인트론

3. 인트론의 분류

인트론은 크게 다음과 같이 네 가지로 분류된다.

• 단백질에 의해 잘려지는 인트론: 뉴클레아제에 의해 잘려진다. 고세균과 진핵생물의 tRNA, rRNA에서 주로 발견된다.
• 스플라이소좀에 의해 스플라이싱되는 스플라이소솜형 인트론: 진핵생물의 유전자에서 발견된다.
• 그룹 I 인트론: 자기 스플라이싱형 인트론으로, 제한 효소를 코딩하는 영역이 있어 전이 현상을 일으킨다. 테트라히메나의 rRNA에서 처음 발견되었으며, 단백질 인자 없이 RNA만으로 스플라이싱 반응을 촉매할 수 있는 리보자임의 첫 번째 예가 되었다. 진정세균과 진핵생물의 엽록체 및 미토콘드리아에서 주로 발견되며, 진핵생물의 핵 유전자에서는 드물게 발견된다(rRNA만).
• 그룹 II 인트론: 자기 스플라이싱형 인트론으로, 역전사 효소를 코딩하는 영역이 있으며 전이 현상을 일으킨다. 주 스플라이소솜형 인트론과 유사한 반응 양식을 가지며 조상이 동일하다고 생각된다. 진핵생물의 엽록체와 미토콘드리아, 진정세균에서 발견된다. 고세균에서는 드물다.
• 그룹 III 인트론: 아직 잘 알려져 있지 않다. 유글레나(미크로세포)의 엽록체 등에서 발견되었다.

3. 1. 스플라이소좀 인트론 (Spliceosomal introns)

3. 2. tRNA 인트론

3. 3. 그룹 I 인트론 (Group I introns)

3. 4. 그룹 II 인트론 (Group II introns)

3. 5. 그룹 III 인트론 (Group III introns)

4. 스플라이싱의 정확성

스플라이소좀은 최대 100개의 단백질과 5개의 서로 다른 RNA를 포함하는 매우 복잡한 구조이다. 스플라이소좀에 의해 촉매되는 트랜스에스테르화 반응은 수천 개의 뉴클레오티드 거리에 있을 수 있는 부위들을 함께 가져오는 것을 필요로 한다.^[25][26] 모든 생화학 반응에는 오류율이 존재하며, 반응이 복잡할수록 오류율은 높아진다. 따라서 스플라이소좀의 스플라이싱 반응은 숨은 스플라이스 부위의 우발적인 절단을 억제하는 부속 인자들이 있음에도 불구하고 상당한 오류율을 가질 수 있다.^[27]

이상적인 상황에서 스플라이싱 반응은 99.999%의 정확도를 가지며(오류율 10⁻⁵), 올바른 엑손이 연결되고 올바른 인트론이 삭제된다.^[28] 그러나 이러한 이상적인 조건은 최상의 스플라이스 부위 서열과 매우 가깝게 일치하고, 인트론 내에 경쟁하는 숨은 스플라이스 부위 서열이 없어야 하며, 이러한 조건은 40킬로베이스 쌍 이상을 커버할 수 있는 대형 진핵 유전자에서는 거의 충족되지 않는다. 최근 연구에 따르면 실제 오류율은 이보다 훨씬 높을 수 있으며 유전자당 2% 또는 3%의 오류(오류율 2 또는 3 x 10⁻²)에 이를 수 있다.^[29][30][31] 추가 연구에 따르면 오류율은 인트론당 0.1% 이상이다.^[32][33] 이렇게 비교적 높은 수준의 스플라이싱 오류는 대부분의 스플라이스 변이체가 넌센스 매개 분해에 의해 빠르게 분해되는 이유를 설명한다.^[34][35]

