Transcript 1+2+3+4
진핵생물의 RNA중합효소의 역할 60% 인 30% 핵질 10% 핵질 hnRNA : heterogeneous nuclear RNA, 이질성 핵 RNA snRNA : small nuclear RNA, 작은 핵 RNA * RNA polymerase I transcribes only the genes for ribosomal RNA from a single type of promoter G+C rich ; 85% similar sequences rRNA gene UPE Core UBF가 UPE에 특이적으로 결합 UCE UBF Core SL1이 UBF에 결합 (UBF가 DNA에 결합하면, SL1이 협동적으로 UBF에 결합) UCE UBF UBF Core SL1 UPE Pol I이 SL1의 인접영역에 결합 Pol I Core SL1 전사개시 UPE SL1 Pol I Core 1. UBF와 협동하여 전사를 촉진 2. 자체로는 DNA에 결합할 수 없음 3. 중합효소 I으로 하여금 전사 개시위치를 찾도록 해 줌 4. 종 특이성 가짐 (인간과 쥐의 rRNA 프로모터를 구별) SL1 & UBF 1번 레인에서는 사람의 SL1이 없으면, 쥐의 주형만 전사. 사람의 SL1을 점차 첨가하면, 사람의 전사산물이 증가. RNA중합효소 II에 의해 인지되는 프로모터 핵심프로모터 -110 CCAAT box -70 Sp1전사인자가 GC box에 결합하여 전사를 촉진 GC box ? 핵심프로모터 -110 CCAAT box -70 Sp1전사인자가 GC box에 결합하여 전사를 촉진 GC box -GC box : TATA box로부터 수십 bp이상 떨어져 있으면, 전사촉진기능 소실 -Enhancer : 유전자의 상부 또는 하부 수천 bp 떨어져 있어도 활성을 가지며, 방향을 바꾸어도 그 활성을 잃지 않음 조직 특이성을 가짐 - Silencer : 염색질을 압축 및 꼬이게 하여 비활성화하여 전사 방해 (-42 ~ -17 === -17 ~ +17) TFIID = TBP (TATA box-binding protein) + TAF (TBP-associated factors) 초파리 TFIID의 구조 Sp1에 의한 전사 활성화-TAF 110 Pol II의 인산화 (전사개시 상태를 RNA 신장상태로 유도) Sp1에 의존적으로 전사를 자극 TFIID와 프로모터간의 결합을 안정화 Pol II와 다른 인자들이 결합하도록 하여 전사를 자극 Pol II를 프로모터로 인도하며 (RAP30), 비특이 DNA부위에 결합을 억제. 신장에도 중요한 역할 담당 이미 형성된 비특이 결합으로부터, Pol II를 방출. TFIIH의 헬리카제 활성 중합효소 II의 C말단영역 1. 뉴클레오티드 인산가수분해효소는 mRNA의 5말단 3인산기 에서 감마인산기를 잘라내어 2인산기만 남도록 함. 2. 구아닐전달효소는 GTP로부터 GMP를 mRNA말단의 2인산 기에 붙여서 3인산기 결합을 형성. 3. 메틸전달효소가 아데노실메티오닌의 메틸기를 캡형성 구아 닌의 7번째 질소에 전달. 4. 또 다른 메틸전달효소는 또 다른 아데노실메티오닌을 2번째 뉴클레오티드의 2-OH기의 메틸화를 위해 이용. (절단과 폴리A형성 특이인자) (절단촉진인자) (폴리A중합효소) (절단인자) : 1+2+3+4 : 1+2 (1) mRNA가 분해되는 것을 방지 (2) mRNA의 번역능력을 증진 (3) 핵에서 세포질로 mRNA가 이동되는 것을 증진 (4) mRNA 스플라이싱의 효율을 증진 +4 GC CCAAT TATA Enhancer : 72 bp repeat sequences U3 R U5 5’ LTR env pol gag U3 R U5 3’ LTR Recombination Transcription U3 R U5 Solitary LTR Transcription U3 HRE Enhancer R Promoter U5 Polyadenylation signal HS43 U3 