리보솜 RNA

3. 기능

rRNA는 mRNA 번역의 촉매 부위를 형성하는데 중요한 역할을 한다. mRNA와 tRNA를 결합하여 mRNA의 코돈 서열을 아미노산으로 번역하는 과정을 촉진한다. rRNA는 tRNA가 소형 소단위(SSU)와 대형 소단위(LSU) 사이에 끼어 있을 때 단백질 합성을 촉매한다. SSU에서 mRNA는 tRNA의 안티코돈과 상호작용하고, LSU에서 tRNA의 아미노산 수용체 줄기는 LSU rRNA와 상호작용한다. 리보솜은 에스테르-아미드 교환을 촉매하여, 생성된 펩타이드의 C-말단을 tRNA에서 아미노산의 아민으로 전달한다.^[15]

리보솜에는 A, P, E 세 개의 결합 부위가 있다.

4. 생합성

리보솜 RNA (rRNA)의 합성과 리보솜으로의 조립은 rRNA의 접힘, 변형, 처리 및 리보솜 단백질과의 조립을 통해 대형 리보솜 소단위체(LSU)와 소형 리보솜 소단위체(SSU)를 형성하는 과정이다. 원핵생물은 막으로 둘러싸인 세포 소기관이 없기 때문에 rRNA 합성은 세포질에서 일어난다. 반면 진핵생물의 경우 이 과정은 주로 핵소체에서 일어나며, pre-RNA 합성이 먼저 시작된다. RNA 중합효소 I에 의한 pre-RNA 전사는 세포 전체 RNA 전사의 약 60%를 차지한다.^[19] pre-RNA는 엔도뉴클레아제와 엑소뉴클레아제, RNA 헬리케이스, GTPase 및 ATPase에 의해 촉매되는 과정을 통해 접히고 리보솜 단백질과 조립된다. rRNA는 외부 전사 스페이서와 내부 전사 스페이서를 제거하기 위해 엔도뉴클레아제 및 엑소뉴클레아제에 의해 처리된다.^[20] pre-RNA는 리보솜 조립 인자 및 리보솜 단백질과 조립되어 pre-리보솜 입자를 형성하기 전, 메틸화 또는 유사유리딘화와 같은 변형을 거친다. 이후 핵소체에서 세포질로 이동하여 성숙 단계를 거친 후, 이 입자들은 결합하여 리보솜을 형성한다.^[20] rRNA의 1차 구조 내 염기성 및 방향족성 잔기는 스태킹 상호작용과 리보솜 단백질에 대한 인력을 통해 rRNA 골격과 리보솜 단위의 다른 구성 요소 사이에 가교 효과를 만든다.

4. 1. 진핵생물에서의 생합성

4. 2. 원핵생물에서의 생합성

5. 조절

리보솜 RNA(rRNA)의 합성은 여러 단계의 조절 과정을 거쳐 이루어진다.

진핵생물에서 리보솜 RNA 합성은 다양한 과정과 상호작용을 통해 항상성을 유지하기 위해 상향 조절 및 하향 조절된다. 키나아제의 일종인 AKT는 RNA 중합효소 I의 활성에 영향을 주어 간접적으로 rRNA 합성을 촉진한다.^[46] 특정 혈관 신생 리보뉴클레아제인 안지오제닌(ANG)은 핵으로 이동하여 핵소체에 축적될 수 있는데, ANG의 농도가 지나치게 높아지면 프로모터 영역의 rDNA에 결합하여 rRNA 전사를 불필요하게 증가시킬 수 있으며, 이는 핵소체에 해롭고, 무제한 전사와 암으로 이어질 수 있다.^[47] 세포 내 포도당이 제한적인 상황에서는 AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)가 에너지를 소비하지만 필수적이지 않은 대사 과정을 억제하는데, 결과적으로 AMPK는 RNA 중합효소 I을 인산화(Ser-635 부위에서)하여 전사 개시를 방해함으로써 rRNA 합성을 하향 조절한다.^[48] 리보솜 해독 센터에서 하나 이상의 슈도유리딘 또는 2'-O-메틸화 영역이 손상되거나 제거되면 새로운 아미노산의 통합 속도가 감소하여 rRNA 전사 속도가 크게 감소한다.^[49] 헤테로크로마틴 형성은 rRNA 전사를 억제하는 데 필수적인데, 이 과정이 없으면 리보솜 RNA가 무제한으로 합성되어 생물의 수명이 크게 감소한다.^[50]

