6장

DNA 서열의 일부가 RNA로 전사 됨

세포가 유전 정보의 필요한 부분을 읽는 첫 번째 단계는 DNA 염기 서열 (유전자)의 특정 부분을 RNA 염기 서열로 복사하는 것입니다. RNA의 정보는 다른 화학 형태로 복사 되긴 하지만 핵산 염기 서열의 언어 인 DNA와 본질적으로 동일한 언어로 작성됩니다. 그러므로 전사라고 합니다. DNA와 마찬가지로 RNA는 포스포디에스테르 결합으로 연결된 네 가지 유형의 뉴클레오티드 서브 유닛으로 만들어진 선형 중합체이다 (그림 6-4). 그것은 두 가지 면에서 DNA와 화학적으로 다르다 : (1) RNA의 뉴클레오티드는 리보 뉴클레오타이드이다. 즉, 그들은 디옥시리보스 보다는 당인 리보스 (ribonucleic acid)라는 이름을 가지고있다. (2) DNA와 마찬가지로 RNA는 염기의 아데닌 (A), 구아닌 (G), 시토신 (C)을 함유하고 있지만 DNA의 티민 대신에 우라실 (U)이 들어있다. T와 같이 U는 A와 수소 결합으로 염기쌍을 형성 할 수 있기 때문에 (그림 6-5), 4 장과 5 장의 DNA에 대해 설명 된 상보적인 염기쌍 특성은 RNA (RNA에서는 RNA, G에서는 C와, A U와 쌍을 이룸). 우리는 또한 RNA에서 다른 유형의 염기쌍을 발견합니다. 예를 들어 G는 때때로 U와 쌍을 이룹니다.

전사는 DNA의 한 가닥에 상보적인 RNA를 생산한다.

세포의 RNA는 DNA 전사에 의해 만들어 지는데, 이 과정은 5 장에서 논의 된 DNA 복제 과정과 일정한 유사점을 가지고 있다. 전사는 각 DNA 가닥의 염기가 노출하기 위해 DNA이중나선의 어떤 작은 부분의 개방과 풀기부터 시작한다.  DNA 이중 나선의 두 가닥 중 하나가 RNA 분자의 합성을 위한 주형으로 작용합니다. DNA 복제와 마찬가지로 RNA 사슬의 염기 서열은 들어오는 뉴클레오타이드와 DNA 주형 사이의 상보적인 염기쌍에 의해 결정됩니다. 올바른 일치가 이루어지면, 들어오는 리보뉴클레오타이드는 효소적 촉매 반응에서 성장하는 RNA 사슬에 공유 결합된다. 따라서 전사에 의해 생성 된 RNA 사슬 (transcript)은 한 번에 하나의 뉴클레오타이드가 길어지며 주형으로 사용 된 DNA 가닥에 정확히 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 갖는다 (그림 6-7). 그러나 전사는 몇 가지 중요한 방법으로 DNA 복제와 다릅니다. 새로 형성된 DNA 가닥과 달리, RNA 가닥은 DNA 주형 가닥에 수소 결합을 유지하지 않습니다. 대신, 리보 뉴클레오타이드가 첨가되는 영역 바로 뒤에서, RNA 사슬이 치환되고 DNA 나선 구조가 재형성된다. 따라서, 전사에 의해 생성 된 RNA 분자는 DNA 주형으로부터 단일 가닥으로 방출된다. 또한 DNA의 제한된 영역에서만 복사되기 때문에 RNA 분자는 DNA 분자보다 훨씬 짧습니다. 인간 염색체의 DNA 분자는 최대 2 억 5 천만 개의 염기쌍 일 수 있습니다. 대조적으로, 대부분의 RNA는 길이가 수천 개의 뉴클레오타이드 길이를 넘지 않으며, 그 중 상당수는 상당히 짧습니다.

세포는 여러 종류의 RNA를 생산합니다

세포의 DNA에 들어있는 대다수의 유전자는 단백질의 아미노산 서열을 나타냅니다. 이 유전자 (궁극적으로는 단백질의 합성을 지시 함)에서 복사 된 RNA 분자를 메신저 RNA (mRNA) 분자라고합니다. 그러나 소수의 유전자의 최종 산물은 RNA 자체입니다. 효모 S. cerevisiae의 게놈 전체 DNA 서열을 면밀히 분석 한 결과 최종 생성물로 RNA를 생산하는 750 개 이상의 유전자 (효모 유전자의 총 수의 10 % 이상)가 잘 밝혀졌습니다. 이 RNAs는 단백질과 같이 세포의 다양한 과정에서 효소 및 구조 성분으로 작용합니다. 5 장에서는 효소 텔로머라아제 (telomerase)에 의해 운반된 그 RNA 중 하나를 배운적 있습니다. 이러한 noncoding RNA의 많은 것들이 여전히 신비스럽긴 하지만, 이 장에서는 작은 핵 RNA (snRNA) 분자가 pre-mRNA의 splicing을 지시하여 mRNA를 형성하고, ribosomal RNA (rRNA) 분자가 ribosomes의 핵심을 형성하며, 트랜스퍼 RNA (tRNA) 분자는 아미노산을 선택하고 단백질에 결합시키기 위해 리보솜 (ribosome) 위에 고정시키는 어댑터를 형성한다. 마지막으로 7 장에서 microRNA (miRNA) 분자와 small interfering RNA (siRNA) 분자가 진핵 생물 유전자 발현의 핵심 조절자라는 것을 알 수있다 (표 6-1).

각각의 전사 된 DNA 부분을 전사 단위라고 부릅니다. 진핵 생물에서 전사 단위는 전형적으로 단지 하나의 유전자에 대한 정보를 담고 있으며 따라서 단일 RNA 분자 또는 단일 단백질 (또는 초기 RNA 전사체가 다른 mRNA를 생산하기 위해 여러 가지 방식으로 스플라이싱되면 관련 단백질 그룹을 코딩한다 ). 박테리아에서, 일련의 인접 유전자들은 종종 한 단위로 전사된다. 이로 인해 생성된 mRNA 분자는 몇 가지 단백질에 대한 정보를 전달합니다. 전반적으로 RNA는 세포의 건조 중량의 몇 퍼센트를 차지합니다. 세포 내의 대부분의 RNA는 rRNA입니다. mRNA는 일반적인 포유류 세포에서 총 RNA의 3 ~ 5 %만을 차지합니다. mRNA 집단은 수만 종의 서로 다른 종으로 이루어져 있으며, 평균적으로 각 세포에 존재하는 rkr mRNA는 10-15 분자만 존재합니다

DNA에서 인코딩 된 신호가 RNA Polymerase 시작 및 멈추는 곳을 지시한다

유전자를 정확하게 전사하기 위해서는 RNA 중합 효소가 게놈의 어느 부분에서 시작하고 어디에서 끝내야하는지 인식해야합니다. RNA 중합 효소가 이러한 작업을 수행하는 방법은 박테리아와 진핵 생물간에 다소 차이가 있습니다. 박테리아에서의 과정이 더 간단하기 때문에 먼저 논의합니다. 전사의 개시는 유전자 발현에서 특히 중요한 단계이다. 왜냐하면 세포가 어느 단백질을 생산하고 어떤 속도로 조절해야 하는지를 세포가 조절하는 주요 지점이기 때문이다. 박테리아 RNA 중합효소 핵심효소는 DNA 주형을 사용하여 RNA를 합성하는 multisubunit complex입니다. sigma (s) factor라고 불리는 분리 가능한 소단위 핵심 효소와 결합하며 전사를 시작할 위치를 알려주는 DNA의 신호를 읽는 데 도움을 줍니다 (그림 6-11). 시그마 인자와 핵심 효소를 합진 것은 RNA polymerase 완전효소로 알려져있다. 이 복합체는 박테리아 DNA에 충돌하여 약하게 부착하고, 완전효소는 전형적으로 긴 DNA 분자를 따라 해리될 때까지 빠르게 움직인다. 그러나, 중합 효소 완전효소가 RNA 합성의 시작점을 나타내는 뉴클레오타이드의 특수 서열인 프로모터라 불리는 DNA 이중 나선의 영역으로 들어가면, 중합효소는 이 DNA에 단단히 결합합니다. Polymerase holoenzyme은 시그마인자를 통해 나선 바깥쪽으로 노출 된 염기 일부분과 특이적인 접촉을 함으로써 promoter DNA 서열을 인식합니다 (그림 6-11의 1 단계). RNA polymerase holoenzyme이 이런 방식으로 promoter DNA에 단단히 결합 된 후에, 이중 가닥을 열어 각 가닥에 짧은 길이의 nucleotide를 노출시킨다 (그림 6-11의 2 단계). DNA 헬리카아제 반응 (그림 5-14 참조)과 달리 나선의 제한된 개방은 ATP 가수 분해의 에너지를 필요로 하지 않습니다. 대신에, 폴리머라제와 DNA는 모두 가역적인 구조 변화를 거쳐 초기 바인딩보다 에너지가 더 좋은 상태가 된다. DNA가 풀리면 두 개의 노출 된 DNA 가닥 중 하나가 주형으로 작용하 들어오는 리보 뉴클레오타이드와 상보적인 염기쌍을 형성하며  두 개의 뉴클레오티드는 RNA 사슬을 시작하기 위해 폴리메라아제에 의해 함께 연결됩니다 (그림 6-11의 3 단계). RNA의 처음 10 개 정도의 뉴클레오타이드가 합성된 후 (중합 효소가 짧은 RNA 올리고머를 합성하고 폐기하는 비교적 비효율적인 과정), 핵심 효소는 프로모터 DNA와의 상호 작용을 파괴하고 시그마 인자와의 상호 작용을 약화시키고 DNA를 따라서 RNA를 합성하면서 움직이기 시작 합니다  한다 (그림 6-11의 단계 4와 5). 효소가 DNA의 두 번째 신호, 즉 터미네이터 (아래에 설명 됨)를 만날 때까지 사슬 연장이 계속됩니다 (아래 설명 참조). 이때 중합 효소는 정지하고 새롭게 생성 된 RNA 사슬과 DNA template (그림 6-11의 7 단계), 폴리 메라 이제 코어 효소가 터미네이터에서 방출 된 후 다시 전사 과정을 시작할 수있는 완전효소를 형성하기 위해 홀로 있는 시그마인자와 재결합합니다.

전사 개시 과정은 복잡하고 RNA 중합 효소 완전효소와 DNA가 일련의 구조 변화를 겪어야 한다. 우리는 이러한 변화가 중합효소의 활성부위(촉매부위) 부위 DNA를 열고 위치시키는 것으로 볼 수 있으며 DNA와 RNA 주위를 효소가 연속적으로 조여 유전자가 전사되기 이전에는 해리되지 않도록 할 수 있습니다. RNA 중합 효소가 조기에 해리되면 합성을 재개 할 수 없고, 프로모터에서 다시 시작해야합니다.

어떻게 DNA의 종결 신호가 연장을 하고 있는 폴리메라이제를 멈추게합니까? 대부분의 박테리아 유전자의 경우 종결 신호는 RNA로 전사 될 때 Watson-Crick 염기쌍을 통해 "헤어핀 (hairpin)"구조로 접혀지는 2 배 대칭 DNA 서열과 그 뒤에 있는 일련의 A-T 뉴클레오티드 쌍으로 구성됩니다 (그림 6-11). 중합 효소가 종결자를 가로 질러 전사 할 때, 헤어핀의 형성은 활성 부위로부터 RNA 전사물을 "끌어 당기는"것을 도울 수있다. 주로 U-A 염기 쌍 (염기쌍 당 3 개가 아닌 2 개의 수소 결합을 형성하기 때문에 G-C 염기쌍보다 덜 안정한)에 의해 종결자에서 서로 붙어 있는 활성 부위의 DNA-RNA 하이브리드는 RNA를 제 위치에 고정시킬 만큼 충분히 강하지 않으서 떨어져 나오며 이로 인하여 DNA로부터 폴리메라아제를 방출한다 (그림 6-11의 7 단계). 따라서, 일부 측면에서, 전사 종결은 개시 동안 일어나는 구조적 변화와 반대의 과정을 수반하는 것으로 보인다. 종료 과정은 또한 이 장에서 공통적인 주제의 한 예입니다 : RNA를 특정 구조로 접는 것은 게놈을 해독하는 많은 단계에 영향을 미칩니다.

