[ 유전자 발현 기작]

[ 유전자 발현 기작]

Chapter 08

 유전자의 정보내용은 DNA에서 뉴클레오타이드의 특정서열의 형태이다.

 물려받은 DNA는 단백질의 합성을 지배함으로서 특정형질을 초래한다.

 DNA가 단백질합성을 하게하는 과정인 유전자발현은 전사(transcription)와 번역(translation)이라는 두 단계를 거친다.

유전정보의 흐름

유전자 발현 (기본적인 원리)

 DNA에서 단백질로 이르게 하는 것은 전사와 번역이라는 두 단계를 필요로 한다.

 전사는 핵(nucleus)안에서 일어난다.

 전사는 DNA에 있는 정보로부터 mRNA (messenger RNA, 전령 RNA)를 합성하는 것이다.

 진핵세포의 RNA 전사체는 RNA 가공을 통하여 완성된 mRNA가 만들어진다.

 번역은 mRNA의 정보를 이용하여 폴리펩타이드(polypeptide, 단백질)를 합성하는 것이다.

 진핵세포의 mRNA는 핵 밖으로 나가서 세포질의 리보솜(ribosome)에서 번역이 일어난다.

전사와 번역의 기본 개념

유전자 발현 (기본적인 원리)

전사와 번역의 기본 원리: Animation

유전자 발현 (기본적인 원리)

 20개의 아미노산이 있으나 DNA는 4개의 염기가 있다.

 유전자에서 단백질로의 정보의 흐름은 염기 세개의 암호에서 기인한다.

 번역과정에서 mRNA 세개 염기, 즉 코돈은 5’에서 3’방향으로 읽혀진다.

 각 코돈은 아미노산 20개 중 하나를 지정하게 한다.

유전암호: 코돈 (codon)

유전자 발현 (기본적인 원리)

유전암호: 코돈 (codon)

 64개의 모든 코돈이 1960년대 중반에 결정되었다.

 61개는 아미노산을 암호화하고 3개는 번역을 멈추라는 종결코돈이다.

 유전암호는 반복되어있다: 한 개 이상의 코돈이 특정 아미노산을 지정한다.

 그러나 이는 모호한 것은 아니다: 하나 이상의 아미노산을 지정하는 코돈은 없다.

 코돈은 특정 폴리펩타이드가 만들어지도록 하기 위해 정확하게 읽혀져야 한다.

 코돈은 한번에 하나씩 중복되지 않는 방식으로 읽혀진다.

유전자 발현 (기본적인 원리)

 유전암호는 간단한 박테리아에서부터 가장 복잡한 동물에 이르기까지 거의 보편적이다.

 유전자는 한 종에서 다른 종에 이식된 후에도 전사와 번역이 될 수 있다.

다른 생물에서의 유전자 발현

유전암호: 코돈 (codon)

유전자 발현 (기본적인 원리)

 RNA 중합효소에 의해 촉매된다.

 DNA 가닥이 분리되고 RNA 뉴클레오타이드를 서로 연결하는 것이다.

 RNA중합효소는 5’에서 3’ 방향으로 폴리뉴클레오타이드를 조립한다.

 DNA 중합효소와는 다르게, RNA 중합효소는 프라이머(primer) 없이 사슬을 시작할 수 있다.

유전자 발현 (전사, transcription)

전사의 과정

전사의 과정

 전사는RNA 중합효소가 전사 개시 부위인 프로모터에(promoter)에 결합함으로써 시작된다.

 이중가닥 DNA가 풀리면서 그 중한 가닥이 주형으로 작용하게 된다.

 RNA 중합효소가 DNA 주형을 읽어나가면서 폴리뉴클레오타이드가 신장된다.

 RNA 중합효소가 종결 부위에 다다르면 RNA 전사물이 떨어져 나오면서전사가 종결된다.

유전자 발현 (전사, transcription)

Animation: Transcription introduction

유전자 발현 (전사, transcription)

 RNA 중합효소가 부착하는 DNA 서열을 프로모터라고 부른다.

