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역전사 효소

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목차

1. 개요

역전사 효소는 RNA를 주형으로 사용하여 DNA를 생성하는 효소로, 1970년 하워드 테민과 데이비드 볼티모어에 의해 독립적으로 발견되어 1975년 노벨 생리학·의학상을 공동 수상했다. 이 효소는 레트로바이러스의 복제 과정에서 RNA 게놈을 DNA로 변환하는 데 사용되며, HIV와 같은 바이러스의 감염과 증식에 중요한 역할을 한다. 역전사 효소는 오류 정정 기능이 없어 높은 돌연변이율을 보이며, 항바이러스제 개발 및 분자 생물학 연구에 널리 활용된다. 특히, RT-PCR 기술을 통해 RNA를 DNA로 변환하여 PCR 분석을 가능하게 하며, cDNA 라이브러리 제작에도 사용된다.

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역전사 효소

2. 역사

1970년, 위스콘신 대학교의 하워드 테민이 루스 육종 바이러스에서 역전사 효소를 최초로 발견했다.[32] 종양을 일으키는 RNA 바이러스에는 감염 후 오랜 기간 숙주(宿主) 중에 유전 정보가 남겨지는 것이 있어, 하워드 테민은 RNA가 DNA로 전사된다고 가정하고 실험을 통해 증명했다.[31] 같은 해 데이비드 볼티모어는 매사추세츠 공과대학에서 생쥐 백혈병 바이러스와 루스 육종 바이러스에서 역전사 효소를 분리하는 데 성공했다.[33] 이들은 이 공로로 1975년 노벨 생리학·의학상을 레나토 둘베코와 공동 수상했다.[5][6]

2. 1. 잘 연구된 역전사 효소


  • 인간 면역 결핍 바이러스 1형(HIV-1) 역전사 효소는 두 개의 서브 유닛을 가지며, 각 서브 유닛의 분자량은 66kDa와 51kDa이다.[7]
  • 몰로니 생쥐 백혈병 바이러스(M-MLV) 역전사 효소는 단일 75 kDa 단량체이다.[8]
  • 조류 골수모세포증 바이러스(AMV) 역전사 효소 또한 63 kDa 서브 유닛과 95 kDa 서브 유닛의 두 개의 서브 유닛을 가진다.[8]
  • 텔로머라아제 역전사 효소는 진핵생물 염색체의 텔로미어를 유지한다.[9]

3. 작동 원리

역전사(Reverse transcription)는 RNA의 유전 정보가 역전사 효소에 의해 DNA로 전달되는 과정이다. 레트로바이러스는 이 효소를 사용하여 RNA 게놈을 DNA로 역전사한 다음, 숙주 세포의 DNA에 삽입하여 증식한다. 인간면역결핍 바이러스(HIV)는 이 효소를 이용해 인간을 감염시키는데, 역전사 효소가 없으면 바이러스 게놈이 숙주 세포에 통합될 수 없어 복제가 실패한다.

역전사 효소는 일반적인 DNA 중합 효소와 달리 오류 정정 기능이 없어 많은 돌연변이를 일으킨다. 이 때문에 레트로바이러스는 매우 쉽게 변이된다. HIV 임상 연구에서는 후천면역결핍증후군(에이즈)에 감염된 환자가 여러 가지 변종의 HIV를 지니고 있는 경우가 자주 보고되고 있다.[24]

3. 1. 레트로바이러스의 역전사 과정

레트로바이러스는 6족 ssRNA-RT 바이러스라고도 하며, DNA 중간체를 가진 RNA 역전사 바이러스이다. 레트로바이러스의 유전체는 양성 센스 단일 가닥 RNA 2분자로 구성되며, 5' 캡과 3' 폴리아데닐화 꼬리가 있다. 레트로바이러스의 예로는 인간면역결핍 바이러스(HIV)와 인간 T-림프 영양성 바이러스(HTLV)가 있다. 이중 가닥 DNA는 아래와 같은 일련의 단계를 거쳐 세포질에서 생성된다.