전사 시작 및 정지 신호는 염기 서열이 이질적이다(여러가지 염기서열로 되어 있다)

앞서 살펴본 바와 같이, 전사 개시 및 종결 과정은 단백질, DNA 및 RNA 분자에서 복잡한 일련의 구조 전이를 수반한다. 이러한 전환을 일어나게 하는 DNA에 암호화된 신호는 종종 연구자가 인식하기 어렵습니다. 사실, 많은 서로 다른 세균 프로모터의 비교는 놀라울 정도의 변화의 정도를 보여줍니다. 그럼에도 불구하고, 그들은 모두 시그마 인자에 의해 직접적으로 인식되는 DNA의 부분적 측면을 반영하는 관련 서열을 포함하고 있다. 이러한 공통적인 특징은 종종 공통서열 (concensus sequence)의 형태로 요약된다 (그림 6-12). 컨센서스 뉴클레오티드 서열은 동일한 기본 기능을 갖는 많은 서열을 비교하고 각 위치에서 발견되는 가장 공통적인 뉴클레오타이드를 집계함으로써 유도된다. 따라서 다수의 개별 뉴클레오타이드 서열의 요약 또는 "평균"으로서 작용한다. 개별 세균 프로모터의 DNA 서열의 차이가 그들의 강도 (프로모터의 단위 시간당 전서개시의 수)를 결정한다. 진화 과정은 필요한 만큼 자주 전사가 시작되도록 미세 조정되어 있으며 다양한 프로모터들을 만들었습니다. 풍부한 단백질을 코딩하는 유전자의 프로모터는 희귀 단백질을 코딩하는 유전자와 관련된 유전자보다 훨씬 강하며, 그 뉴클레오타이드 서열이 이러한 차이를 일으킨다. 박테리아 프로모터와 마찬가지로, 전사 터미네이터는 광범위한 서열을 가지고 있으며, 가장 중요한 공통 특징인 간단한 헤어핀 RNA 구조를 형성 할 수 있습니다. 거의 무제한의 뉴클레오타이드 서열이 이 잠재 성을 갖기 때문에, 터미네이터 서열은 프로모터 서열보다 훨씬 더 이질적이다.

Eucaryotes의 전사 개시에는 많은 단백질이 필요합니다

단일 유형의 RNA 중합 효소를 포함하는 박테리아와 달리 진핵 세포 핵에는 RNA 중합 효소 I, RNA 중합 효소 II 및 RNA 중합 효소 III가 있습니다. 3 개의 중합 효소는 구조적으로 서로 유사하며 (세균 효소와 유사하다) 공통적인 일부 서브 유닛을 공유하지만, 서로 다른 유형의 유전자를 전사한다 (표 6-2). RNA polymerases I과 III는 transfer RNA, ribosomal RNA 및 다양한 small RNA를 암호화하는 유전자를 전사한다. RNA 중합 효소 II는 단백질을 암호화하는 모든 유전자를 포함하여 대부분의 유전자를 전사하므로, 이후의 논의는 이 효소에 초점을 맞춥니 다. 진핵 생물 RNA 중합 효소 II는 박테리아 RNA 중합 효소 (그림 6-15)와 많은 구조적 유사성을 지니지 만 세균과 진핵 생물 효소가 작용하는 방식에는 몇 가지 중요한 차이가있다

1. 박테리아 RNA 중합 효소는 시험 관내에서 전사 개시를 위한 단 하나의 추가적인 단백질 (요소)만을 필요로하지만, 진핵 생물 RNA 중합 효소는 집합적으로 일반적인 전사 인자라고 하는 많은 추가 단백질을 필요로한다.

2. 진핵 세포 전사 개시는 박테리아 염색체에는 없는 뉴클레오솜과 고차원 형태의 염색질 구조로의 DNA 포장을 다루어야한다.

RNA 중합 효소 II는 일반전사인자를 필요로합니다

일반전사인자는 프로모터에서 진핵 생물 RNA 중합 효소를 정확하게 위치시키는 데 도움이 됩니다. DNA 가닥을 벌려서 전사가 시작되도록 도와주며 일단 전사가 개시되면 프로모터로부터 RNA 중합 효소를 신장 모드로 방출합니다 . <CTAT> 이러한 단백질은 RNA 중합 효소 II가 사용하는 거의 모든 프로모터에서 필요하기 때문에 "일반적"이라고 한다. 서로 상호 작용하는 단백질 집합으로 이루어져 있으며, TFII (폴리메라이제 II의 전사인자)로 표기되며, TFIIB, TFIID 등으로 임의로 표시됩니다. 넓은 의미에서, 진핵 생물의 일반적인 전사 인자는 세균에서의 시그마인자와 동등한 기능을 수행한다. 사실, TFIIF의 한 부분은 시그마의 동등한 부분과 동일한 3 차원 구조를 가지고 있습니다.

그림 6-16은 RNA 중합 효소 II가 사용하는 프로모터에서 일반 전사 인자가 어떻게 결합 하는지를 보여주고 표 6-3은 이들의 활동을 요약 한 것이다. 그 조립 과정은 일반적인 전사 인자 TFIID가 주로 T와 A 뉴클레오타이드로 구성된 짧은 이중 나선형 DNA 서열에 결합 할 때 시작됩니다. 이런 이유로,이 순서는 TATA 순서, 또는 TATA 상자로 알려져 있으며 이를 인식하는 TFIID의 소단위는 TBP (TATA 결합 단백질의 경우)라고합니다. TATA 박스는 전형적으로 전사 개시 사이트로부터 25 염기의 상류에 위치한다. 그것은 전사의 시작을 신호하는 유일한 DNA 서열은 아니지만 (그림 6-17), 대부분의 중합 효소 II 프로모터에서 가장 중요합니다. TFIID의 결합은 TATA DNA에 큰 왜곡을 일으킨다. (그림 6-18). 이 왜곡은 매우 큰 게놈 가운데 활성 프로모터의 위치에 대한 물리적인 표식으로 작용할 것으로 생각되며, 왜곡의 양측에 DNA 서열을 가져와 후속 단백질 조립 단계를 허용합니다. 그런 다음 RNA 중합 효소 II와 함께 다른 요소들이 결합하여 완전한 전사 개시 복합체를 형성합니다 (그림 6-16 참조). 일반적인 전사 인자 중 가장 복잡한 것은 TFIIH입니다. 9 개의 서브 유닛으로 구성되어 있으며, RNA 중합 효소 II 자체와 거의 동일한 크기이며 곧 살펴볼 것처럼 전사 개시에 필요한 몇 가지 효소 단계를 수행합니다. 프로모터 DNA 상에 전사 개시 복합체를 형성 한 후, RNA 중합 효소 II는 전사 시작점에서 주형 가닥에 접근해야한다. TFIIH는 ATP를 가수 분해하고 DNA를 풀어 주므로 주형 가닥을 노출시킴으로써ㅠ이 단계를 가능하게 합니다. 다음으로 세균성 중합 효소와 마찬가지로 RNA 중합 효소 II는 프로모터에서 멀리 이동하여 전사의 연장 단계로 들어가도록 일련의 구조 변화를 겪을 때까지 짧은 길이의 RNA를 합성하면서 프로모터에 남아 있습니다. 이 전이의 핵심 단계는 RNA 폴리머라제 (CTD 또는 C- 말단 도메인으로 알려짐)의 "꼬리"에 인산염 그룹을 추가하는 것입니다. 인간에서 CTD는 RNA 폴리머라제 핵심 구조로부터 뻗어 있는 7 개의 아미노산 서열로 된 52 개의 연속 반복서열으로 구성된다. 전사 개시 동안 반복 서열의 5번째 아미노산 (Ser5)의  TFIIH에 의해 인산화된다. TFIIH는 단백질 키나아제를 다른 서브 유니트에 포함하고있다 (그림 6-16D 및 E 참조). 그런 다음 중합 효소는 일반전사인자 군으로부터 분리 될 수 있다. 이 과정에서 DNA와의 상호 작용을 강화하는 일련의 구조 변화를 거치고 DNA로부터 해리되지 않고 장거리 및 경우에 따라서는 몇 시간 동안 전사 할 수 있도록 하는는 새로운 단백질을 얻습니다. 폴리메라이제 II가 RNA 전사체를 연장하기 시작하면 대부분의 일반전사 인자가 DNA에서 방출되어 새로운 RNA 중합 효소 분자와 같이 다른 전사를 시작할 수 있습니다. 우리가 곧 알 수 있듯이, RNA 중합 효소 II의 꼬리의 인산화는 또한 RNA 가공 기계의 구성 요소가 중합 효소로 실리게 하여 중합 효소에서 나오는 대로 새로 전사 된 RNA를 변형시킬 수 있습니다.

폴리머라아제 II는 Activator, Mediator, Chromatin Modifying Proteins도 필요합니다.

시험 관내에서 정제된 DNA template에 대한 RNA polymerase II와 그 일반적인 전사 인자의 작용에 대한 연구는 방금 설명한 전사 개시 모델을 확립했습니다. 그러나 4 장에서 논의 된 바와 같이 진핵 세포의 DNA는 뉴클레오솜으로 포장되며, 염색질 구조에서 뉴클레오솜은 고차원으로 더 배열된다. 결과적으로, 진핵 세포에서 전사 개시는 보다 복잡하고 정제된 DNA보다 더 많은 단백질을 필요로 한다. 첫째, 전사 인자로 알려진 유전자 조절 단백질은 DNA의 특정 서열에 결합해야하며 RNA 중합 효소 II를 전사 시작점으로 끌어들이는 역할을합니다 (그림 6-19). 그들은 세포가 그들의 유전자의 발현을 조절하는 주요 방법 중 하나이기 때문에 제 7 장에서 활성제의 역할에 대해 논의한다. 여기서 우리는 단순히 진핵 세포에서 DNA 상에 그들의 존재가 전사에 필요하다는 것을 간단히 언급합니다. 둘째로, in vivo에서의 진핵 세포 전사 개시는 활성화 인자 단백질이 중합 효소 II 및 일반적인 전사 인자와 적절하게 통신할 수있게 하는 매개체 (Mediator)로 알려진 단백질 복합체의 존재를 필요로한다. 마지막으로, 진핵 세포에서 전사 개시는 전형적으로 염색질 개조 복합체 및 히스톤 변형 효소를 포함하는 염색질 개조 효소의 국소적 모집을 필요로 한다. 4 장에서 논의했듯이, 두 종류의 효소 모두 염색질에 존재하는 DNA에 더 많이 접근 할 수 있도록 으며 그렇게 함으로써 DNA에 전사 개시 기작을 용이하게 합니다. 우리는 7 장의 전사 개시에서 이들 효소의 역할을 재검토 할 것이다.

전사 연장 (transcriptionment elongation)은 DNA에서 초나선 장력을 생성합니다.