 전사의 종결을 알리는 서열을 종결자라고 한다.

 전사되는 DNA 영역을 전사단위라고 부른다.

 전사인자는 RNA 중합효소의 부착과 전사의 개시를 중개한다.

 프로모터에 전사인자와 RNA 중합효소의 완전히 형성되면 전사개시 복합체라고 한다.

 TATA 상자라는 프로모터는 진핵세포에서 개시복합체를 형성하는데 매우 중요하다.

유전자 발현 (전사, transcription)

전사의 과정 (개시 initiation, 신장 elongation, 종결 termination)

 진핵세포의 핵 안에 있는 효소들은 유전적 메시지가 세포질로 내보내지기 전에 mRNA 전구체를 변형시킨다 (RNA 가공).

 RNA를 가공하는 동안에 일차 전사체의 양끝이 변형된다.

 5’ 말단은 변형된 G 뉴클레오타이드 캡(5’ cap)

 3’ 말단은 폴리 A 꼬리(poly A tail)

 이러한 변형은 여러 기능을 가진다.

 mRNA를 세포질로 내보내는 것을 돕는다.

 mRNA를 가수분해효소로부터 보호한다.

 리보솜(ribosome)에 5’ 말단이 부착하는 것을 돕는다.

RNA의 가공: 5’ cap & poly (A) tail

유전자 발현 (전사, transcription)

 대부분의 진핵세포 mRNA는 암호화 영역사이에 기다란 비암호화 영역이 있다.

 비암호화 영역은 인트론(intron) 또는 개재서열(intervening sequence)이라고 한다.

 다른 영역인 엑손(exon)은 아미노산 서열로 번역된다.

 RNA 스플라이싱은 인트론을 제거하고 엑손을 연결하여 mRNA 분자를 연속적인 암호화 서열을 만들어낸다.

RNA의 가공: Splicing (스플라이싱, 잘라 잇기)

유전자 발현 (전사, transcription)

mRNA 전구체를 스플라이싱하는 스플라이싱 복합체

RNA의 가공: Splicing (스플라이싱, 잘라 잇기)

유전자 발현 (전사, transcription)

Animation: RNA 가공

RNA 가공 후 세포질로 이동

번역의 기본 개념

 mRNA (messenger RNA, 전령 RNA)

 tRNA (transfer RNA, 운반 RNA)

 세포질(cytosol) 내 리보솜(ribosome)에서

 번역은 생화학적으로나 기계적으로 복잡한 과정

유전자 발현 (번역, translation)

 tRNA는 한쪽 끝에 아미노산을 다른 끝에는 mRNA상의 코돈과 상보적으로 결합하는 염기 세개를 가지고 있다.

 정확한 번역을 위해 다음 두 단계가 중요하다.

• 첫째, 아미노아실(aminoacyl) tRNA 합성효소에 의해 이루어지는 tRNA와 아미노산의 올바른 결합

• 둘째, tRNA의 역코돈과 mRNA의 코돈의 올바른 결합

tRNA의 구조

유전자 발현 (번역, translation)

아미노아실 tRNA의 합성

유전자 발현 (번역, translation)

 아미노아실 tRNA 합성효소 촉매

 tRNA와 아미노산 공유결합(ATP 소모)

 아미노산이 결합된 tRNA 방출

 리보솜에는

• P 자리는 성장하는폴리펩타이드사슬을 달고 있는 tRNA의 자리

• A 자리는 사슬에 추가될 다음아미노산을 달고 있는 tRNA의 자리

• E 자리는 아미노산을 떼어낸 tRNA가 리보솜을 떠나는출구 자리

유전자 발현 (번역, translation)

리보솜의 구조 및 기능

유전자 발현 (번역, translation)

리보솜의 구조 및 기능

The structure of ribosomes. Our understanding of ribosome structure has been greatly enhanced by multiple high-resolution images of the ribosomes from

bacteria and yeast.

(a) The bacterial ribosome. The 50S and 30S subunits come together to form the 70S ribosome. A cleft between them is where protein synthesis occurs.