유전자 내에 부정확한 결합 부위가 존재하면 스플라이싱 오류가 발생한다. 이러한 부위의 지속성에 대한 주장은 정크 DNA에 대한 주장과 유사하다.^[2][36] 결합 부위를 생성하거나 파괴하는 돌연변이는 약간 해로울 수 있지만, 가능한 돌연변이의 수가 많기 때문에 일부는 개체군에서 고정될 수밖에 없다. 이것은 인간과 같이 장기적인 유효 개체군 크기가 비교적 작은 종에서 특히 관련이 있다. 따라서 인간 게놈은 비정상적인 전사체 이소형의 생성을 유발하는 최적 이하의 서열을 상당량 가지고 있을 가능성이 있다.^[2]

촉매 반응은 대부분의 경우 효과적인 처리에 충분할 정도로 정확할 수 있지만, 전사 오류는 숨은 스플라이스 부위를 생성하는 돌연변이를 도입하므로 전체 오류율은 전사의 충실도에 의해 부분적으로 제한될 수 있다. 또한 10⁻⁵ – 10⁻⁶의 전사 오류율은 25,000개의 전사된 엑손 중 하나에서 스플라이스 부위에 삽입 오류가 발생하여 인트론 건너뛰기 또는 엑손 건너뛰기가 발생할 정도로 높다. 거의 모든 다중 엑손 유전자는 잘못 스플라이싱된 전사체를 생성하겠지만, 이러한 배경 잡음의 빈도는 유전자의 크기, 인트론의 수, 스플라이스 부위 서열의 품질에 따라 달라진다.^[2]

어떤 경우에는 유전자(DNA)의 돌연변이에 의해 스플라이스 변이체가 생성될 것이다. 이러한 돌연변이는 숨은 스플라이스 부위를 생성하거나 기능 부위를 돌연변이시키는 단일염기 다형성(SNP)일 수 있다. 또한 특정 조직이나 세포주에서 스플라이싱에 영향을 미치는 체세포 돌연변이일 수도 있다.^[37][38][39] 돌연변이 대립 유전자가 이형 접합 상태에 있으면 기능적인 것과 비기능적인 것, 두 가지의 풍부한 스플라이스 변이체가 생성된다. 동형 접합 상태에서 돌연변이 대립 유전자는 빅토리아 여왕의 후손에서 발견된 혈우병과 같은 유전 질환을 유발할 수 있으며, 이 경우 혈액 응고 인자 유전자의 인트론 중 하나의 돌연변이가 숨은 3' 스플라이스 부위를 생성하여 비정상적인 스플라이싱을 초래한다.^[40] 질병으로 인한 인간 사망의 상당한 부분은 정상적인 스플라이싱을 방해하는 돌연변이에 의해 발생할 수 있으며, 주로 숨은 스플라이스 부위가 생성되기 때문이다.^[41][2]

잘못 스플라이싱된 전사체는 쉽게 감지될 수 있으며, 그 서열은 온라인 데이터베이스에 입력된다. 이들은 일반적으로 "대체 스플라이싱된" 전사체로 설명되는데, 이는 실제 생물학적으로 관련된 대체 스플라이싱과 스플라이싱 오류로 인한 처리 잡음을 구별하지 못하기 때문에 혼란스러울 수 있다. 대체 스플라이싱 분야의 핵심 문제는 이 두 가지 가능성 간의 차이점을 파악하는 것이다. 많은 과학자들은 귀무 가설이 스플라이싱 잡음이어야 하며, 생물학적으로 관련된 대체 스플라이싱을 주장하는 사람들에게 증명 책임을 부과해야 한다고 주장해 왔다. 이러한 과학자들에 따르면, 기능에 대한 주장은 동일한 유전자에서 여러 기능성 산물이 생성된다는 설득력 있는 증거와 함께 제시되어야 한다.^[42][43]

5. 인트론의 진화

인트론의 진화적 기원에 대해서는 초기 인트론 모델과 후기 인트론 모델이 대립하고 있다. 초기 인트론 모델은 조상의 유전자가 많은 수의 인트론을 포함했으나 진화를 거치고 종이 분화되면서 소실되거나 달라졌다고 주장한다. 후기 모델은 새로운 인트론의 도입을 위해 어떠한 사전 조치를 한다고 가정하고 이 때문에 특정 유전자 변이의 같은 장소에서 유사한 인트론이 나타난다고 주장한다. 전혀 다른 2개의 종에서 같은 인트론 유형을 나타나는 수렴 진화 현상이 나타날 수 있다고 주장한다.^[12]