repeats P R U5 HY73 M bp 1353 1078 872 603 1 2 3 A 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 4 1 P R U5 gtat 1 2 3 4 4 1 P R U5 gtat 1 2 3 4 4 1 P R U5 gtat 1 2 3 4 1 P R U5 gtat Human (1190bp) Chimpanzee (876bp) Bonobo (876bp) Gorilla (828bp) B Chimpanzee 1 876 Human 1190 1 1 Bonobo 1 C 876 Human 1190 1 1 Bonobo A 876 Chimpanzee 876 CpG island is a stretch of 1-2 kb in a mammalian genome that is Rich in unmethylated CpG doublets HDAC : Histone Deacetylase Complex MeCPs : Methyl-CpG-Binding Proteins 히스톤 탈아세틸화효소가 히스톤의 리신에 있는 아세틸기를 제거 뉴클레오솜의 안정화 전사 억제 Acetylation of histones activates chromatin Methylation of DNA and histones inactivates chromatin (MspI & HpaII) Enzymes cleave the same target sequence in DNA, but have a different response to its state of methylation. (1) A GC-rich DNA region located 1-2 kb upstream of approximately 56% of the genes in the human genome (2) CpG islands surround the promoters of constitutively expressed genes where they are unmethylated. (3) They are also found at the promoters of some tissueregulated genes. (4) There are ~29,000 CpG islands in the human genome. (5) Methylation of a CpG island prevents activation of a promoter within it. 유전자 조절에서의 메칠화(Methylation) 유전자 조절 기작을 밝혀내는데 DNA의 메틸화를 연구하는 학문을 후성학(epigenetics;後成學)이라고 한다. 게놈프로젝트의 연구가 거의 마무리 되었고 그 뒤 를 이어 프로테오놈 프로젝트가 시행되는 이른 바 포스트 게놈 시대가 도래되었다. 과학자들은 이러한 연구에서 얻은 정보를 이용하여 의학에 적용하거나 신약 개발에 활용하는 일에 최선을 다하고 있다. 그러나 이를 위해서는 단백질을 만드는 유전자의 기능과 조절 기작이 우선 밝혀져야 한다. 현재까지는 DNA염기서열의 변화와 재조합에 의해 형질의 변화가 발생한다고 알아왔다. 그러나 DNA의 염기서열이 변하지 않더라도 유전자 기능이 변하며 이 변화는 어버이로부터 자손에게 전해진다는 사실이 알려졌다. 후성학은 바로 이러한 현상, 즉 DNA염기서열의 변화없이 유전발현과 같은 기능의 변화가 일 어나는지를 알아내는 새로운 영역의 학문이다. 일반적인 유전학관점에서 중요한 현상은 염기가 바뀌는 돌연변이가 있지만 후성학에서는 염기에 메틸기가 붙는 메탈화 과정이다. 게놈의 염기서열에 C와 G 의 두 염기가 나란히 존재하는 것을 CpG라고 한다. 이 배열에서 시토신이 메틸화되는 경향이 많아 인간게놈의 경우 전체 시토신 중 3~4%는 메틸화 되어 있다. CpG는 진화과정에서 점차 감소되어 왔다. 게놈에 존재하는 CpG의 메틸화 정도와 패턴은 포유동물의 종에 따라 다르고 조직에 따라서도 다른 매우 특이적인 양상을 보이고 있다. 