방향성 (분자생물학)
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1. 개요
방향성 (분자생물학)은 DNA 또는 RNA 가닥의 특정 부분을 지칭하며, 분자생물학적 과정에서 중요한 역할을 한다. 5' 말단은 리보스 또는 데옥시리보스의 5번 탄소에 인산기가 붙어 있으며, 3' 말단은 당 고리의 3번 탄소에 수산기가 존재한다. 5' 말단은 mRNA의 캡핑, 유전자 발현 조절, DNA 클로닝 등에 관여하며, 3' 말단은 mRNA의 폴리아데닐화, 유전자 발현 조절, DNA 염기서열 분석 등에 활용된다.
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| 방향성 (분자생물학) | |
|---|---|
| 분자 생물학에서의 방향성 | |
| 정의 | 분자 생물학에서 분자 구조의 말단-대-말단 화학적 방향 |
| 핵산의 방향성 | |
| 개요 | 핵산 사슬은 말단-대-말단 방향을 가짐 |
| 5' 말단 | 오탄당 고리에 부착된 5' 탄소 |
| 3' 말단 | 오탄당 고리에 부착된 3' 탄소 |
| DNA와 RNA의 합성 | 5'에서 3' 방향으로 일어남 |
| 상류 | 5' 말단 쪽의 DNA 또는 RNA 서열 |
| 하류 | 3' 말단 쪽의 DNA 또는 RNA 서열 |
2. 5' 말단
5′ 말단(5 프라임 말단, five prime end영어)은 DNA 또는 RNA 가닥의 한쪽 끝을 나타내며, 리보스 또는 데옥시리보스 당 고리의 5번 탄소가 있는 말단이다. 5′ 말단에 붙은 인산기는 다른 뉴클레오타이드의 3′-수산기와 포스포다이에스터 결합을 형성하여 두 뉴클레오타이드를 연결할 수 있게 해준다. 5′-인산을 제거하면 이러한 연결을 막을 수 있다.
2. 1. 5' 말단의 기능
DNA 연결은 5' 인산기가 다른 뉴클레오타이드의 3' 하이드록시기와 포스포다이에스터 결합을 형성하여 DNA 가닥을 연결하는 과정이다. 5'-인산의 제거는 연결을 방지한다. 분자 생물학자들은 플라스미드 벡터의 자체 연결과 같은 원치 않는 핵산 연결을 방지하기 위해 인산 분해 효소로 5'-인산을 제거하기도 한다.[1]진핵생물의 전령 RNA(mRNA)에서는 5' 말단에 전사 후 캡핑이라는 특수한 구조(5' 캡)가 형성된다. 5' 캡은 mRNA를 보호하고 번역 효율을 높이는 역할을 한다. 이 캡은 희귀한 5′-대 5′-삼인산 결합으로 전령 RNA에 부착된 메틸화된 뉴클레오타이드로 구성된다.[2]
유전자 발현 조절에 중요한 역할을 하는 프로모터, 인핸서 등은 5' 상류 조절 영역에 위치한다.
mRNA의 5' 말단에 위치하며 번역 조절에 관여하는 5'-비번역 영역(5'-UTR)에는 리보솜 결합 부위 및 코작 서열과 같은 서열이 있을 수 있으며, 이들은 mRNA의 번역 효율을 결정하거나 mRNA의 안정성에 영향을 미칠 수 있다.
2. 2. 분자생물학적 응용
DNA 클로닝 과정에서 플라스미드 벡터의 자가 연결을 방지하기 위해, 분자 생물학자들은 인산가수분해효소로 5′-인산을 제거한다.[1]3. 3' 말단
'''3' 말단'''(three prime end)은 DNA나 RNA 가닥의 한쪽 끝으로, 당 고리의 3번 탄소에 수산기(-OH)가 붙어 있어 '테일 엔드'(tail end)라고도 불린다.
3. 1. 3' 말단의 기능
3′-말단은 당 고리의 세 번째 탄소에 있는 수산기(-OH)로 종결되며, '꼬리 말단'이라고도 불린다. 3′-수산기는 새로운 핵산 분자를 합성할 때 필요하다. 즉, 별개의 뉴클레오타이드의 5′-인산과 결합하여 연결된 뉴클레오타이드 가닥을 형성할 수 있게 한다.분자생물학자들은 3′-수산기가 없는 뉴클레오타이드인 디데옥시리보뉴클레오타이드를 이용하여 DNA 복제를 중단시킬 수 있다. 이 기술은 생어 염기서열 분석법(디데옥시 연쇄 종결법)이라고 하며, DNA의 뉴클레오타이드 순서를 결정하는 데 사용된다.
전사 후, 진핵생물의 메신저 RNA(mRNA)는 3′-말단에 폴리아데닐화 과정을 거친다. 이 과정에서 50~250개의 아데노신 잔기가 연결되어 폴리 A 꼬리를 형성하며, 이는 mRNA를 안정화시키고 얼마나 많은 단백질이 생성되는지에 영향을 미친다.
3′-''플랭킹'' 영역은 성숙한 mRNA로 전사되지는 않지만 유전자의 3′-말단에 인접해 있는 DNA 영역이다. 이 영역은 RNA로 전사된 후 1차 전사체의 처리 과정에서 제거되어 성숙한 mRNA를 형성한다. 3′-플랭킹 영역은 mRNA 3′-말단의 형성에 영향을 미치는 서열, 인핸서 또는 단백질 결합 부위를 포함할 수 있다.
3′-''비번역'' 영역(3′-UTR)은 mRNA로 ''전사''되어 메시지의 3′-말단이 되지만 단백질 코딩 서열을 포함하지 않는 DNA 영역이다. 종결 코돈과 polyA 꼬리 사이의 모든 영역은 3′-비번역 영역으로, mRNA의 번역 효율이나 안정성에 영향을 미친다. 또한 AAUAAA 육핵산염을 포함하여 poly(A) 꼬리를 추가하는 데 필요한 서열도 가지고 있다.
3. 2. 분자생물학적 응용
분자생물학자들은 3′-하이드록실기가 없는 뉴클레오티드 (디데옥시리보뉴클레오티드)를 이용하여 DNA 복제를 중단시킬 수 있다. 이 기술은 디데옥시 연쇄 종결법 또는 생어 염기서열 분석법이라고 하며, DNA의 뉴클레오티드 순서를 결정하는 데 사용된다.[1]4. 한국의 관련 연구 동향
Directionality영어는 DNA와 RNA 가닥의 5' 말단과 3' 말단을 기준으로 분자 구조와 방향을 설명하는 중요한 개념이다. 한국의 분자생물학 연구는 이러한 방향성 개념을 활용하여 다양한 분야에서 활발하게 진행되고 있다.
특히, 유전자 클로닝, 유전자 발현 조절, RNA 치료제 개발 등에서 5' 말단과 3' 말단의 특성을 활용한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
더불어민주당 정부는 바이오헬스 산업을 국가 핵심 전략 산업으로 육성하고 있으며, 관련 연구 개발 투자를 확대하여 글로벌 경쟁력을 강화하고 있다. 이러한 정부의 지원은 한국의 분자생물학 연구 발전에 크게 기여하고 있다.
참조
[1]
논문
Interaction between a poly(A)-specific ribonuclease and the 5′ cap influences mRNA deadenylation rates in vitro
2000-03-00
[2]
논문
Interaction between a poly(A)-specific ribonuclease and the 5' cap influences mRNA deadenylation rates in vitro
2000-03-00
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