# 리실 tRNA는 프라이머 역할을 하며, 프라이머 결합 부위(PBS)라고 불리는 바이러스 RNA 유전체의 상보적인 부분에 혼성화된다.

# 역전사 효소는 프라이머의 3' 말단에 DNA 뉴클레오티드를 추가하여, 바이러스 RNA의 U5 (비코딩 영역) 및 R 영역 (RNA 분자의 양쪽 끝에서 발견되는 직접 반복)에 상보적인 DNA를 합성한다.

# RNAse H라고 불리는 역전사 효소의 한 도메인은 RNA의 5' 말단에서 U5 및 R 영역을 분해한다.

# tRNA 프라이머는 바이러스 유전체의 3' 말단으로 "점프"하고, 새로 합성된 DNA 가닥은 RNA의 상보적인 R 영역에 혼성화된다.

# (2)에서 추가된 보충 DNA(cDNA)가 더 연장된다.

# 대부분의 바이러스 RNA는 RNAse H에 의해 분해되어 PP 서열만 남는다.

# 두 번째 DNA 가닥의 합성은 바이러스 RNA의 남은 PP 단편을 프라이머로 사용하여 시작된다.

# tRNA 프라이머가 떨어져 나가고 "점프"가 일어난다. 두 번째 가닥의 PBS는 첫 번째 가닥의 상보적인 PBS와 혼성화된다.

# 두 가닥 모두 연장되어 원래의 바이러스 RNA 유전체의 완전한 이중 가닥 DNA 복제본을 형성하며, 이 복제본은 효소 인테그라제에 의해 숙주의 유전체에 통합될 수 있다.

이중 가닥 DNA의 생성에는 ''가닥 이동''이 포함되는데, 여기서 초기 RNA 의존적 DNA 합성으로부터 유전체의 다른 쪽 끝에 있는 수용체 템플릿 영역으로 짧은 DNA 생성물의 전위가 일어나며, 이 영역은 나중에 역전사 효소에 의해 도달되고 처리되어 DNA 의존적 DNA 활성을 수행한다.

레트로바이러스 RNA는 5' 말단에서 3' 말단으로 배열되어 있다. 프라이머가 바이러스 RNA에 결합하는 부위를 프라이머 결합 부위(PBS)라고 한다. RNA 5' 말단에서 PBS 부위까지를 U5라고 하고, PBS에서 RNA 3' 말단까지를 리더라고 한다. tRNA 프라이머는 14~22개의 뉴클레오티드 사이에서 풀리고 PBS에서 바이러스 RNA와 염기쌍 이중체를 형성한다. PBS가 바이러스 RNA의 5' 말단 근처에 위치한다는 사실은, 역전사 효소가 프라이머의 3' 말단에서 5'에서 3' 방향 (새로 합성된 DNA 가닥을 기준으로)으로 DNA를 합성하기 때문에 특이하다. 따라서 프라이머와 역전사 효소는 바이러스 RNA의 3' 말단으로 재배치되어야 한다. 이러한 재배치를 수행하기 위해 여러 단계와 DNA 중합 효소, 리보뉴클레아제 H(RNase H) 및 폴리뉴클레오티드 풀림을 포함한 다양한 효소가 필요하다.

HIV 역전사 효소는 cDNA를 합성하는 동안 바이러스 RNA를 분해하는 리보뉴클레아제 활성과, 센스 cDNA 가닥을 ''안티센스'' DNA로 복사하여 이중 가닥 바이러스 DNA 중간체(vDNA)를 형성하는 DNA 의존적 DNA 중합 효소 활성을 가지고 있다. HIV 바이러스 RNA 구조 요소는 역전사의 진행을 조절한다.[1]

3. 2. 오류 발생 및 변이

역전사 효소는 일반적인 DNA 중합효소와 달리 교정 능력이 없어 RNA를 DNA로 전사할 때 높은 오류율을 보인다. 이러한 높은 오류율 때문에 교정된 형태의 복제에 비해 돌연변이가 가속화된 속도로 축적된다.[24] Promega에서 생산하는 시판 역전사 효소는 AMV의 경우 17,000개 염기당 1개, M-MLV의 경우 30,000개 염기당 1개의 오류율을 갖는다고 매뉴얼에 언급되어 있다.[24] HIV 임상 연구에서는 에이즈에 감염된 환자가 여러 가지 변종의 HIV를 지니고 있는 경우가 자주 보고되고 있다.

역전사 효소는 단일 염기 다형성 생성 외에도 전사체 융합, 엑손 셔플링, 인공적인 안티센스 전사체 생성과 같은 과정에도 관여하는 것으로 나타났다.[25][26] 역전사 효소의 이러한 '템플릿 전환' 활성은 완전히 ''생체 내''에서 입증될 수 있으며, 모델 유기체의 게놈에서 수천 개의 주석이 달리지 않은 전사체를 발견하는 원인 중 하나였을 것으로 추정된다.[27]

4. 세포 내 역전사 효소

레트로트랜스포존은 진핵생물 게놈의 일부로, RNA 중간체를 통해 게놈 내에서 이동하며 이 과정에서 역전사 효소를 사용한다. 레트로트랜스포존은 식물과 동물의 게놈에서 많이 발견된다. 텔로머라아제는 인간을 포함한 많은 진핵생물에서 발견되는 역전사 효소로, 자체 RNA 주형을 가지며 이 RNA는 DNA 복제를 위한 주형으로 사용된다.[16]