포유동물의 염기서열에는 CpG가 밀집되어 있는 'CpG 섬(island)'이라는 부위가 존재한다. 이 부위는 0.5~4kb 정도로 게놈의 유전자와 밀접한 연관성을 가 지고 있는 것으로 생각된다. 이 CpG섬은 유전자의 전사과정을 조절하는 프로모터 부근에 위치한다. 대부분 존재하는 CpG 섬은 메틸화 되지 않았으며 따라서 CpG섬의 메틸화는 중요한 의미를 가지고 있다. 부모에서 물려받은 각 염색체의 유전자가 모두 기능할 때 유전이상이 발생하는 유전자군이 수 십종이나 된다. 따라서 어느 한쪽의 유전자만 발현되어야만 한 다. 이러한 과정을 유전체 각인(GENOMIC IMPRINTING)이라고 하며 이러한 조절을 받는 유전자를 각인 유전자라고 한다. 이러한 각인 현상이 가능한 이유는 수정란의 발생단계 초기에서 해당 유전자의 CpG 섬이 선택적으로 메틸화되어 발현을 막기 때문이다. 메틸화되지 않은 대 립 유전자 만이 발현됨으로써 유전자용량(gene dosage)이 조절되는 것이다. 또한 각인 현상은 X염색체를 2개를 가지고 있는 여성에서 볼 수 있는 바(bar)체 에서도 볼 수 있다. 아울러 조직에서도 조직에 따라 특이적으로 CpG섬의 메틸화가 발생해 발현이 조절되는 것으로 알려졌다. CpG메틸화는 외부에서 유입되는 트랜스포손과 같은 이동성 유전자들의 기능을 무력화시키는 방어기작이 되기도 한다. 외부 유입유전자들의 프로모터 CpG 섬이 메틸화돼 유전자 발현이 원천봉쇄된다. 시간이 경과함에 따라 메틸기가 붙은 시토신이 티민으로 취환되어 결국에는 이동성 유전자들이 점차 기능을 상실 되는 것으로 생각된다. 아울러 암발생의 원인으로 암을 억제하는 유전자의 기능이 이들 유전자의 CpG섬에 메틸화라는 연구결과도 나오고 있다. 암억제유전자 의 기능소실은 돌연변이, 결실, 그리고 프로모터 영역의 메틸화로 일어나게 된다. DNA의 메틸화는 DNMT(DNA methyltransferase)에 의해 일어난다. 포유류에서 3 종류의 효소가 있다. 메틸화는 전사인자의 인식을 방해하며 일단 DNA가 메틸화되면 이 부위에서 '메틸기 결합 단백질'이 유도되게 된다. 이 단백질은 5종 정도 알려져 있으며 이들은 '히스톤 탈아세틸효소' 등과 결합하여 복합체를 형 성하게 된다. 유전자의 메틸화는 메틸기전달효소의 활성보다 히스톤변형 혹은 염색질 리모델링에 의해 전사과정을 억제하고 있다. 유전자의 전사과정에 대한 후성학적 조절 기작은 - DNA의 메틸화 - 히스톤의 메틸화/탈아세틸화 - 염색질 리모델링 의 세가지 서로 다른 기작이 밀접하게 연결되어 있다. 메틸화된 DNA 탐색 기술은 암발과 관련된 연구 등에 적용되고 있으며 항암치료를 위한 표적 유전자로 활용하기 위해 많은 연구가 이루어 지고 있다. 히스톤의 메칠화는 세포분열과 유전자 발현에 중요한 역할을 한다는 최근 보고가 있다. 배아발달 단계 초기에서 발현되는 유전자군에 HOX군이 있는데 이 유 전자군에 의해 신체의 패턴이 형성되고 그런 다음 영원히 잠재적으로 기능을 상실하게 된다. HOX유전자 그룹의 잠재화에 중요한 역할을 수행하는 또 다른 유 전자군으로 polycomb 유전자군이 있다. 이 유전자군에 돌연변이가 발생하면 Hox가 잠재화되지 않아 배아의 발달은 비정상적이 된다. 뉴클레오솜은 DNA 약 146쌍 정도와 4종류의 핵심 히스톤들로 이루어져 있다. 히스톤은 구형의 본체와 아미노 꼬리 부위를 가지고 있다. 히스톤의 메틸화가 유전자 발현에 중요한 기능을 수행한다. 히스톤 3에 있는 리신27이라는 특정 리신 잔기에 메틸화가 일어날 때 Polycomb 단백질이 기능을 한다. 이러한 연구 결과는 히스톤 메틸화는 비가역적이고 영구적인 과정이고 히스톤메틸화 분해효소도 아직 존재하지 않는다. 인간게놈의 전체 시토신 중, 3-4%는 메틸화 ! 조직특이성을 시사 ! 진화과정동안, 시토신이 티민으로 취환되어 유전자 기능 상실 ! De novo methylation