일단 전사가 시작되면, RNA 중합 효소는 DNA 분자를 따라 순조롭게 진행되지 않습니다. 오히려, 그것은 어떤 염기서열에서는 멈추고 어떤  염기서열에서는 빠르게 전사하며 불규칙하게 움직입니다. 박테리아와 진핵 생물 모두에 있어서 RNA 중합 효소에 의한 연장은 RNA 중합 효소가 유전자의 말단에 도달하기 전에 RNA 중합 효소가 해리 될 가능성을 줄이는 일련의 연장 인자 (elongation factor)와 결합되어 있다. 이러한 인자는 일반적으로 개시 직후 RNA 중합 효소와 결합되어있고 유전자에서 발견되는 다양한 DNA 서열을 통과하여 이동하는 것을 돕는다. Eucaryotic RNA 중합 효소는 DNA 주형을 따라 움직일 때 염색질 구조와 경쟁해야하며, 일반적으로 ATP 의존성 염색질 개조 복합체 (215-216 페이지 참조)가 도움을 줍니다. 이러한 복합체는 폴리 메라 이제와 함께 움직이거나 가끔 정지 된 폴리 메라 이제를 찾아 구조 할 수 있습니다. 또한, 진핵 생물 RNA 중합 효소와 관련된 일부 신장 인자는 추가적인 에너지를 필요로하지 않고 뉴 클레오 솜을 통한 전사를 촉진한다. 이것이 어떻게 성취되는지는 아직 자세하게는 알지 못하지만, 이 단백질들은 뉴클레오좀 코어에서 H2A-H2B 이합체를 일시적으로 제거하였다가 중합 효소가 뉴클레오좀을 통과할 때 제자리로 복귀 시킵니다.

박테리아 및 진핵 생물 모두의 RNA 중합효소의 연장에 또 다른 장벽이 있다. 이 문제를 논의하기 위해서는 먼저 DNA supercoiling이라고 불리는 DNA 이중 나선에 내재 된 미묘한 특성을 고려해야합니다. DNA supercoiling은 DNA가 superhelical tension에 반응하여 채택하는 형태를 나타낸다; 반대로, 나선에 다양한 루프 나 코일을 만들면 그러한 긴장감이 생길 수 있습니다. 그림 6-20은 DNA supercoiling을 일으키는 위상 학적 제약을 보여줍니다. DNA 이중 나선에는 모든 헬리컬 턴에 약 10 개의 뉴클레오티드 쌍이있다. 두 개의 끝이 서로에 대해 고정되어있는 나선을 상상해보십시오 (세균성 염색체와 같이 DNA 원 안에 있거나 또는 진핵 생물의 염색체에 존재하는 것으로 생각되는 단단히 고정 된 루프에서와 같이). 이 경우  열 염기쌍 열렸을 때 (unwound) 그것을 보상하기 위해 하나의 커다란 DNA supercoil이 생성됩니다. 이 수퍼 코일의 형성은 남아있는베이스 쌍 영역에 정상적인 나선형 비틀림을 복원하기 때문에 에너지 적으로 유리하다. 그렇지 않으면 남아 있는 지역은 고정 된 끝 때문에 과하게 꼬이게 될 필요가 있다.

Eucaryotes의 전사 연장은 RNA 프로세싱과 밀접하게 결합되어 있습니다.

세균성 mRNA는 유전체의 특정 부위에서 시작하고 정지하는 RNA 중합 효소에 의해서만 합성됩니다. 진핵 생물의 상황은 크게 다릅니다. 특히, 전사는 mRNA를 생산하는 데 필요한 몇 가지 단계 중 첫 번째 단계에 불과합니다. 다른 중요한 단계는 RNA의 말단을 공유 결합으로 변형시키고 RNA 접합의 과정에 의해 RNA 전사 물의 중간에서 제거되는 인트론 서열을 제거하는 것이다 (그림 6-21).

염기서열이 스플라이싱이 일어날 자리를 알려준다.

그림 6-26에 나타난 pre-mRNA 접합의 메커니즘은 접합 기계가 전구 RNA 분자의 세 부분, 즉 5‘스플라이스 부위, 3’ 스플라이스 부위 및 잘려져 나가는 lariat의 염기를 형성하는 intron의 분기점을 인식해야 함을 의미합니다.  당연히 각 사이트는 인트론들에서 유사한 컨센서스 (consensus) 뉴클레오타이드 서열을 가지고 있으며, 스플라이싱이 일어날 위치에 대한 신호를 세포에 제공합니다 (그림 6-28). 그러나, 이러한 공통 서열은 비교적 짧고 고도의 서열 가변성을 수용할 수 있다. 우리가 곧 보게 되겠지만, 세포는 궁극적으로 각 RNA 분자에서 스플라이싱이 일어나는 곳을 정확히 선택할 수 있는 추가적인 유형의 정보를 통합합니다.

스플라이싱 컨센서스 서열의 높은 가변성은 게놈 서열을 해독하려는 과학자에게 특별한 도전 과제를 제시한다. 인트론의 크기는 약 10 개 뉴클레오타이드에서 100,000 개 뉴클레오티드 이상이며, 각 인트론의 정확한 경계를 선택하는 것은 강력한 컴퓨터의 도움을 받아도 어려운 작업입니다. 선택적인 스플라이싱의 가능성은 게놈 서열로부터 단백질 서열을 예측하는 문제를 복잡하게한다. 이러한 어려움은 완전한 게놈 서열에서 모든 유전자를 확인하는 주된 장벽 중 하나이며 인간 게놈에서 대략적인 유전자의 수만을 아는 주된 이유 중 하나입니다.

RNA splicing은 Spliceosome에 의해 수행됩니다.

우리가 논의한 mRNA 생산의 다른 단계와는 달리, RNA splicing의 핵심 단계는 단백질이 아닌 RNA 분자에 의해 수행됩니다. 특화된 RNA 분자는 스플라이싱이 일어날 곳을 명시하고 스플라이싱의 화학에 참여하는 뉴클레오티드 서열을 인식합니다. 이 RNA 분자는 상대적으로 짧고 (각각 200 개 미만의 뉴클레오타이드), pre-mRNA 스플라이싱의 주요 형태에 관여하는 5 개 (U1, U2, U4, U5 및 U6)가 있습니다. snRNA (small nuclear RNAs)로 알려져 있느며 각각은 snRNP (small nuclear ribonucleoprotein)를 형성하기 위해 적어도 7 개의 단백질 서브 유닛과 복합체를 형성합니다. 이러한 snRNP는 세포에서 pre-mRNA 스플라이싱을 수행하는 RNA와 단백질 분자의 대규모 어셈블리인(조립체)인 스플라이스솜 (spliceosome)의 핵심을 형성합니다.

spliceosome은 복잡하고 역동적인 기계입니다. 시험 관내에서 연구할 때, spliceosome의 몇 가지 구성 요소가 pre-mRNA에 조립되고, 스플라이싱 반응이 진행됨에 따라, 이미 수행된 작업들이 몇가디 인자들이 빠져 나오고 새로운 구성 요소가 들어가게 됩니다 (그림 (6-29). 그러나 많은 과학자들은 세포 내부에서 스플라이소솜이 이미  모든 성분들이 느슨하게 조립된 조립체로 존재하며조화로운 단위로서 꿈를 포착, 접합 및 방출하고 접합이 이루어질 때마다 광범위한 재배치를 거친다고 믿고 있습니다. 스플라이싱 반응 동안 5‘ 스플라이스 접합부, 브랜치 포인트 사이트 및 3’ 스플라이스 접합부의 인식은 snRNA와 pre-mRNA 기질의 공통 RNA 염기쌍 사이의 염기쌍을 통해 주로 수행됩니다 (그림6-30 ). 스플라이싱 과정에서, spliceosome은 한 부분의 염기쌍 상호 작용이 파괴되고 다른 한 쌍이 그 자리에서 형성되는 몇 가지 변화 겪습니다. 예를 들어, U1은 5‘ 스플라이스 접합부에서 U6으로 대체됩니다 (그림 6-30A 참조). 이러한 유형의 RNA-RNA 재배열 (하나의 RNA-RNA 상호 작용의 형성은 또 다른 RNA-RNA 상호 작용의 형성을 필요로 함)은 스플라이싱 반응 동안 여러 번 발생한다. 그것은화학 반응이 진행되기 전에 RNA 서열의 확인 및 재확인이 가능하게하여 접합의 정확성이 향상됩니다

Spliceosome은 ATP 가수 분해를 이용하여 여러 가지 RNA-RNA 재배열을 만듭니다.

ATP 가수 분해는 RNA 접합 화학 자체에는 필요하지 않지만, spliceosome의 조립 및 재배열에 필요합니다. spliceosome을 구성하는 추가 단백질 중 일부는 ATP 가수 분해의 에너지를 사용하여 기존 RNA-RNA 상호 작용을 파괴하여 새로운 RNA-RNA 상호 작용을 형성시킵니다. 실제로 BBP와 브랜치 포인트 사이트, U1 snRNP와 5‘ 스플라이스 사이트를 제외하고 그림 6-29에서 이전에 표시된 모든 단계는 ATP 가수 분해 및 추가 단백질이 필요합니다. snRNP를 구성하는 단백질을 포함할 경우 각 성공적인 접합에는 200 개의 단백질이 필요합니다. spliceosome에서 일어나는 ATP를 필요로 하는 RNA-RNA 재배열은 snRNP 자체 내에서 그리고 snRNPs와 pre-mRNA substrate 사이에서 일어난다. 이러한 재배치의 가장 중요한 기능 중 하나는 스플라이소좀의 활성 촉매 부위의 생성이다. pre-mRNA 기질에 접합 구성 요소를 조립하고 재배열 한 후에만 활성 사이트를 만드는 전략은 극단적인 접합을 방지하는 데 특히 효과적인 방법입니다

아마도 spliceosome의 가장 놀랄만 한 특징은 촉매 부위 자체의 성질이다 : 그것은 단백질 대신에 RNA 분자에 의해 형성된다 (완전히 전부는 않지만). 이 장의 마지막 부분에서는 일반적으로 촉매 작용을 수행 할 수 있는 RNA의 구조적 및 화학적 성질을 논의한다. 여기에서 우리는 spliceosome의 U2와 U6 snRNA가 pre-mRNA의 5‘ splicing site와 branch-point site를 병치시키고(가까이 오게하고) 아마 첫 번째 transesterification 반응을 수행하는 정확한 3 차원의 RNA 구조를 형성한다고 고려할 필요가 있다. (6-30C). 유사한 방식으로, 5’ 와 3‘  스플 라이스 접합부는 두 번째 트랜스 에스테르화를 촉진하기 위해 함께 오게됩니다 (U5 snRNA를 필요로하는 이벤트).

일단 접합 화학이 완료되면 snRNPs는 lariat에 붙어 있습니다. lariat (그리고 서로)로부터 snRNP를 해체하기 위해서는 ATP 가수 분해가 필요한 일련의 RNA-RNA 재배열이 필요하고 그리하여 새로운 반응에서 다시 사용할 수 있도록 snRNA를 원래의 배열로 되돌립니다. splice가 완료되면, spliceosome은 스플라이싱 이전에 intron이 있던  위치 근처의 mRNA 부분에 일련의 단백질들이 결합하도록 합니다. exon junction complex (EJC)라고 불리는 이 단백질들은 splicing의 성공적인 위치를 표시하며, 이 장의 뒷부분에서 볼 수 있듯이 mRNA의 후속 운명에 영향을 미친다.

Spliceosome-Catalyzed RNA Splicing은 아마도 self-splicing mechanism으로부터 진화되었을 것입니다.

spliceosome이 처음 발견되었을 때, 그것은 분자 생물 학자들에게 당혹스러웠습니다. 왜 단백질 대신 RNA 분자가 스플 라이스 부위의  인식 및 스플라이싱 화학에 중요한 역할을 할까? 5‘ 및 3’ 스플라이스부위를 한 단계로  직접 절단 후 결합시키는 외관상으로 간단한 방법이 아니라   올가미 중간체가 사용되는 이유는 무엇입니까? 이 질문들에 대한 답은 스플리오소좀이 진화된 것으로 여겨지는 방식을 반영합니다.