세균 레트론은 일부 세균에서 발견되며, 역전사 효소를 코딩하는 서열을 포함하여 msDNA 합성에 사용된다. DNA 합성을 시작하려면 프라이머가 필요한데, 세균에서는 복제 중에 프라이머가 합성된다.[18]

5. 구조

역전사 효소는 다른 바이러스 핵산 중합효소에서 발견되는 것과 유사한 "오른손" 구조를 사용한다.[22][20] 전사 기능 외에도, 레트로바이러스 역전사 효소는 복제에 필수적인 RNase H 계열에 속하는 도메인을 가지고 있다. 이는 RNA 주형을 분해하여 DNA의 다른 가닥을 합성할 수 있게 한다.[21] 분해된 일부 조각들은 다른 (플러스) 가닥을 만드는 데 책임이 있는 DNA 중합효소 (동일한 효소 또는 숙주 단백질)의 프라이머 역할을 하기도 한다.[22]

6. 복제 정확도

역전사 효소는 RNA를 DNA로 전사할 때 DNA 중합효소와 달리 교정 기능이 없어 오류율이 높다. 이러한 높은 오류율은 돌연변이가 가속화된 속도로 축적되게 하며, 레트로바이러스가 쉽게 변이되는 원인이 된다. 에이즈 환자가 여러 변종 HIV를 가지고 있는 경우가 임상 연구에서 자주 보고된다.[23] Promega에서 생산하는 시판 역전사 효소는 AMV의 경우 17,000개 염기당 1개, M-MLV의 경우 30,000개 염기당 1개의 오류율을 갖는다고 언급하고 있다.[24]

역전사 효소는 단일 염기 다형성 생성 외에도 전사체 융합, 엑손 셔플링, 인공적인 안티센스 전사체 생성과 같은 과정에도 관여한다.[25][26]

6. 1. 템플릿 전환

레트로바이러스는 각각 2개의 RNA 유전체를 가지지만, 감염 후에는 각 바이러스가 단 하나의 프로바이러스만 생성한다.[28] 감염 후, 역전사는 두 유전체 사본 간의 템플릿 전환(복제 선택 재조합)을 동반한다.[2] RNA 전사효소가 템플릿을 전환하는 이유에 대해서는 두 가지 모델이 제시된다. 첫 번째는 강제 복제 선택 모델로, 역전사효소가 틈새를 만났을 때 RNA 템플릿을 변경하며, 이는 재조합이 바이러스 유전체 무결성을 유지하는 데 필수적임을 시사한다. 두 번째는 동적 선택 모델로, RNA 분해효소 기능과 중합효소 기능의 속도가 동기화되지 않을 때 역전사효소가 템플릿을 변경하며, 이는 재조합이 무작위로 발생하고 유전체 손상에 대한 반응이 아님을 시사한다. Rawson et al.의 연구는 재조합의 두 모델을 모두 뒷받침했다.[2] 각 복제 주기마다 유전체당 5~14개의 재조합 사건이 발생한다.[29] 템플릿 전환(재조합)은 유전체 무결성을 유지하고 손상된 유전체를 복구하는 메커니즘으로 필수적인 것으로 보인다.[30]

7. 응용

역전사 효소는 항바이러스제 개발과 분자 생물학 연구에 널리 응용된다.

항바이러스제 측면에서, 역전사 효소 억제제는 인간 면역 결핍 바이러스(HIV)의 증식을 억제하는 데 사용된다. 이러한 억제제에는 지도부딘, 라미부딘, 테노포비어와 같은 뉴클레오시드 및 뉴클레오티드 유사체와 네비라핀과 같은 비뉴클레오시드 억제제가 있다.

분자 생물학 분야에서 역전사 효소는 역전사 중합효소 연쇄 반응(RT-PCR)에 활용되어 RNA를 DNA로 전사함으로써 RNA 분석을 가능하게 한다. 또한 mRNA로부터 cDNA 라이브러리를 생성하는 데 사용된다. 역전사 효소의 상업적 출시는 과학자들이 RNA를 복제, 서열 분석 및 특성화하는 데 기여했다.

7. 1. 항바이러스제

역전사 효소 억제제는 인간 면역 결핍 바이러스(HIV)가 자신의 유전 물질을 복제하고 새로운 바이러스를 생성하기 위해 역전사 효소를 사용하는 것을 방해하여 바이러스의 성장을 억제하도록 설계된 약물이다. HIV는 역전사 효소를 이용해 자신의 유전물질을 복제하고 새로운 바이러스를 생성한다. 역전사 효소 억제제에는 뉴클레오시드 및 뉴클레오티드 유사체인 지도부딘(상품명 레트로비르), 라미부딘(에피비어), 테노포비어(비리어드) 및 네비라핀(비라문)과 같은 비뉴클레오시드 억제제가 포함된다.