(b) The yeast ribosome has a similar structure with somewhat increased complexity.

유전자 발현 (번역, translation)

번역의 과정

 리보솜 단위체, 아미노아실 tRNA, mRNA

 아미노산 사이에 펩타이드 결합

 리보솜 5` > 3` 이동하면서 폴리펩타이드 신장

 종결코돈에서 리보솜 해체, mRNA 분리

Animation: Translation introduction

유전자 발현 (번역, translation)

번역의 기본 원리

 번역의 세단계: 개시(initiation), 신장(elongation), 종결(termination)

 GTP의 가수분해로 에너지가 공급된다.

 개시(initiation)

• 초기단계는 mRNA, tRNA와 첫번째 아미노산, 두개의 리보솜 소단위체를함께 모으는 것이다.

• 리보솜 작은 소단위체는 mRNA,특별한 개시 tRNA와 결합한다.

• 다음, 작은 소단위체는 mRNA를 따라서개시코돈 (AUG)에 도달할 때까지 이동한다.

 신장(elongation)

• 사슬이 신장하는 동안아미노산이 하나씩 신장하는 사슬의 C-말단에 첨가된다.

• 각각의 첨가에는 신장인자라고 부르는 단백질이 관여하고세 주기로 이루어진다: 코돈인식, 펩타이드 결합 형성, 이동

• 번역은 mRNA를 따라서5’에서 3’으로 진행된다.

 종결(termination)

• 번역의 종결은 mRNA에종결코돈이 리보솜의 A 자리에 위치하면 일어난다.

• A 자리는방출인자라는 단백질을 받아들인다.

• 방출인자는 tRNA로부터 폴리펩타이드를가수분해하고 방출되게 한다.

• 복합체가 해체되면서 번역이 종료된다.

Overview of protein synthesis

An overview of the five stages of protein synthesis.

1 The tRNAs are aminoacylated. 2 Translation initiation occurs when an mRNA and an aminoacylated tRNA are bound to the ribosome. 3 In

elongation, the ribosome moves along the mRNA, matching tRNAs to each codon and catalyzing peptide bond formation. 4 Translation is terminated at a stop codon, and the ribosomal subunits are released and recycled for

another round of protein synthesis. 5 Following synthesis, the protein must fold into its active conformation

유전자 발현 (번역, translation)

유전자 발현 (번역, translation)

Protein synthesis involves five stages

1) Activation of amino acids



tRNA is aminoacylated

2) Initiation of translation



mRNA and aminoacylated tRNA bind to ribosome

3) Elongation



Cycles of aminoacyl-tRNA binding and peptide bond formation…until a STOP codon is reached

4) Termination and ribosome recycling



mRNA and protein dissociate, ribosome recycled

5) Folding and post-translational modification



Catalyzed by a variety of enzymes

유전자 발현 (번역, translation)

단백질의 접힘(folding)과 번역후 변형

 많은 경우, 번역에 의해 합성된 폴리펩타이드 사슬은 아직 기능을 가진 단백질이 아니다.

 폴리펩타이드는 기능을 하기 위해 꼬이고 접힘에 의한 삼차구조와 번역후 변형을 필요로 한다.

번역 후 단백질 변형과 세포 외 분비

유전자 발현 (번역, translation)

자유리보솜과 부착리보솜

 세포안의 리보솜은 두 집단으로 분류: 자유리보솜(세포질)과 부착리보솜(ER과 부착)

 자유리보솜은 대부분이 세포질에서 기능을 하는 단백질을 합성한다.

 부착리보솜은 내막계(핵안)의 단백질을 만들거나 세포밖으로 분비되는 단백질을 만든다.

Components of a typical animal cell:

① Nucleolus

② Nucleus

③ Ribosome (little dots)

④ Vesicle

⑤ Rough endoplasmic reticulum

⑥ Golgi apparatus

⑦ Cytoskeleton

⑧ Smooth endoplasmic reticulum

⑨ Mitochondrion

⑩ Vacuole

⑪ Cytosol

⑫ Lysosome

⑬ Centrosome

⑭ Cell membrane