1 장에서 간략히 논의한 바와 같이 (이 장의 마지막 절에서 보다 자세히 설명 함) 초기 세포는 단백질보다는 RNA 분자를 주요 촉매로 사용했으며 DNA 시퀀스보다는 RNA에 유전자 정보를 저장했을 가능성이 높습니다 . RNA로 촉매된 스플라이싱 반응은 초기의 세포에서 중요한 역할을 했을 것으로 추정된다. 증거로서, 어떤 자가 스플라이싱 하는 RNA 인트론 (즉, 스플라이싱이 단백질 또는 임의의 다른 RNA 분자의 부재하에 발생할 수 있는 RNA의 인트론 서열)이 오늘날까지 남아있다 - 예를 들어, 섬모충 Tetrahymena의 핵 rRNA 유전자와  박테리오파지 T4 의 몇가지 유전자, 일부 미토콘드리아 및 엽록체 유전자에 남아 있다.

시험관에서 인트론 서열을 포함하는 순수 RNA 분자를 배양하고, 접합 반응을 관찰함으로써 자가 접합 인트론 서열을 확인할 수 있습니다. 이러한 방식으로 두 가지 주요 자가 스프라이싱 인트론 서열을 구별 할 수 있다. 그룹 I 인트론 서열은 G 뉴클레오타이드를 인트론 서열에 결합시킴으로써 스플라이싱 반응을 시작한다; 이 G는 활성화되어 스플라이싱에서 절단될 첫 번째 포스포디에스테르 결합 (5‘ 스플 라이스 부위의 결합)을 파괴할 공격 그룹을 형성합니다. 그룹 II 인트론 서열에서는, 인트론 서열중에 특히 반응성이 있는 A 잔기가 공격 그룹이며, 올가미 중간체가 생성된다. 그 외에는 두 가지 유형의 자가 - 스플라이싱 인트론 서열에 대한 반응 경로는 동일하다. 둘 다 매우 오래된 메커니즘의 흔적을 나타내는 것으로 추정된다 (그림 6-36).

두 유형의 자가 스플라이싱 반응 모두에 있어서, 인트론의 뉴클레오티드 서열은 중요하다; 인트론 RNA는 특정 입체 구조로 접혀서 5‘ 및 3’ 스플라이스 접합 부이를 같이 오게하고 화학 반응을 수행 할 수 있도록 정확하게 배치된 반응성 그룹을 제공합니다 (그림 6-6C 참조). 이들의 스플라이싱 반응의 화학적 성질이 매우 유사하기 때문에, 스플라이소솜에 의한 pre-mRNA 스플라이싱 기작이 그룹II 자가 스플라이싱으로부터 진화되었다고 제안되어왔다. 이 아이디어에 따르면, spliceosomal snRNPs가 그룹 II 인트론의 구조적 및 화학적 역할을 물려받을 때, 인트론 서열에 대한 엄격한 서열 제한이 사라져 접합될 수 있는 서로 다른 RNA(인트론)의 수를 크게 확장시킬 수있었습니다.

RNA- 가공 효소는 진핵 생물 mRNA의 3‘ 말단을 생성한다

앞서 설명했듯이, RNA 중합 효소 II가 생산하는 pre-mRNA의 5‘ 말단은 RNA 중합 효소에서 나오는 대로 거의 캡핑됩니다. 그런 다음, 중합 효소가 유전자를 따라 이동을 계속함에 따라, 스플리소솜은 RNA 상에 어셈블링되고, 인트론 및 엑손 경계를 나타낸다. RNA 중합 효소의 긴 C 말단 꼬리는 RNA가 효소에서 합성되어 나오는 대로  캡핑 및 접합 성분들을 바로 꿈에 전달하여 이 과정들을 조정합니다. RNA 중합 효소 II가 유전자의 말단에 도달함에 따라 유사한 메커니즘으로 pre-mRNA의 3 '말단이 적절하게 가공된다는 것을 이 절에서 볼 수 있습니다.

예상할 수 있듯이 각 mRNA 분자의 3’ 끝 부분의 위치는 게놈에 코딩된 신호에 의해 궁극적으로 정해집니다 (그림 6-37). 이 신호는 RNA 중합 효소 II가 RNA를 통과 할 때 RNA로 전사되며 일련의 RNA 결합 단백질과 RNA 가공 효소에 의해 (RNA로) 인식됩니다 (그림 6-38). CstF (절단 자극 인자)와 CPSF (절단 및 폴리아데닐화 특이성 인자)라는 두 개의 다중 서브 유닛 단백질이 특히 중요합니다. 이 두 단백질은 모두 RNA 중합 효소 꼬리와 함께 이동하여 RNA 중합 효소에서 나오는 RNA 분자의 3‘ -말단 가공 서열로 전달됩니다.

일단 CstF와 CPSF가 합성되고 있는 RNA 분자의 특정 뉴클레오타이드 서열에 결합하면 추가적인 단백질이 모여 mRNA의 3‘ 말단을 만듭니다. 먼저 RNA가 절단됩니다 (그림 6-38 참조). 다음으로 poly-A polymerase (PAP) 라 불리는 효소가 한번에 하나씩 약 200 개의 뉴클레오타이드를 절단에 의해 생성 된 3’ 말단에 첨가합니다. 이들 첨가물에 대한 뉴클레오티드 전구체는 ATP이며, 전통적인 RNA 합성에서와 같이 동일한 유형의 5‘ -to-3’ 결합이 형성됩니다 (그림 6-4 참조). 일반적인 RNA 중합 효소와 달리 poly-A polymerase는 주형을 필요로 하지 않습니다. 그러므로 진핵 생물 mRNA의 폴리 –A 꼬리는 게놈에서 직접 인코딩되지 않습니다. 폴리 -A 테일이 합성됨에 따라, 폴리 -A- 결합 단백질이라 불리는 단백질이 조립되고 잘 이해되지 않는 메커니즘에 의해 꼬리의 최종 길이가 결정됩니다. 일부 poly-A-binding 단백질은 mRNA가 핵에서 세포질로 이동하면서 폴리 -A 테일에 결합 된 상태로 남아 있으며,이 장의 뒷부분에서 볼 수 있듯이 리보솜에 단백질의 합성을 유도하는데 도움이 됩니다.

eucaryotic pre-mRNA 분자의 3‘ 끝 부분이 절단 된 후, RNA 중합 효소 II는 계속해서 전사되며, 경우에 따라 수 백 개의 뉴클레오타이드가 전사됩니다. 그러나 폴리메라제는 곧 주형을 놓아 주어 전사가 끝납니다. 3’ end 절단이 일어난 후, 중합 효소로부터 새로 합성 된 RNA(절단된 뒷부분의 RNA)는 5‘의 cap이 없다; 이 보호되지 않은 RNA는 polymerase tail이 운반하는 5’ to 3’ exonuclease에 의해 급격히 분해됩니다.  RNA 중합 효소가 결국 DNA로부터 분리되게 하는 것은 바로 이 RNA 분해인 것으로 보입니다.

성숙한 진핵 세포 mRNA는 핵으로부터 선택적으로 방출됩니다.

우리는 진핵 생물의 pre-mRNA 합성과 과정이 세포핵 내에서 정돈 된 방식으로 이루어지는 것을 보아 왔습니다. 그러나 이러한 현상은 진핵 세포 특히 인트론이 엑손보다 훨씬 긴 복잡한 유기체에 특별한 문제를 일으킨다. 합성 된 pre-mRNA 중 일부 즉 성숙한 mRNA 만이 세포에서 사용됩니다. 절제된 인트론, 손상된 RNA 및 비정상적으로 가공된 pre-mRNAs는 쓸모 없으며 잠재적으로 해롭습니다. 그렇다면 세포는 보존하기를 원하는 상대적으로 적은 양의 성숙한 mRNA 분자와 RNA 가공으로 인한 압도적인 양의 파편을 구별 할 수 있습니까?

대답은 RNA 분자가 가공될 때 특정 단백질을 잃어 버리고 다른 단백질을 얻음으로써 각기 다른 단계를 성공적으로 완료했다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 캡 결합 복합체, 엑슨 접합 복합체 및 폴리 -A 결합 단백질의 획득이 캡핑, 스플라이싱 및 폴리 -A 부가의 완료를 각각 나타내는 것을 보았다. 또한 적절히 완료된 mRNA 분자는 결핍된 단백질에 의해 구별된다. 예를 들어, snRNP의 존재는 불완전하거나 잘못된 스플라이싱을 의미할 것이다. mRNA 분자에 존재하는 단백질이 가공가 성공적으로 완료되었다는 것을 종합적으로 나타낼 때만 mRNA가 핵에서 세포질로 내보내지고  단백질로 번역 될 수 있습니다. 부적절하게 가공 된 mRNA 및 기타 RNA 찌꺼기는 핵 내부에 남아 있으며, 그곳에서 3‘ to 5’의 RNA 엑소뉴클레아제가 풍부한 대형 단백질 복합체인 핵  exosome에 의해 결국 분해됩니다. 따라서 진핵 생물 세포는 유용한 RNA 분자만을 세포질로 내보내는 반면 파편은 핵에서 처리됩니다.

RNA 중합 효소를 전사 할 때 프리 -mRNA 분자에 조립되는  모든 단백질 중 가장 많이 존재하는 것이 hnRNP (이질 핵 리보핵 단백질)입니다 (그림 6-33 참조). 이들 중 일부 단백질 (인간에서 약 30 개가 존재 함)은 RNA에서 머리핀 나선을 풀어 RNA에서 스플라이 싱 및 기타 신호를 더 쉽게 읽을 수 있도록 합니다. 다른 단백질들은 복잡한 유기체의 유전자에서 전형적으로 발견되는 매우 긴 인트론 서열에 포함된 RNA를 우선적으로 포장한다. 따라서 RNA 프로세싱으로 남은 잔해로부터 성숙한 mRNA를 구별하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 성공적으로 처리 된 mRNA는 nucleopore complexes (NPCs) - nucleoplasm과 cytosol을 직접 연결하는 핵막의 수로- 를 통해 유도됩니다 (그림 6-39). 작은 분자 (50,000 달톤 미만)는 이러한 채널을 통해 자유롭게 확산 될 수 있습니다. 그러나 단백질과 복합체를 이루는 mRNA를 포함하여 세포 내의 대부분의 거대 분자는 너무 커서 특정 과정 없이 채널을 통과 할 수 없습니다. 세포는 에너지를 사용하여 핵공 복합체를 통해 거대 분자를 양방향으로 적극적으로 운반합니다.

12 장에서 자세히 설명했듯이 거대 분자는 핵 수송 수용체들에 의해 핵공 복합체를 통해 이동한다.

거대분자의 종류에 따라 핵에서 세포질로 이동시키거나 그 반대로 이동 시킬 수도 있다. mRNA 방출이 일어나려면 특정 핵 수송 수용체가 mRNA에 결합되어야 하는데, 적어도 일부 유기체에서는 3‘ 절단 및 폴리아데닐화와 협력하여 일어나는 단계입니다. 일단 RNA 분자가 핵공 복합체를 통과하게 되면, 수송 수용체는 mRNA에서 해리되고 핵으로 다시 들어가며 새로운 mRNA 분자를 내 보냅니다 (그림 6-40).

