Chapter 8. RNA Synthesis and Processing

본 게시글은 학부 '세포생물학' 강의와 강의 교재(The Cell : A Molecular Approach, Geoffrey M. Cooper)를 토대로 이해한 바를 정리하였습니다

 

 

Contents

 

8.1 Transcription in Bacteria

• Explain how E.coli RNA polymerae initiates transcription
• Diagram a bacterial promoter sequence
• Describe the processes of transcriptional elongation and termination

 

 

8.2 Eukaryotic RNA Polymerases and General Transcription Factors

• Summarize the roles of different eukaryotic RNA polymerases
• Distinguish between the binding of bacterial and eukaryotic RNA polymerases to promoteres
• Describe the functions of the general transcription factors for RNA polymerase II
• Summarize theh organization of promoters transcribed by RNA polymerases I and III

 

 

8.3 RNA Processing and Turnover

• Summarize the events involved in processing rRNAs and tRNAs
• Diagram mRNA processing
• Describe the roles of snRNAs in mRNA splicing
• Illustrate patterns of alternative splicing
• Describe RNA editing
• Explain how mRNA degradation can be regulated by the environment

 

 

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8.1 Transcription in Bacteria

 

RNA polymerase

• DNA template에 따라 NTPs(Ribonucleoside 삼인산)의 중합 촉매 역할
• RNA 합성은 항상 5'에서 3' 방향으로 진행된다.
• DNA polymerase와 달리, primer 없이 RNA 합성을 시작할 수 있다.
• 구조
  • 다수의 폴리펩타이드 사슬로 구성된 복합 효소
  • 다섯 가지 subunit : α, β, β', ω, σ

 

 

Bacterial promoters

• 전사 개시 부위로, RNA polymerase가 결합하여 유전자 전사를 시작하는 DNA 서열이다.

• subunit σ의 역할
  • RNA polymerase를 promoter로 유도한다.
  • -35 서열과 -10 서열에 특이적으로 결합하여 유전자 시작 부위에서 전사를 개시 

 

 

Elongation and termination

 

• Elongation(신장) : RNA polymerase는 DNA template를 앞에서 풀고 뒤에서 다시 감으면서 약 15 bp의 풀린 영역을 유지한다.
• Termination(종결) : GC-rich 역반복 서열이 약 7개의 A 잔기로 이어지는 패턴에서 전사가 종료된다.

 

 

 

8.2 Eukaryotic RNA Polymerases and General Transcription Factors

 

 

General transcription factors and initiation of transcription by RNA polymerase II

프로모터 구성 요소

• 전사 개시 부위를 둘러싼 다양한 서열 요소를 포함한다.
  • TATA box : TATAA, 전사 시작 시점에서 25-30 nucleotide 상부에 위치한다. 전체 RNA polymerase II promotor의 10 - 20% 에서만 발견된다.
  • inr(initiator) 요소 : 전사 시작 지점을 포함한다.
  • BRE(TFIIB Recognition Element) : 시작 지점 상류에 위치한다.
  • DCE, MTE, DPE : 시작 지점 하류에 위치한다.

전사인자

• TFIID
  • TBP(TATA-binding protein) : TATA box에 특이적으로 결합
  • TAFs(TBP-associated factors) : Inr, DCE, MTE, DPE에 결합 
• TFIIB : RNA polymerase II와 TBP-TFIIB 복합체 간 다리 역할
• TFIIF : RNA polymerase II가 TBP-TFIIB 복합체에 결합할 때 관여
• TFIIF : RNA polymerase II가 TBP-TFIIB 복합체에 결합할 때 관여
• TFIIH : Helicase와 단백질 kinase 활성을 포함하고 있다.
• Mediator : 20개 이상의 subunit으로 구성된 복합체로, 일반 전사 인자와 RNA polymerase II 모두와 상호작용한다.

 

 

 

 

Transcription by RNA polymerases I and III

 

 

RNA polymerase I

• 리보솜 RNA 유전자의 전사에 전적으로 관여한다.
• 5.8S, 18S, 28S rRNA를 암호화하는 유전자의 다중 tandem 복사본

RNA polymerase III

• 5S rRNA 전사 : TFIIA가 5S rRNA promotor에 특이적으로 결합한다.
• tRNA 및 snRNA 전사 : 각각 TFIIC와 SNAP에 의해 인식

 

 

8.3 RNA Processing and Turnover

 

Processing of ribosomal and transfer RNAs

rRNA 가공

• pre-rRNA는 절단 외에도 다음 과정을 거친다.
  • 특정 ribose 잔기에 메틸기 추가
  • Uridine(유라실)을 위유라실(Pseudouridine)로 전환

 

Nucleoi(핵소체)는 300개 이상의 단백질과 약 200개의 작은 핵소체 RNA(snoRNA)를 포함한다.

