아볼 것이다.

생명체의 감염은 SV40에 의해 감염된 결과이다. 원숭이의 세포가 감염되었을 때, 바이러스는 세포로 들어가고 그것의 단백질 coat를 잃는다. 바이러스의 DNA는 mRNA로 나타나고, 다시 단백질을 합성한다. 바이러스의 coat protein에 의해 일어나는 large-T protein이 가장 먼저 합성되어 바이러스 DNA의 replication을 일으키게 한다. 바이러스는 DNA 복제와 단백질 합성을 위한 세포 기관을 인계 받는다. 새로운 바이러스 조각들은 모여지게 되고, 감염된 세포는 터져 새로운 바이러스 조각이 방출되어 다른 세포를 감염시킨다.

SV40이 설치류의 세포를 감염시킬 때는 이와 다르다. Large-T protein의 생성 과정은 거의 비슷하지만 바이러스 DNA의 복제는 일어나지 않는다. 세포 안에 이미 존재하는 SV40의 DNA는 사라지거나 숙주 세포의 DNA로 옮겨갈 수 있다. SV40의 DNA가 사라지면 감염의 결과는 나타나지 않는다. 만약 SV40의 DNA가 숙주 세포의 DNA로 끼어들게 되면 감염된 세포는 자신의 성장을 조절하는 능력을 잃게 된다. Large-T protein의 누적에 의해 감염된 세포는 암과 비슷한 행동을 한다. 암을 유발시키는 large-T gene를 oncogene이라 한다.

Oncogene은 바이러스에 의해 한 세포에서 다른 세포로 이동할 수 있지만, 이것들은 보통 오래 전에 바이러스에 의해 감염되었던 세포에서 기원한다. 이러한 유전자의 유사점은 다양한 종의 일반적인 세포에 존재하며, 세포들은 바이러스에 의해 감염되지 않았다는 것이다. 바이러스에 의한 감염이 일어날 때 유전자는 변형된다. 유전자의 변화는 세포를 암 세포로 만드는 결과를 초래한다. 바이러스의 oncogene은 많은 바이러스의 genome에서 구조화되고, 바이러스의 복제에 필요한 유전자를 따라 이동된다. DNA 바이러스의 oncogene은 세포 내에서 일반적인 유사성을 나타내지 않지만, 이러한 상태는 RNA 바이러스와 다르다.

Oncogene을 전달하는 바이러스는 retrovirus(RNA genome을 DNA로 복제하는데 reverse transcriptase를 사용하는 RNA 바이러스)이다. RNA tumor viruse는 1911년에 발견되어 Rous sarcoma virus라 알려졌고, 이 retrovirus는 닭의 육종(sarcoma; 조직을 연결시키는 종양)을 일으킨다. 그림 20. 17은 일부 retrovirus의 genome을 보여준다. 바이러스의 DNA가 reverse transcriptase의 활동에 의해 생성될 때 숙주 세포의 DNA로 끼어들어가게 된다. 그것이 oncogene의 비정상적인 조절이나 비정상적인 산물의 축적, 또는 이들 모두의 진행에 의해 종양을 일으키는지는 아직 알려지지 않았다.

인체에서 암을 유발시키는 retrovirus는 leukemia(백혈병; 면역계의 T cell이 감염되는 질병으로 HTLV-Ⅰ과 HTLV-Ⅱ에 의해 발생)가 잘 알려진 예이다. 그러나 그것의 명성은 HIV와 밀접하게 관계된 병에 의해 희미해 졌다. HIV의 활동 양상은 retrovirus의 기능 형태를 보여준다. HIV의 감염은 세포 표면에 있는 receptor에 바이러스가 결합할 때 시작된다고 알려져 있다. 바이러스의 중심부는 세포 내로 삽입되고 부분적으로 붕괴시킨다. Reverse transcriptase는 바이러스의 RNA로부터 DNA를 형성하는 과정을 촉매한다. 바이러스의 DNA는 숙주세포의 DNA 속으로 끼어들어 간다. 끼어들어간 바이러스의 DNA를 함유하고 있는 DNA는 RNA로 transcription된다. 가장 먼저 생성되는 작은 RNA는 바이러스의 조절 단백질의 아미노산 서열을 특수화시킨다. 다음에 만들어지는 커다란 RNA는 바이러스의 효소와 coat protein의 아미노산 서열을 특수화시킨다. 바이러스의 protease는 새로운 바이러스 조각의 발생에서 특별한 중요성을 나타낸다. 바이러스의 RNA와 단백질은 모두 바이러스의 발생에 관계되어 있다.

HIV의 reverse transcriptase는 replication에서 매우 정확한 것은 아니다. 이 결과로 인해 HIV는 빠른 돌연변이를 일으키고, 이러한 상태는 AIDS를 치료하려고 하는 도전을 어렵게 만든다. 그래서 효과적인 치료 방법은 HIV의 다양한 생활 주기에 영향을 주는 약이 필요하다.