핵에서 mRNA- 단백질 복합체를 내보내는 것은 곤충 Balbiani Ring 유전자의 특별히 풍부한 mRNA를 전자 현미경으로 관찰 할 수 있습니다. 이러한 유전자가 전사됨에 따라 새로 형성된 RNA는 hnRNPs, SR 단백질 및 스플라이스좀의 구성 요소를 비롯한 단백질에 의해 포장되는 것으로 나타났습니다. 이 단백질 -RNA 복합체는 아마도 RNA 가공 이벤트를 반영하는 일련의 구조적 전이를 거치며  최종적으로 휘어진 섬유형이 될 것입니다 (그림 6-39 참조). 이 구부러진 섬유질은 핵질을 통과하여 움직이며 핵공 복합체로 들어가고 ( 5‘ 캡이 먼저 통과함), 핵공 통과과정에서  또 다른 일련의 구조 전이를 겪습니다. 이러한 관찰과 다른 관찰은 pre-mRNA- 단백질과 mRNA- 단백질 복합체가 RNA 합성, 가공 및 수출 과정에서 수많은 특정 단백질을 얻거나 잃는 동적 구조임을 보여줍니다 (그림 6-40 참조).

mRNA 서열은 3 개의 뉴클레오티드 세트로 해독된다

일단 mRNA가 전사 및 프로세싱에 의해 생성되면, 그의 뉴클레오타이드 서열에 존재하는 정보는 단백질을 합성하는데 사용된다. 전사는 정보 전달의 수단으로 이해하기 쉽다 : DNA와 RNA는 화학적으로나 구조적으로 유사하기 때문에 DNA는 상보적인 염기쌍에 의한 RNA 합성을 위한 직접적인 주형으로 작용할 수있다. 전사라는 말의 의미는 마치 손으로 쓴 메시지를 말 그대로 타이핑한 문자로 변환되는 것과 같습니다. 언어 자체와 메시지 형식은 변하지 않으며 사용되는 기호는 밀접하게 관련되어 있습니다.

대조적으로, RNA에서 정보를 단백질로 변환한다는 것은 정보를 다른 언어로 번역하여 매우 다른 기호를 사용하는 것을 의미합니다. 더욱이 mRNA에는 4 개의 다른 뉴클레오티드가 있고 단백질에는 20 개의 다른 아미노산이 있기 때문에 이 번역은 RNA의 뉴클레오티드와 단백질의 아미노산 사이에 직접적인 1 대 1 대응으로 설명 될 수 없습니다. 유전자의 염기 서열은 mRNA의 매개체를 통해  유전 암호로 알려진 규칙에 의해 단백질의 아미노산 서열로 번역된다. 이 암호는 1960 년대 초에 해독되었습니다.

mRNA 분자의 뉴클레오타이드 서열은 3 개의 연속적인 그룹으로 판독된다. RNA는 4 개의 상이한 뉴클레오타이드의 선형 중합체이기 때문에, 3중체인  AAA, AUA, AUG 등과 같이 세 개의 뉴클레오타이드를 만들 수 있는 조합은 4x4x4=64가지 조합이 가능합니다. 그러나 단지 20 개의 다른 아미노산만 단백질에서 발견됩니다. 일부 뉴클레오타이드 3중체는 결코 사용되지 않거나 코드가 중복되고 일부 아미노산은 하나 이상의 3중체로 지정됩니다. 두 번째 가능성이, 사실, 그림 6-50의 완전히 해독 된 유전 암호에 의해 나타난 바와 같이 올바른 것입니다. RNA에서 3 개의 연속적인 뉴클레오타이드의 각 그룹은 코돈 (codon)이라 불리고, 각 코돈은 하나의 아미노산 또는 번역 과정의 중지를 지정한다.

이 유전자 코드는 현재의 모든 생물체에서 보편적으로 사용됩니다. 코드에 약간의 차이가 있지만, 그것은 주로 미토콘드리아의 DNA에 있습니다. 미토콘드리아는 세포의 나머지 부분과는 독립적으로 작동하는 자체 전사 및 단백질 합성 시스템을 가지고 있으며, 작은 게놈이 코드의 작은 변화를 수용 할 수 있다는 것을 이해할 수 있습니다 (14 장 참조).

원칙적으로 RNA 서열은 해독 과정이 시작되는 위치에 따라 세 가지 다른 판독 프레임 중 하나로 번역 될 수 있습니다 (그림 6-51). 그러나 mRNA에서 가능한 세 가지 판독 프레임 중 단 하나만이 필요한 단백질을 암호화합니다. 우리는 나중에 각 RNA 메시지의 시작 부분에 특별한 구두점 신호가 어떻게 단백질 합성의 시작에서 정확한 리딩 프레임을 설정하는지 봅니다.

tRNA 분자는 mRNA에서 코돈에 아미노산을 일치시킵니다.

mRNA 분자의 코돈은 그들이 지정하는 아미노산을 직접 인식하지 못합니다. 예를 들어 3 개의 뉴클레오타이드 그룹은 아미노산과 직접 결합하지 않습니다. 오히려, mRNA의 단백질로의 번역은 표면의 다른 부위에서 코돈과  아미노산을 인식하고 결합 할 수 있는 아답터 분자에 달려있다. 이 어댑터는 각각 약 80 개의 뉴클레오타이드 길이의 트랜스퍼 RNA (tRNA)로 알려진 일련의 작은 RNA 분자로 구성됩니다. 이 장의 앞부분에서 RNA 분자가 정확한 3 차원 구조로 접힐 수 있음을 알았고 tRNA 분자는 놀라운 예를 제공합니다. 접힌 tRNA의 네 개의 짧은 부분은 이중 나선형이며, 개략적으로 그릴 때 클로버 잎처럼 보이는 분자를 생성합니다 (그림 6-52). 예를 들어, 폴리 뉴클레오티드 사슬의 한 부분에 있는 5‘ -GCUC-3’ 서열은 동일한 분자의 다른 영역에 있는 5‘ -GAGC-3’ 서열과 상대적으로 강한 결합을 형성 할 수 있습니다. 클로버 잎은 분자의 다른 영역들 사이에 추가적인 수소 결합에 의해 결합 된 콤팩트 한 L 자 구조를 형성하기 위해 더 접히는 과정을 거친다. L- 모양 분자의 양 말단에 위치하는 짝을 이루고 있지 않는 뉴클레오타이드의 두 영역은 단백질 합성에서 tRNA의 기능에 결정적이다. 이 중 하나 영역은 mRNA 분자에서 상보적인 코돈과 쌍을 이루는 3 개의 연속적인 뉴클레오타이드 세트인 안티코돈 (antiicodon)을 형성한다. 다른 하나는 분자의 3‘ 끝에 짧은 단일 가닥 영역이다. 이것은 코돈과 일치하는 아미노산이 tRNA에 붙어있는 자리입니다.

tRNA는 핵에서 빠져 나가기 전에 공유 결합으로 변형됩니다.

다른 대부분의 진핵 생물 RNA와 마찬가지로 tRNA는 핵에서 빠져 나가기 전에 공유 결합으로 변형됩니다. Eucaryotic tRNA는 RNA polymerase III에 의해 합성된다. 박테리아 및 진핵 tRNA는 일반적으로 더 큰 전구체 tRNA로 합성되며, 그 다음 성숙한 tRNA를 생산하기 위해 손질됩니다. 또한 일부 tRNA 전구체 (박테리아와 진핵 생물 모두에서)는 접합되어야하는 인트론을 포함합니다. 이 스플라이싱 반응은 pre-mRNA 스플라이싱과 화학적으로 다르다. tRNA splicing은 lariat intermediate를 생성하기보다는 단백질에 의해 촉매 작용을하는 cut-and-paste mechanism을 사용한다 (그림 6-54). 트리밍 및 스플라이싱 모두는 전구체 tRNA가 클로버 리프 (cloverleaf) 구조로 정확하게 접힐 것을 요구한다. 잘못폴딩 된 tRNA 전구체가 제대로 가공되지 않기 때문에, 트리밍 및 스플라이싱 반응은 tRNA 생성에서 품질 제어 단계로 작용할 것으로 생각됩니다.

모든 tRNA는 화학적으로 변형됩니다. 각 성숙한 tRNA 분자의 10 개 뉴클레오타이드 중 거의 1 개가 표준 G, U, C 또는 A 리보 뉴클레오티드의 변형된 버전입니다. 50 가지 이상의 다른 유형의 tRNA 변형이 알려져있다. 그림 6-55에 몇 가지가 나와 있습니다. 아데노신의 탈 아미 노화 (deamination)에 의해 생성 된 변형 된 뉴클레오타이드 - 가장 주목할 것은 이노신 -은 안티코돈의 형태와 염기쌍 형성에 영향을 미치고 따라서 tRNA 분자에 의한 적절한 mRNA 코돈의 인식을 촉진시킨다 (그림 6-53 참조). 다른 것들은 tRNA가 올바른 아미노산에 부착되는 정확성에 영향을 미친다.

특정 효소가 각각의 아미노산을 적절한 tRNA 분자와 결합 시킨다.

DNA에서 유전자 코드를 읽으려면 세포가 일련의 서로 다른 tRNA를 만든다는 것을 알았다. 우리는 이제 각각의 tRNA 분자가 적절한 파트너 인 20 개의 한 아미노산과 어떻게 연결되는지를 고려합니다. 정확한 아미노산의 인식과 부착은 aminoacyl-tRNA synthetase라고 불리는 효소에 의존하는데, 이는 각 아미노산을 적절한 tRNA 분자 세트에 공유 결합시킨다 (그림 6-56 및 그림 6-57). 대부분의 세포는 각 아미노산에 대해 다른 합성 효소를 가지고 있습니다 (즉, 모두 20 개의 합성효소). 하나는 글리신 코돈을 인식하는 모든 tRNA에 글리신을 붙이고, 다른 하나는 알라닌에 대한 코돈을 인식하는 모든 tRNA에 알라닌을 붙인다. 그러나 많은 박테리아는 20 개 미만의 합성효소를 가지고 있으며, 동일한 합성 효소는 하나 이상의 아미노산을 적절한 tRNA에 결합시키는 역할을 합니다. 이 경우 단일 synthetase는 동일한 아미노산을 두 가지 다른 유형의 tRNA에 위치 시키며 그 중 하나만 아미노산과 일치하는 안티코돈 (anticodon)을 가지고 있습니다. 그런 다음 두 번째 효소가 각각의 "부정확하게"부착 된 아미노산을 화학적으로 변형시켜 공유 결합 된 tRNA가 나타내는 안티코돈과 일치하게 됩니다.

성장하는 폴리 펩타이드 체인의 C 말단에 아미노산이 추가된다.

아미노산이 처음 tRNA 분자에 결합하는 것을 보았고 이제 아미노산을 결합하여 단백질을 만드는 메커니즘을 살펴 보겠습니다. 단백질 합성의 근본적인 반응은 성장하는 폴리 펩타이드 사슬의 말단에 있는 카르복실기와 들어오는 아미노산에 자유 아미노 그룹 사이에 펩타이드 결합을 형성하는 것입니다. 결과적으로, 단백질은 N 말단으로부터 그의 C 말단으로 단계적으로 합성된다. 전체 과정 동안 폴리펩티드 사슬의 성장하는 카복실 말단은 tRNA 분자에 공유 결합함으로써 활성화된다 (펩티딜 -tRNA를 형성 함). 각각의 첨가는 이 고 에너지 공유 결합을 파괴하지만 바로 최근에 첨가 된 아미노산에 동일한  결합을 하여 즉시 대체됩니다 (그림 6-61). 이런 방식으로, 첨가 된 각 아미노산에는 그 자체의 첨가 에너지가 아닌 다음 아미노산의 첨가를 위한 활성화 에너지가 포함되어 있습니다 - 그림 2-68에서 설명한 "두부 성장"유형의 중합의 예.

RNA 메시지는 리보솜에서 해독됩니다.