 

snoRNA & snoRNP

• snoRNA는 단백질과 복합체를 형성하여 작은 리보핵단백질 입자(snoRNP)를 만든다.
• snoRNA는 약 15개의 염기 서열로 18S 또는 28S rRNA와 상보적이다.
• snoRNA는 메틸화 또는 위유리딜화(pseudouridylation)를 담당하는 단백질을 표적으로 지정한다.

 

 

 

tRNA 가공

• 박테리아와 진핵생물 모두에서 tRNA는 더 긴 전구체(pre-tRNA)로 합성한다.
• RNase P
  • RNA와 단백질로 구성되며, 최대 활성에는 두 구성 요소 모두 필요하다.
  • 리보자임(ribozyme) : RNA가 촉매 활성을 담당한다.

 

 

Processing of mRNA in eukaryotes

 

mRNA 가공 과정은 양 끝의 modification과 중간의 intron 제거 과정이 진행된다.

 

Polyadenylation

Polyadenylation(폴리아데닐화) 신호

• 핵소핵산염(Hexanucleotide, AAUAAA) : 폴리아데닐화 위치의 상류 10-30 bp에 위치한다.
• U- 또는 GU-풍부한 하류 서열 요소를 포함한다.

 

 

Splicing mechanisms

스플라이싱 과정

1. pre-mRNA의 5' 스플라이스 자리에서 절단
   • 인트론의 5' 말단이 인트론 내부(3' 말단 근처)의 아데닌 뉴클레오타이드와 결합한다.
2. 3' 스플라이스 자리에서 절단 후 두 엑손을 연결한다.

 

 

 

 

 

 

스플라이스좀(Splicesome)

• 단백질과 RNA로 구성된 복합체
• 주요 RNA 구성 요소 : 작은 핵 RNA(snRNAs) - U1, U2, U4, U5, U6
  • U1, U2, U5는 각각 단일 snRNA를 가진다.
  • U4와 U6는 단일 snRNP에서 복합체를 형성한다.

 

• 5' 스플라이스 자리 인식
  • 5' 스플라이스 자리의 서열이 U1 snRNA의 5' 말단 서열과 염기쌍 형성

 

 

 

Self-splicing(자가 스플라이싱)

• 단백질이나 RNA 요소 없이 인트론을 자체적으로 제거한다.

splicing factors

• 스플라이싱 인자 : 특정 RNA 서열에 결합하여 U1과 U2 snRNP를 pre-mRNA의 적절한 위치로 모은다.

 

Alternative splicing

 

• 다양한 엑손 조합을 통해 하나의 pre-mRNA에서 여러 mRNA를 생성한다.
• 유전자 발현 조절의 새로운 메커니즘을 제공한다.

• mRNA 번역 또는 안정성에 영향을 미친다.
• 조직 특이적 및 발달 단계별 유전자 발현을 조절한다.

e.g. 초파리의 Dscam 유전자

• 뉴런 간 연결을 지정하는 세포 표면 단백질
• Dscam 유전자는 4개의 alternative exon 세트를 포함하고, 각 세트에서 하나의 엑손만 스플라이싱된 mRNA에 포함된다.

 

 

RNA editing

 

• 스플라이싱 외의 RNA 가공 과정에서 일부 mRNA의 단백질 암호화 서열을 변경한다.
  • e.g. ApoB(Apolipoprotein B) : 혈액 내 지질 운반 역할

 

 

 

RNA degradation

 

mRNA의 반감기

• 포유류 세포에서 mRNA의 반감기는 30분 미만에서 약 20시간까지 다양하다.

 

보호 메커니즘

• mRNA의 5' cap과 3' polyadenylation(폴리아데닐화)이 분해를 방지한다.

 

분해 과정

• 대부분의 진핵 생물 mRNA의 세포질 분해는 poly-A tail의 단축으로 시작한다.