다양한 생물체의 게놈 내에서 인트론의 빈도는 광범위하게 변화하는 것으로 관찰된다. 예를 들어, 단백질을 암호화하는 유전자가 거의 항상 여러 개의 인트론을 포함하는 턱구조 척추동물(예: 인간, 생쥐, 복어)의 핵 게놈 내에서 인트론은 매우 흔하지만, 일부 진핵 미생물의 핵 유전자 내에서는 인트론이 드물다.^[12] 빵/맥주 효모(Saccharomyces cerevisiae)가 그 예이다. 반대로, 척추동물의 미토콘드리아 게놈은 인트론이 전혀 없지만, 진핵 미생물의 미토콘드리아 게놈은 많은 인트론을 포함할 수 있다.^[13]

특히 극단적인 예는 3.6 메가베이스(Mb) 이상의 인트론을 포함하는 초파리 dhc7 유전자이며, 전사하는 데 약 3일이 걸린다.^[14][15] 반면, 2015년 연구에 따르면 가장 짧은 것으로 알려진 후생동물 인트론 길이는 인간 MST1L 유전자에 속하는 30개의 염기쌍(bp)이다.^[16] 가장 짧은 것으로 알려진 인트론은 대부분의 인트론(> 95%)이 15 또는 16 bp인 Stentor coeruleus와 같은 이모류 섬모충에 속한다.^[17]

6. 인트론의 기능

인트론은 유전자의 대체삽입(alternative splicing)을 허용하여 한 유전자에서 여러 가지 단백질을 생산하도록 한다. mRNA 절단은 다양한 신호분자에 의해 수행된다.^[61] 인트론은 영양 감지 경로의 리보솜 단백질 유전자 억제를 통해 기아에 대한 세포 저항성을 촉진하는 기능도 한다.

인트론의 대부분 서열은 알려진 기능이 없는 쓰레기 DNA로 여겨졌지만, 짧은 염기서열 반복이 효과적인 mRNA 절단에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다. 인트론 절단 향상(intronic splicing enhancers)의 정확한 과정은 알려지지 않았지만, 전사 과정에서 스플라이오솜(spliceosome)을 안정화시키며 단백질과 결합하는 부위로 작용할 것으로 보인다.

7. 인트론의 획득 및 손실 기작

인트론은 진화 과정에서 획득되거나 손실될 수 있다. 인트론 손실은 역전사 효소 매개 인트론 손실(RTMIL)과 유전체 결실을 통해 일어난다. 인트론 획득은 인트론 전위, 전이 인자 삽입, 직렬 유전체 중복, 인트론 전달, 이중 가닥 파괴 복구(DSBR) 중 인트론 획득, 그룹 II 인트론 삽입, 인트론화 등 다양한 기작을 통해 일어날 수 있다.^[7] 인트론의 진화적 기원에 대해서는 초기 인트론 모델과 후기 인트론 모델, 두 가지 주요 가설이 있다.^[7] 초기 인트론 모델은 조상 유전자에 많은 수의 인트론이 존재했지만 진화 과정에서 종 분화에 따라 소실되거나 달라졌다고 주장한다.^[7] 반면, 후기 인트론 모델은 새로운 인트론 도입을 위한 사전 조치가 있어 특정 유전자 변이의 같은 위치에서 유사한 인트론이 나타난다고 주장하며, 서로 다른 종에서 같은 인트론 유형이 나타나는 수렴 진화 현상이 발생할 수 있다고 설명한다.^[7] 인트론-엑손 구조 변화는 점진적이고 주기적으로 발생하며, 코딩 서열의 진화와는 독립적으로 일어난다.^[7]

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