단백질의 합성은 mRNA 분자에 의해 전달되는 정보에 의해 안내됩니다. 정확한 리딩 프레임을 유지하고 정확성을 보장하기 위해 단백질 합성은 50 개 이상의 다른 단백질 (리보솜 단백질)과 여러 RNA 분자, 리보솜 RNA (rRNA)로 만들어진 복잡한 촉매 장치인 리보솜에서 수행됩니다. . <CGCC> 전형적인 진핵 세포는 세포질 내에 수백만 개의 리보솜을 포함한다 (그림 6-62). Eucaryotic ribosome subunits는 nucleolus에서 조립되며, 새로 전사되고 변형 된 rRNA는 세포질에서 합성 된 후에 핵으로 운반된 리보솜 단백질과 결합한다

두 개의 리보솜 서브 유닛은 이어서 세포질로 보내져 단백질을 합성한다.

Eucaryotic 및 procaryotic ribosomes는 비슷한 디자인과 기능을 가지고 있습니다. 둘 다 수백만 달톤의 질량을 가진 완전한 리보솜을 형성하기 위해 함께 들어 맞는 하나의 커다란 소단위와 하나의 작은 소단위으로 구성됩니다 (그림 6-63). 작은 소단위는 tRNA가 정확하게 mRNA의 코든에 일치하도록 틀을 제공합니다 (그림 6-58 참조).반면에 큰 서브 유닛은 아미노산을 폴리펩티드 사슬로 연결시키는 펩타이드 결합의 형성을 촉매한다 (그림 6-61 참조).

활발히 단백질을 합성하지 않을 때, 리보솜의 2 개 소단위는 분리되어있다. 단백질의 합성을 시작하기 위해 일반적으로 5‘ 근처의 mRNA 분자에 함께 결합합니다. 그런 다음 mRNA는 리보솜을 통해 당겨집니다. 그 코돈이 리보솜의 코어에 들어감에 따라, mRNA 뉴클레오타이드 서열은 tRNA를 어댑터로서 사용하여 아미노산 서열로 번역되어 성장하는 폴리 펩타이드 쇄의 말단에 정확한 아미노산을 부가한다. 정지 코돈이 생기면, 리보솜은 완성된 단백질을 방출하고 두 개의 서브 유닛은 다시 분리됩니다. 이러한 서브 유닛은 다른 mRNA 분자에서 또 다른 단백질의 합성을 시작하는 데 사용될 수 있습니다. 리보솜은 현저한 효율로 작동합니다 : 1 초 만에 진핵 세포의 단일 리보솜은 폴리펩티드 사슬에 약 2 개의 아미노산을 추가합니다. 박테리아 세포의 리보솜은 약 20 아미노산 / 초의 속도로 훨씬 더 빠르게 작동한다. 리보솜은 효율적인 번역에 필요한 많은 조절된 움직임을 어떻게 조율합니까? 리보솜은 RNA 분자에 대한 4 개의 결합 부위를 포함한다. 하나는 mRNA를위한 것이고 3 개는 A- 사이트, P- 사이트 및 E- 사이트라고 불리는 tRNA 결합 부위이다 (그림 6-64). tRNA 분자는 안티코돈이 리보솜을 통해 삽입된 mRNA 분자상에 상보적인 코돈 (워블을 허용)과 염기쌍을 형성하는 경우에만 A- 및 P- 부위에 단단히 고정되어있다 (그림 6-65). A-와 P- 부위는 그들의 두 tRNA 분자가 mRNA 분자상의 인접한 코돈과 염기 쌍을 형성하도록 강요되기에 충분히 가깝다. 리보솜의 이 특징은 mRNA에 대한 올바른 판독 틀을 유지합니다.

일단 단백질 합성이 시작되면, 각각의 새로운 아미노산은 4 가지 주요 단계를 포함하는 반응 사이클에서 신장 사슬에 첨가됩니다 : tRNA 결합, 펩티드 결합 형성, 큰 subunit 및 작은 subunit의 전좌. 두 전좌 단계의 결과로, 전체 리보솜은 mRNA를 따라 3 개의 뉴클레오티드를 이동시키고 다음 사이클을 시작하도록 위치된다. (그림 6-66). 사슬 연장 과정에 대한 우리의 설명은 일부 아미노산이 이미 연결되어 있고, 성장하는 폴리펩티드의 말단에 공유 결합 된 리보솜상의 P- 부위에 tRNA 분자가 존재하는 지점에서 시작한다. 단계 1에서, 사슬에서 다음 아미노산을 갖는 tRNA는 거기에 위치한 mRNA 코돈과 염기쌍을 형성하여 리보솜 A- 사이트에 결합하여 P- 사이트 및 A- 사이트가 인접하여 결합된 tRNA를 함유하도록한다. 단계 2에서, 폴리 펩타이드 사슬의 카복실 말단은 (tRNA와 그의 아미노산 사이의 고 에너지 결합의 파손에 의해) P- 부위에서 tRNA로부터 방출되고 tRNAdp 연결된 아미노산의 유리 아미노기에 결합du 새로운 펩타이드 결합을 형성한다. 이 단백질 합성의 중심 반응은 큰 ribosomal subunit에 들어있는 펩티딜 트랜스퍼라제에 의해 촉매된다. 단계 3에서, 큰 서브 유닛은 작은 서브 유닛에 의해 보유 된 mRNA에 상대적으로 이동하여, 2 개의 tRNA의 수용줄기를  큰 서브 유닛의 E- 및 P 사이트로 이동시킨다. 4 단계에서 또 다른 일련의 구조 변화는 작은 소단위와  그에 결합된 mRNA를 정확히 3 개의 뉴클레오타이드로 이동시켜 리보솜을 재설정하여 다음 아미노산 -tRNA를받을 준비가되었습니다. 그런 다음 단계 1은 새로운 들어오는 aminoacyl-tRNA로 반복됩니다. <CGTT>

아미노산이 폴리펩티드 사슬에 첨가 될 때마다 아미노산에서 카복실 말단으로 사슬이 성장하기 때문에이 4 단계 과정이 반복됩니다.

연장인자들은 번역이 진행되도록 촉진하고 그 정확도를 향상시킵니다

그림 6-66의 개략적으로 표시된 폴리펩티드 연장의 기본주기는 번역을 특히 효율적이고 정확하게 만드는 추가적 특징을 가지고 있습니다. 2 개의 연장인자가 각주기 동안 리보솜에 들어가고 나가며. GTP를 GDP로 가수 분해하고 과정에서 구조 변화를 겪는다. 이러한 인자를 박테리아에서는 EF-Tu와 EF-G, 진핵 생물에서는 EF1과 EF2라고합니다. 시험 관내 일부 조건하에서 리보솜은 이러한 연장 인자와 GTP 가수 분해 없이 단백질을 합성 할 수 있지만 이러한 합성은 매우 느리고 비효율적이며 부정확합니다. GTP 가수 분해에 의한 연장 인자의 변화로 리보솜의 다른 상태를 변화시키면 단백질 합성이 엄청나게 빨라진다. 이러한 리보솜 상태는 아직 상세하게는 이해되지 않았지만, 거의 확실하게 리보솜 코어에 있는 RNA 구조의 재 배열을 수반한다. 연장 인자의 결합과, GTP 가수 분해 및 해리의 반복은 그러한 모든 변화가 "순방향"으로 발생하여 번역이 효율적으로 진행될 수 있도록 합니다 (그림 6-67).

이전에 보았듯이, EF-Tu는 동시에 GTP와 aminoacyl-tRNA에 결합 합니다 (그림 3-74 참조). EF-Tu (EF1 in eucaryotes)는 여러 가지 방법으로 번역의 정확성을 높여줍니다. 먼저 들어오는 aminoacyl-tRNA를 리보솜으로 인도할 때, EF-Tu는 tRNA- 아미노산의 일치가 올바른지 확인합니다. 정확히 이것이 어떻게 이루어 졌는지 잘 알지 못합니다. 하나의 아이디어에 따르면, 올바른 tRNA- 아미노산 결합이 아니면  EF-Tu에 대한 친화도가 떨어지게 된다, 따라서 EF-Tu는 여러 아미노산 –tRNA 조합들을 어느 정도 구별 할 수 있으며, 올바른 것을 리보좀으로 가지고 오게 된다. 두 번째로, EF-Tu는 들어오는 아미노아실 -tRNA의 안티코돈과 A 사이트의 mRNA 코돈 사이의 초기 상호 작용을 모니터합니다. 아미노아실 –tRNA는 GTP가 결합된 EF-Tu 형태에 결합 될 때 "구부러져"있다; 이러한 구부러진 형태는 코돈과 쌍을 허용하지만 성장하는 폴리펩티드 사슬내로 아미노산의 결합을 방지한다. 그러나 codon-anticodon match가 정확하다면, ribosome은 GTP 분자의 가수 분해를 빠르게 일으키고, EF-Tu는 tRNA를 놓아주고 리보솜으로부터 해리되어 tRNA가 단백질 합성을 위해 아미노산을 기증 할 수 있게 한다. 그러나 코돈과 안티코돈 (anticodon) 일치의 "정확성"은 어떻게 알게 됩니까? 그 일은 RNA 기반 메커니즘을 통해 리보솜 자체에 의해 수행됩니다. 리보솜의 작은 subunit에있는 rRNA는 그 정확성을 결정할 수있는 codon-anticodon pair와 일련의 수소 결합을 형성한다 (그림 6-68). 본질적으로, rRNA는 코돈 - 안티코돈 쌍 주위로 접히게 되고, 그리고 그 최종 구조는 올바른 안티코돈이 있을 때만 발생하며 GTP 가수 분해를 유발합니다. 놀랍게도, 이 유도 된 맞춤 메커니즘은 그림 6-53에 요약된 워블 (Wobble) 염기쌍에 대한 규칙에도 불구하고 올바르지 않은 코돈 - 안티 코돈 상호 작용과 구별 할 수 있습니다. 이 예에서 RNA 스플라이싱에서와 마찬가지로 RNA에 의해서만 얻을 수 있는 매우 정교한 형태의 분자 인식에 대한 감각을 갖게 됩니다.

방금 설명한 EF-Tu, tRNA 및 리보솜의 상호 작용은 초기 tRNA 선택 단계에서 단백질 합성에 중요한 교정 단계를 설명합니다. 그러나 GTP가 가수 분해되고 EF-Tu가 리보솜으로부터 해리된 후에 리보솜이 잘못된 아미노산이 성장하는 사슬에 첨가되는 것을 방지할 추가적인 기회가 있다. GTP 가수 분해 후, tRNA에 의해 운반된 아미노산이 리보솜상의 위치로 이동할 때 짧은 시간의 지연이 있다. 이 시간 지연은 올바른 코돈 - 안티 코돈 쌍의 경우 올바르지 않은 코돈 - 안티 코돈 쌍보다 짧습니다. 더욱이, 부정확하게 매치된 tRNA는 코돈과의 상호 작용이 약하기 때문에 올바르게 결합 된 것보다 빠르게 분리된다. 따라서, 잘못 결합 된 tRNA 분자 (물론 정확하게 결합 된 분자의 상당수)는 단백질 합성에 사용되지 않고 리보솜을 떠날 것이다. 이러한 모든 교정 단계는 함께 RNA를 단백질로 번역 할 때 리보솜의 99.99 % 정확도에 크게 영향을줍니다.