원핵생물에서 rRNA 생성은 리보솜 합성의 속도 제한 단계이다. 대장균에서 rRNA는 7개의 ''rrn'' 오페론 내 두 개의 프로모터 P1과 P2로부터 전사된다. P1 프로모터는 성장 속도에 비례하여 rRNA 합성을 조절하며, rRNA 농도가 증가하면 리보솜 합성에 대한 음성 피드백 메커니즘으로 작용한다. 높은 NTP 농도는 ''rrn'' P1 프로모터의 효율적인 전사에 필요하며, 이는 리보솜 합성이 성장 속도에 의존하는 이유를 설명한다.^[51][52][53] rRNA 조절 메커니즘은 여러 중복을 가진다. 전사 수준에서 긍정적 및 부정적 효과자가 존재하여 세포 항상성 유지를 돕는다. ''rrn'' P1 프로모터 상류의 UP 요소는 RNA 중합 효소 서브유닛과 결합하여 rRNA 전사를 촉진하고, FIS와 같은 전사 인자는 프로모터 상류에 결합하여 RNA 중합 효소와 상호작용하여 전사를 촉진한다. 종결 방지 인자는 ''rrn'' P2 프로모터 하류에 결합하여 조기 전사 종결을 방지하며, 엄격한 반응으로 인해, 아미노산 가용성이 낮을 때 ppGpp(부정적 효과자)는 P1 및 P2 프로모터 모두에서 전사를 억제한다.^[51]

5. 1. 진핵생물에서의 조절

• 키나아제 AKT는 간접적으로 rRNA 합성을 촉진하는데, 이는 RNA 중합효소 I이 AKT에 의존하기 때문이다.^[46]
• 특정 혈관 신생 리보뉴클레아제인 안지오제닌(ANG)은 핵으로 이동하여 핵소체에 축적될 수 있다. ANG의 농도가 너무 높아지면, 일부 연구에 따르면 ANG는 프로모터 영역의 rDNA에 결합하여 불필요하게 rRNA 전사를 증가시킬 수 있다. 이는 핵소체에 해로울 수 있으며, 무제한 전사와 암으로 이어질 수도 있다.^[47]
• 세포 내 포도당 제한 상황에서 AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)는 에너지를 소비하지만 필수적이지 않은 대사 과정을 억제한다. 결과적으로, AMPK는 RNA 중합효소 I을 인산화(Ser-635 부위에서)하여 전사 개시를 방해함으로써 rRNA 합성을 하향 조절할 수 있다.^[48]
• 리보솜 해독 센터에서 하나 이상의 슈도유리딘 또는 2'-O-메틸화 영역의 손상 또는 제거는 새로운 아미노산의 통합 속도를 감소시켜 rRNA 전사 속도를 상당히 감소시킨다.^[49]
• 헤테로크로마틴의 형성은 rRNA 전사를 침묵시키는 데 필수적이며, 이 과정이 없으면 리보솜 RNA가 무제한으로 합성되어 유기체의 수명이 크게 감소한다.^[50]

5. 2. 원핵생물에서의 조절

• ''rrn'' P1 프로모터 상류의 UP 요소는 RNA 중합 효소 서브유닛과 결합하여 rRNA 전사를 촉진한다.
• FIS와 같은 전사 인자는 프로모터 상류에 결합하여 RNA 중합 효소와 상호작용하여 전사를 촉진한다.
• 종결 방지 인자는 ''rrn'' P2 프로모터 하류에 결합하여 조기 전사 종결을 방지한다.
• 엄격한 반응으로 인해, 아미노산 가용성이 낮을 때 ppGpp(부정적 효과자)는 P1 및 P2 프로모터 모두에서 전사를 억제한다.^[51]

6. 분해

리보솜 RNA는 다른 일반적인 유형의 RNA에 비해 상당히 안정적이며 건강한 세포 환경에서 더 오랫동안 지속된다. 일단 기능 단위로 조립되면, 리보솜 내의 리보솜 RNA는 세포 주기 정지기 동안 수 시간 동안 안정적이다.^[55] 리보솜 RNA의 분해는 리보솜이 결함이 있는 mRNA를 인식하거나, 번역을 중단시키는 다른 처리 문제에 직면하여 "정지"될 때 유발될 수 있다. 리보솜이 정지되면, 특화된 경로를 통해 전체 복합체의 분해가 시작된다.^[56]