지도부딘(AZT)의 분자 구조, 역전사 효소를 억제하는 데 사용되는 약물

7. 2. 분자 생물학

역전사 효소는 분자 생물학 연구에서 중합효소 연쇄 반응 기술을 RNA에 적용하기 위해 흔히 사용되며, 이는 역전사 중합효소 연쇄 반응(RT-PCR)이라고 불린다. 고전적인 PCR 기술은 DNA 가닥에만 적용될 수 있지만, 역전사 효소의 도움으로 RNA를 DNA로 전사하여 RNA 분자에 대한 PCR 분석이 가능하게 되었다. 역전사 효소는 또한 cDNA 라이브러리를 mRNA로부터 생성하는 데 사용된다. 역전사 효소의 상업적 출시는 분자 생물학 분야의 지식을 크게 향상시켰으며, 다른 효소와 함께 과학자들이 RNA를 복제, 서열 분석 및 특성화할 수 있게 했다.

참조

[1] 논문 Structural basis of HIV-1 resistance to AZT by excision 2010-10
[2] 논문 Central dogma of molecular biology 1970-08
[3] 서적 The Philosophy and History of Molecular Biology: New Perspectives Kluwer Academic Publishers 1996
[4] 논문 Epigenetically facilitated mutational assimilation: epigenetics as a hub within the inclusive evolutionary synthesis 2019
[5] 논문 RNA-dependent DNA polymerase in virions of Rous sarcoma virus 1970-06
[6] 논문 RNA-dependent DNA polymerase in virions of RNA tumour viruses 1970-06
[7] 논문 Immunologic and proteolytic analysis of HIV-1 reverse transcriptase structure http://www.craiklab.[...] 1990-04
[8] 논문 Improving the thermal stability of avian myeloblastosis virus reverse transcriptase α-subunit by site-directed mutagenesis http://repository.ku[...] 2012-07
[9] 논문 The structure and function of telomerase reverse transcriptase 2006-06
[10] 웹사이트 Bio-Medicine.org - Retrovirus http://www.bio-medic[...] 2009-02-17
[11] 서적 Reverse transcriptase Cold Spring Harbor
[12] 서적 Molecular Biology of Tumor Viruses Cold Spring Harbor Laboratory
[13] 논문 The reverse transcriptase-RNase H: from viruses to antiviral defense 2015-04
[14] 웹사이트 The Life Cycle of HIV http://student.ccbcm[...] Community College of Baltimore Count 2008-01
[15] 논문 Advances in understanding the initiation of HIV-1 reverse transcription 2020-12
[16] 서적 Molecular cell biology https://archive.org/[...] W.H. Freeman and CO
[17] 논문 Otdelenie ot preparatov DNK-polimeraz I RNK-zavisimoy DNK-polimeraz; oshistka i svoystva fermenta 1977
[18] 논문 RNA-dependent DNA polymerase activity of RNA tumor viruses. I. Directing influence of DNA in the reaction 1972-01
[19] 뉴스 Could Giant Viruses Be the Origin of Life on Earth? http://news.national[...] 2014-07-17
[20] 논문 Structure of the RNA-dependent RNA polymerase of poliovirus 1997-08
[21] 논문 RNase H activity: structure, specificity, and function in reverse transcription 2008-06
[22] 논문 Structure and function of HIV-1 reverse transcriptase: molecular mechanisms of polymerization and inhibition 2009-01
[23] 서적 Reverse transcriptase Cold Spring Harbor Laboratory Press
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[25] 논문 Apparent non-canonical trans-splicing is generated by reverse transcriptase in vitro 2010-08
[26] 논문 Evidence that BmTXK beta-BmKCT cDNA from Chinese scorpion Buthus martensii Karsch is an artifact generated in the reverse transcription process 2002-06
[27] 논문 Response to "The Reality of Pervasive Transcription"
[28] 논문 Recombination is required for efficient HIV-1 replication and the maintenance of viral genome integrity 2018-11
[29] 논문 Estimating the in-vivo HIV template switching and recombination rate 2016-01
[30] 논문 Retroviral recombination and reverse transcription 1990-11
[31] 웹인용 역전사효소(reverse transcriptase) https://www.sciencea[...] 2020-04-29
[32] 저널 인용 RNA-dependent DNA polymerase in virions of Rous sarcoma virus https://www.ncbi.nlm[...] 1970-06-27
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