리보솜은 리보자임입니다

리보솜은 2/3 RNA와 1/3 단백질로 구성된 커다란 복합체입니다. 2000 년에 큰 소단위와 작은 소단위의 전체 입체 구조를 결정한 것은 현대의 구조 생물학의 주요 승리이다. 이 발견은 단백질이 아닌 rRNA가 리보솜의 전반적인 구조, mRNA에 tRNA를 위치시키는 능력, 공유 결합인 펩티드 결합을 형성하는 촉매 활성을 담당한다는 이전의 증거를 확인시켜 주었다. 리보솜 RNA는 매우 작고 정밀한 3 차원 구조로 접혀서 리보솜의 단단한 코어를 형성하고 전체 모양을 결정합니다 (그림 6-69).

rRNAs가 중앙에 위치하는 것과 현저하게 대조적으로, 리보솜 단백질은 일반적으로 표면에 위치하고 접힌 RNA의 틈과 틈을 채웁니다 (그림 6-70). 이 단백질 중 일부는 RNA 코어의 구멍으로 짧은 거리를 침투하는 폴리 펩타이드 사슬의 확장 된 영역을 보냅니다 (그림 6-71). 리보솜 단백질의 주된 역할은 RNA 코어를 안정화시키는 것으로 보이며 동시에 효율적인 RNA 합성을 촉매하는 이 RNA에 필요한 rRNA 구조의 변화를 허용합니다. 단백질은 아마도 리보솜의 핵심을 구성하는 rRNA의 초기 조립을 도울 것이다.

가장 가까운 아미노산이 1.8 nm 이상 떨어져 있기 때문에 tRNA의 A, P 및 E 결합 부위가 주로 리보솜 RNA에 의해 형성 될뿐만 아니라 펩타이드 결합 형성을 위한 촉매 부위도 RNA에 의해 형성된다.

이 발견은 단백질과 달리 RNA가 펩타이드 결합 형성과 같은 정교한 반응을 촉매하는 데 사용할 수 있는 이온화 가능한 작용기를 포함하지 않기 때문에 생물학자들에게는 놀랄 만한 사실이다. 또한 RNA 분자가 종종 화학 반응을 촉매하기 위해 사용하는 금속 이온 (이 장의 뒷부분에서 설명)은 리보솜의 활성 부위에서 관찰되지 않았다. 대신, 23S rRNA는 수소 결합의 네트워크를 통해 2 개의 반응물 (성장하는 펩타이드 사슬과 아미노 아실 -tRNA)의 방향을 정확하게 지정함으로써 공유 결합을 크게 가속화하는 고도로 구조화된 포켓을 형성한다고 믿어진다. 또한, P 사이트의 tRNA는 촉매 작용에 직접 참여하는 기능성 OH 그룹을 공급하는 활성 사이트에 기여합니다. 이 메커니즘은 tRNA가 리보솜에 적절히 위치 할 때 촉매 작용이 일어날 수 있게 한다. 촉매 활성을 갖는 RNA 분자는 리보자임으로 알려져 있다. 이 장의 앞부분에서 다른 리보자임이자가 접합 반응에서 어떻게 작용 하는지를 보았습니다 (예 : 그림 6-36 참조). 이 장의 마지막 부분에서는 RNA 분자가 다양한 반응에 촉매 역할을 하는 것이 살아있는 세포의 초기 진화를 의미 할 수 있다고 생각합니다. 현재 우리는 단지 단백질 분자가 아니라 RNA가 살아있는 세포의 첫 번째 촉매 역할을 했다고 추측할만한 충분한 이유가 있음을 지적합니다. 그렇다면 RNA 코어가 있는 리보솜은 거의 전적으로 리보자임에 의해 진행되는 세포에서의 단백질 합성이 진화된 초기 역사의 유물 일 수 있습니다.

mRNA  뉴클레오타이드 서열이 단백질 합성 시작 위치를 알려준다. 번역 개시 및 종료는 위에 언급한 번역 연장 사이클의 특징을 공유한다. 단백질 합성이 mRNA에서 시작되는 곳은 메시지의 전체 길이에 대한 해독틀을 설정하기 때문에 특히 중요합니다. 이 단계에서 한 뉴클레오타이드의 오류는 메시지의 모든 후속 코돈이 오독되어 아미노산의 왜곡된 서열을 갖는 비기능성 단백질을 초래할 수 있다. 대부분의 유전자의 경우 세포가 mRNA를 번역하고 단백질이 합성할지 여부를 결정할 수 있는 마지막 단계이기 때문에 시작 단계가 중요합니다. 개시 속도는 어떤 단백질이 합성되는 속도의 결정 요인 중 하나이다. 우리는 7 장에서 세포가 번역 개시를 조절하는 몇 가지 기작을 사용한다는 것을 보게 될 것이다.

mRNA의 번역은 코돈 AUG로 시작되며 번역을 시작하려면 특수 tRNA가 필요합니다. 이 개시 tRNA는 항상 아미노산 메티오닌 (박테리아에서는 메티오닌의 변형 된 형태인 포르밀메티오닌이 사용됨)을 운반하며, 결과적으로 모든 새로 만들어진 단백질은 N 말단의 첫번째 아미노산 인 메티오닌, 먼저 합성 된 단백질. 이 메티오닌은 보통 나중에 특정 프로테아제에 의해 제거됩니다. 개시 tRNA는 통상적으로 메티오닌을 운반하는 tRNA와는 다른 염기 서열을 가지므로 개시 인자에 의해 특별히 인식 될 수 있다. 진핵 생물에서는 초기 tRNA- 메티오닌 복합체 (Met-tRNAi)가 eucaryotic initiation factors 또는 eIFs라고 불리는 추가 단백질과 함께 작은 리보솜 서브 유닛에 먼저 로드 됩니다 (그림 6-72). 세포 내의 모든 aminoacyl-tRNA 중에서 메티오닌으로 충전 된 개시 tRNA만이 완전한 리보솜이 존재하지 안아도 작은 리보솜 서브 유닛에 단단히 결합 할 수 있으며 P- 부위에 직접 결합합니다. 다음으로, 작은 리보솜 서브 유닛은 mRNA 분자의 5‘ 말단에 결합하는데, 이것은 5’ 캡과 2 개의 결합된 개시 인자 인 eIF4E (뚜껑과 직접 결합)와 eIF4G에 의해 인식된다 (그림 6-40 참조) ). 작은 ribosomal subunit은 mRNA를 따라 전진 (5‘ 에서 3’)하여 첫 번째 AUG를 찾습니다. ATP 구동 헬리카제로 작용하는 추가적인 개시 인자는 RNA 2 차 구조를 통한 리보솜의 이동을 촉진시킨다. 90 %의 mRNA에서, 번역은 작은 subunit에 의해 만난 첫 번째 AUG에서 시작됩니다. 이 시점에서, 개시 인자는 해리되어 큰 리보솜 서브 유닛이 복합체와 조립되어 리보솜을 완성하게한다. 개시 tRNA는 여전히 P- 사이트에 결합되어있어 A site를 비워 둔다. 따라서 단백질 합성은 시작할 준비가 되어있다 (그림 6-72 참조).

진핵 mRNA에서 시작 부위를 바로 둘러싸고 있는 뉴클레오타이드는 위에서 언급한 스캐닝 과정에서 AUG 인식의 효율성에 영향을 미친다. 이 인식 사이트가 컨센서스 인식 서열 (5‘ -ACCAUGG-3’)과 실질적으로 다른 경우, 리보솜 서브 유닛 스캐닝은 때때로 mRNA의 첫 번째 AUG 코돈을 무시하고 대신 두 번째 또는 세 번째 AUG 코돈으로 건너뜁니다. 세포는 흔히 "누출 스캔 (leaky scanning)"으로 알려진 이 현상을 이용하여 N 말단이 다른 두 개 이상의 단백질을 동일한 mRNA 분자에서 생산합니다. 예를 들어, 일부 유전자는 N 말단에 부착 된 신호 서열이 있거나 없는 동일한 단백질을 생산할 수 있습니다. 예를 들어 단백질이 세포의 두 개의 다른 구획으로 향하게 됩니다.

박테리아에서 시작 코돈을 선택하는 메커니즘은 다릅니다. 세균성 mRNA에는 리보솜 신호가 5‘ 켑이 없으므로 번역 시작 부분을 검색 할 수 있습니다. 대신, 각각의 박테리아 mRNA는 번역이 시작되는 AUG의 상류에 있는 몇 개의 뉴클레오타이드에 위치하는 특정 리보솜 결합 부위 (Shine-Dalgarno 서열, 발견 자의 이름을 따서 명명 됨)를 함유한다. 이 염기 서열은 consensus 5’ -AGGAGGU-3‘ 와 함께 작은 ribosomal subunit의 16S rRNA와 염기쌍을 형성하여 ribosome에서 시작 AUG codon을 위치시킨다. 번역 개시 인자 세트는 이 상호 작용을 조정하고 큰 리보솜 서브 유닛을 후속적으로 조립하여 리보솜을 완성시킵니다.

eucaryotic ribosome과는 달리 박테리아 ribosome은 mRNA 분자의 내부에 있는 시작 코돈에 직접적으로 조립 될 수 있는데, 이는 리보솜 결합 부위가 시작부위보다 몇 개의 뉴클레오타이드보다 앞에 있는 한 가능하다. 결과적으로 박테리아의 mRNA는 종종 폴리시스트로닉 (polycistronic)합니다. 즉  한 개의 동일한 mRNA 분자가 여러 가지 단백질을 암호화 합니다 (그림 6-73). 대조적으로, 진핵 생물 mRNA는 일반적으로 단일 단백질만을 암호화한다.

번역의 끝을 표시하는 정지 코돈

단백질 코딩 메시지의 끝은 세 가지 정지 코돈 (UAA, UAG 또는 UGA) 중 하나의 존재에 의해 신호됩니다 (그림 6-50 참조). 이들은 tRNA에 의해 인식되지 않고 아미노산을 지정하지 않고 대신 리보솜에 신호로 번역을 중지시킵니다. 방출 인자로 알려진 단백질은 A 사이트에 위치한 종결 코돈을 가진 모든 리보솜에 결합하여 리보솜의 펩티딜 트랜스퍼라아제로 하여금 펩티딜 -tRNA에 아미노산 대신에 물 분자를 부가하는 것을 촉매하도록 합니다 (그림 6-74) . 이 반응은 성장하는 폴리펩티드 사슬의 카복실 말단을 tRNA 분자로부터 자유롭게 하고, 이 부착 만이 정상적으로 성장하는 폴리펩티드를 리보솜에 붙어 있도록 하기 때문에, 완성된 단백질 사슬은 즉시 세포질로 방출된다. 그런 다음 리보솜은 mRNA를 방출하고 크고 작은 서브 유닛으로 분리되며, 이 서브 유닛은 또는 다른 mRNA 분자를 조립하여 새로운 단백질 합성 라운드를 시작할 수 있습니다.

방출 인자는 분자 모방의 한 예이며, 그것은 한 종류의 거대 분자는 화학적으로 관련성이 없는 분자의 모양과 닮는 것을 말한다. 이 경우, 단백질로 만들어진 방출 인자의 3 차원 구조는 tRNA 분자의 모양과 전하 분포와 유사합니다 (그림 6-75). 이 모양과 전하분포의 모방은 그들이 리보솜에있는 A 사이트에 들어가 번역을 종결시키는 데 도움이 됩니다.

번역하는 동안, 신생 폴리펩타이드는 리보솜의 큰 서브 유니트 (그림 6-70C 참조)에 있는 대형의 수로 (약 10 nm x 1.5 nm)을 통해 이동합니다. 이 터널의 벽은 주로 23S rRNA로 만들어졌으며, 보다 광범위한 친수성 표면에  작은 소수성 표면이 박혀있는 패치 워크입니다. 이 구조는 어떤 펩타이드와도 상호 보완적이지 않으며 폴리펩티드 사슬이 쉽게 미끄러질 수 있는 "테플론"코팅을 제공합니다. 터널의 크기는 초기 단백질이 리보솜을 통과 할 때 크게 구조화되지 않았음을 보여 주지만, 단백질의 일부 알파나선형 영역이 리보솜 터널을 떠나기 전에 형성 될 수 있다. 리보솜을 떠날 때, 새로 합성 된 단백질은 세포에 유용한 3 차원 입체 형태로 접혀 야하며, 나중에 이 장에서 이 접힘이 어떻게 일어나는지에 대해 논의 할 것입니다. 그러나 먼저 번역 프로세스 자체의 몇 가지 추가 측면을 설명합니다.