6. 1. 진핵생물에서의 분해

• 40S 소단위에 대한 NRD 경로는 60S 소단위에 대한 NRD 경로와 독립적이거나 분리될 수 있다. 특정 유전자가 특정 pre-RNA의 분해에는 영향을 미치지만 다른 pre-RNA에는 영향을 미치지 못하는 것이 관찰되었다.^[59]
• Mms1p 및 Rtt101p와 같은 수많은 단백질이 NRD 경로에 관여하며, 이들은 함께 복합체를 이루어 리보솜을 분해 대상으로 삼는 것으로 여겨진다. Mms1p와 Rtt101p가 함께 결합하는 것으로 밝혀졌으며, Rtt101p는 유비퀴틴 E3 리가아제 복합체를 모집하여, 기능하지 않는 리보솜이 분해되기 전에 유비퀴틴화되도록 하는 것으로 여겨진다.^[60]
• 진핵 세포의 성장률은 비기능성 rRNA의 축적에 의해 크게 영향을 받지 않는 것으로 보였다.

6. 2. 원핵생물에서의 분해

• 진핵생물에서 rRNA 분해를 유발할 수 있는 rRNA의 특정 돌연변이는 원핵생물에서는 그러지 못했다.
• 23S rRNA의 점 돌연변이는 23S 및 16S rRNA를 모두 분해하게 했으며, 이는 한 소단위체에서 돌연변이가 그 소단위체만 분해하게 하는 진핵생물과 비교된다.
• 연구자들은 23S rRNA에서 전체 나선 구조 (H69)를 제거해도 분해가 유발되지 않는다는 것을 발견했다. 이를 통해 그들은 H69가 돌연변이된 rRNA를 인식하고 분해하는 데 엔도뉴클레아제에게 중요하다고 믿게 되었다.

7. 서열 보존성과 안정성

리보솜 RNA(rRNA)는 모든 생명체에 널리 존재하며, 그 서열은 시간이 지나도 크게 변하지 않는 특성을 지니고 있다.^[12] 이러한 안정성 덕분에 rRNA는 유전자 전달, 돌연변이, 생물 파괴 없이 일어나는 변화를 연구하는 데 매우 중요하다.^[13] rRNA 유전자는 변형과 침입에 강한 것으로 알려져 있으며, rRNA 서열 변화는 세포 기능에 심각한 손상을 초래할 수 있다.

rRNA 서열은 리보솜의 기능에 매우 중요한 역할을 하기 때문에 오랜 시간이 지나도 잘 보존된다.^[13] 특히 16S rRNA 계통 분석 정보는 비슷한 원핵생물 종을 구분하는 주요 방법으로 사용된다.^[14]

SILVA, SINA와 같은 유전자 데이터베이스 프로젝트는 리보솜 RNA 서열을 정렬하여 생물의 분류, 계통 발생 분석, 미생물 다양성 조사를 돕는다.

8. 의의

rRNA는 모든 세포에 존재하는 몇 안 되는 유전자 산물 중 하나이다.^[45] rRNA를 암호화하는 유전자(rDNA)는 유기체의 분류학적 그룹 식별, 관련 그룹 계산, 종 발산 속도 추정에 사용된다.^[68] RDP-II^[69] 및 SILVA^[70]와 같은 특수 데이터베이스에는 수천 개의 rRNA 염기서열이 저장되어 있다.

rRNA의 변화는 ''결핵균''(결핵 유발 세균)과 같은 특정 질병 유발 세균의 약물 내성을 유발할 수 있다.^[71] rRNA는 클로람페니콜, 에리스로마이신 등 여러 임상 관련 항생제의 표적이다. 또한, rRNA는 miR-663, miR-712와 같은 종 특이적 마이크로 RNA의 기원이기도 하다.^[73]

이러한 rRNA의 특성은 진화뿐만 아니라 분류학, 의학 분야에서도 중요하다. 특히 rRNA 연구는 질병 진단 및 치료 기술 개발에 활용될 수 있다.

9. 인간 유전자

10. 관련 용어

• 16S rRNA 계통 분석
• rDNA

참조

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