분자 샤페론은  대부분 단백질의 접힘을 도운다

대부분의 단백질은 아마도 합성 과정에서 폴딩을 시작하지 않을 것입니다. 대신 분자 샤페론 (molecular chaperones)이라고 불리는 특별한 종류의 단백질에 의해 리보솜에서 만나게 됩니다. 분자 샤페론은 풀어지거나 부분적으로 접힌 단백질을 최종 콤팩트 형태로 전환하기 위해 취할 수 있는 많은 경로가 있기 때문에 세포에 유용합니다. 많은 단백질이 그 최종적인 모양을 형성하는 과정에서 형성된 중간체 중 일부는 서로 응집되어서 샤페론 (chaperone)의 개입없이 경로 밖의 막 다른 골목으로 남게 됩니다 (그림 6-85). 많은 분자 샤페론은 고온 (예 : 37 ° C에서 정상적으로 사는 세포의 경우 42 ° C)에 세포가 잠깐 노출 된 후 극적으로 증가 된 양으로 합성되기 때문에 열충격 단백질 (Hsp라고도 함)이라고 합니다. 이것은 단백질이 리폴딩되는데 도움이되는 샤페론의 합성을 증가시켜 잘못 폴딩 된 단백질 (예 : 고온으로 생성 된 단백질)의 증가에 반응하는 피드백 시스템의 작동을 반영합니다.

Hsp60 및 Hsp70 단백질을 비롯한 진핵 분자 샤페론에는 여러 게열의 종류가 있다.  서로 다른 계열은 서로 다른 소기관에서 기능합니다. 따라서 제 12 장에서 논의된 바와 같이, 미토콘드리아는 세포질에서 기능하는 것과는 별개의 Hsp60과 Hsp70 분자를 가지고 있다. 그리고 특수 Hsp70 (BIP)은 소포체에서 단백질을 접는 데 도움이 됩니다

Hsp60과 Hsp70 단백질은 다른 단백질이 접히는 것을 도와 줄 때 각각 작은 단백질들과 함께 작용합니다. Hsp들는 불완전하게 접힌 단백질에 노출된 소수성 패치에 대한 친화도를 갖고 있으며 ATP를 가수 분해하며, ATP 가수 분해의 각 사이클마다 종종 단백질 기질을 결합 및 방출합니다. 다른 면에서 보면 두 종류의 Hsp 단백질은 다르게 작용합니다. Hsp70 기계는  많은 단백질이 합성된 후 리보좀을 떠나기전 일찍 작용하며,  약 7 개의 소수성 아미노산에 결합한다 (그림 6-86). 이와 대조적으로, Hsp60 유사 단백질은 단백질이 완전히 합성 된 후에 작용하는 큰 배럴 형태의 구조를 형성합니다. 이러한 형태의 샤프론은 때로 샤페로닌 (chaperonin)이라고 불리며 잘못 폴딩 된 단백질이 공급되는 "격리 챔버"를 형성하여 응집을 방지하고 리폴딩을 시도하는 유리한 환경을 제공합니다 (그림 6-87).

그림 6-86과 6-87에 나타난 샤페론은 종종 단일 폴리펩타이드 사슬을 정확하게 접기 위해 ATP 가수 분해 사이클을 많이 사용합니다. 이 에너지 소비 중 일부는 기계 작업을 수행하는 데 사용되지만, 아마도 단백질 폴딩이 정확하다는 것을 보장하기 위해 훨씬 많은 에너지가 소모됩니다. 전사, 접합 및 번역에서 보았 듯이, 자유 에너지의 소비는 생물학적 과정의 정확성을 향상시키기 위해 세포에 의해 사용될 수 있습니다. 단백질 폴딩의 경우, ATP 가수 분해를 통해 샤페론은 다양한 잘못 폴딩 된 구조를 인식하고, 더 이상 잘못된 폴딩을 중단하고 단백질의 폴딩을 질서 정연하게 재개 할 수 있습니다.

프로테아좀은는 격리된 활성 부위를 가진 구획화된 단백질 분해 효소입니다.

단백 분해성 기계와 샤페론은 잘못 접힌 단백질을 재구성하기 위해 서로 경쟁합니다. 새로 합성된 단백질이 빠르게 접히면, 그 중 아주 작은 부분 만이 분해됩니다. 대조적으로, 천천히 접히는 단백질은 단백질 분해성 기계에 더 오래동안 노출되어 적절한 접힘 상태에 도달하기 전에 더 많은 분자가 파괴됩니다. 돌연변이 또는 전사, RNA 접합 및 번역의 오류로 인해 일부 단백질은 제대로 접히지 않습니다. 특히 잠재적으로 유해한 단백질을 세포가 파괴하는 것이 중요합니다.

잘못된 단백질을 의도적으로 파괴하는 장치는  단백질의 거의 1 %를 구성하는 풍부한 ATP- 의존적 프로테아제인 프로테아좀 (proteasome)이다. 세포질과 핵을 통해 만은 수가 분산되어 존재하며, proteasome은 또한 소포체의 비정상 단백질을 파괴한다. ER 기반의 감시 시스템은 ER로 들어가서 접히지 안거나 적절하게 조립되지 않는 단백질을 검출하고, 분해를 위해 세포질로 이동시킨다 (12 장에서 논의 됨).

각각의 proteasome은 4 개의 heptameric ring의 quasi-cylindrical stack으로 조립되는 다중 단백질 subunits로부터 형성된 central hollow cylinder (20S core proteasome)로 구성됩니다 (그림 6-89). 서브 유닛 중 일부는 활성 부위가 실린더의 내부 챔버를 마주하는 뚜렷한 프로테아제입니다. 이 디자인은 이러한 고효율 프로테아제가 세포를 통해 아무 단백질이나 분해하는 것을 방지합니다. 실린더의 각 끝은 6 개의 subunit 단백질 고리를 포함하는  큰 단백질 복합체 (19S 캡)이 결합되어 있고, 그 곳을 통해  표적 단백질이   proteasome core 로 들어가서 분해됩니다 (그림 6-90). ATP 가수 분해에 의해 유도되는 스레딩 반응은 표적 단백질이 뚜껑을 통과 할 때 펼쳐서 프로테아좀 코어를 감싸는 프로테아제에 노출시킵니다 (그림 6-91). proteasome cap에서 고리 구조를 구성하는 단백질은 AAA 단백질로 알려진 단백질로서 "unfoldases"의 큰 부류에 속한다. 이들 중 다수는 헥사머 (hexamers)로 기능하며 DNA 헬리 케이즈 (DNA helicase)에 의한 DNA의 ATP 의존 가닥풀기와 기계적 특징이 같습니다 (그림 5-15 참조).

proteasome의 중요한 특성과 그 디자인의 복잡성에 대한 이유 중 하나는 그 메커니즘의 processivity입니다. 해리되기 전에 기질의 폴리펩티드 사슬을 단 한 번 절단하는 "단순한"protease와는 대조적으로, proteasome은 기질 전체가 짧은 펩타이드로 변환 될 때까지 결합을 유지합니다. 19S 뚜껑은 내부 단백질 분해 챔버 입구의 조절된 "게이트"역할을 하며, 이들은 표적 단백질 기질을 프로테아 좀에 결합시키는 역할을합니다. 몇 가지 예외를 제외하고, proteasomes은 유비퀴틴 (그림 6-92A)이라는 작은 단백질로부터 형성된 인식 태그의 공유 결합에 의해 파괴되도록 특이적으로 표식 된 단백질에 작용합니다 (그림 6-92A). 유비퀴틴은 자유로이 또는 만은 세포내 단백질에 공유결합되어 존재한다. 많은 단백질에서 ubiquitin에 의한 tagging은 proteasome에 의한 파괴를 일으킨다. 그러나 다른 경우 유비퀴틴 태깅은 완전히 다른 의미를 지닙니다. 궁극적으로 추가된 유비퀴틴 분자의 수와 연결되는 방법이 세포가 유비퀴틴 메시지를 해석하는 방법을 결정합니다 (그림 6-93). 다음 절에서는 단백질 분해를 나타내는 데있어 ubiquitylation의 역할을 강조합니다.

정교한 Ubiquitin-Conjugating System은 파괴할 단백질을 표지합니다

Ubiquitin은 활성화된 E1 결합 유비퀴틴을 생성하는 ATP 의존성 유비퀴틴 활성화 효소 (E1)에 의해 다른 단백질과의 접합을 준비합니다. 이 유비퀴틴은 이어서 일련의 ubiquitin-conjugating (E2) 효소로 전이 됩니다 (그림 6-92B). E2 효소는 액세서리 (E3) 단백질과 함께 작용합니다. ubiquitin ligase라고 불리는 E2-E3 복합체에서 E3 성분은 단백질 기질에서 degrons라고 불리는 특정 분해 신호에 결합하여 E2가 기질 단백질의 라이신에 연결된 폴리 유비퀴틴 (polyubiquitin) 사슬을 형성하도록 돕는다. 이 사슬에서 각 유비퀴틴의 C- 말단 잔기는 앞의 ubiquitin 분자의 특정 라이신과 연결되며 (그림 6-93 참조), 일련의 유비퀴틴 - 유비퀴틴 접합체를 생성합니다 (그림 6-92C). 프로테아좀 (proteasome)의 특정 수용체에 의해 인식되는 것은 표적 단백질상의이 폴리유비키틴 사슬입니다.

포유류에는 약 30 개의 구조적으로 유사하지만 별개의 E2 효소가 있고, 특정 E2 효소와 복합체를 형성하는 수백 개의 다른 E3 단백질이 있습니다. 따라서 유비퀴틴 - 프로 테아 좀 시스템은 많은 독특하지만 유사하게 조직화 된 단백질 분해 경로로 이루어져 있으며, 최상위에는 E1효소가 있고  "최하위"에는 프로테아좀 (proteasome)으로 구성되어 있는 점은 공통이고, E2-E3 유비퀴틴 ligasse와 보조 요소의 조성은 다르다. 독특한 유비퀴틴 리가제는 다른 분해 신호를 인식하므로 파괴를 위한 세포 내 단백질의 별개의 부분을 표적으로 삼습니다.

비정상적인 단백질들은 ubiquitin-proteasome system의 E3 분자들에 의해 분해 신홓로 인식될 수 있는 아미노산 서열이나 구조를 표면에 나타내므로 변성되거나 잘못 접힌 단백질뿐만 아니라 산화되거나 다른 비정상적인 아미노산을 함유하는 단백질이 인식되고 파괴된다. 물론 이들 서열은 정상적인 단백질에서는 묻혀 있어야하고 따라서 접근 할 수 없어야한다. 그러나 비정상적인 단백질을 인식하고 파괴하는 단백질 분해 경로는 정상적인 접힘을 아직 달성하지 못했던 "잘못된"형태를 갖는 완전한 단백질과  리보솜에서 합성 중이거나 리보솜으로부터 새로이 방출된 폴리펩티드들을 구별 할 수 있어야합니다. 이것은 사소한 문제가 아닙니다. 유비퀴틴 - 프로테아 좀 시스템은 초기 단백질 분자와 새로 형성된 단백질 분자를 파괴하는 것으로 생각되지는 않는다. 왜냐하면 이들 단백질은 비정상적이기 때문에가 아니라 성숙한 (접힌) 상태에서 묻혀있어야 할 분해 신호를 일시적으로 노출시키기 때문이다.