분자생물학 (15) - Translation 2

Ribosome

 리보솜은 번역이 이루어지는 장소이며 rRNA와 단백질의 큰 복합체다.

 

 앞서 tRNA에서 aaRS 효소의 교정 기작에 대해 짧게 언급했었다. 

 

 그러면 리보솜에도 교정 기작이 존재하는가?

 

 리보솜에서는 놀랍게도 교정 기작이 전혀 존재하지 않는다. 만약 tRNA에 아미노산이 잘못 충전되더라도 리보솜에서 아무 문제 없이 번역이 진행된다.

 

 이것을 이용하여 어떤 단백질은 특이한 아미노산을 중간중간 끼워넣기도 하는데 tRNA에 아미노산이 충전된 후 다른 효소에 의해 그 아미노산이 변형되더라도 전혀 문제가 없기 때문이다.

 

 또한, 번역은 DNA의 복제나 RNA 전사와는 달리 상당히 느리게 일어나는 과정이다.

 

 그도 그럴 것이 수많은 tRNA들이 들락날락하며 아미노산을 차례차례 중합하므로 시간적으로 당연히 지연이 생길 수 밖에 없다.

 

 DNA의 복제는 초당 200~1,000개의 뉴클레오티드를 중합하지만 단백질의 번역은 초당 2~20개의 아미노산이 중합될 뿐이다.

 

 이 문제를 어떻게 해결할 것인가?

 

 원핵세포에서는 재밌게도 RNA의 전사와 번역이 동시에 일어날 수 있다. 

 

 물론 초당 60개의 리보뉴클레오티드를 해석하는 번역에 비해 초당 50~100개의 리보뉴클레오티드를 중합하는 전사가 조금 더 빠르긴 하지만  전사와 동시에 번역이 일어나는 것으로도 시간을 꽤나 아낄 수 있을 것이다.

 

 어떻게 이런 것이 가능한가?

 

 원핵생물은 우선 핵막이 없어 전사와 번역이 모두 세포질에서 일어난다. 그리고 원핵생물의 DNA는 인트론이 거의 없어 이어맞추기 과정이 필요하지 않다.

 

 게다가 이들은 전사가 진행되는 동시에 여러 개의 리보솜들이 차례대로 번역을 진행하여 번역의 속도를 향상시킬 수 있다.

 

 반면 진핵생물에서는 이 방법을 전혀 사용할 수 없으며 번역의 속도 또한 초당 6~12개의 리보뉴클레오티드를 해석하는 수준이므로 원핵생물에 비해 속도가 많이 느리다.

 

 그래서 진핵생물에서는 더더욱 폴리솜(Polysome)의 역할이 중요한데 폴리솜이란 하나의 mRNA에 여러 개의 리보솜이 결합한 것을 뜻한다.

 

 

 예전 포스트에서 이미 한 번 나왔던 모식도다. 이렇게 여러 개의 리보솜이 함께 번역을 진행할 경우 각각의 리보솜에서 단백질이 중합되므로 번역의 속도를 배가시킬 수 있다. 

 

 그리고 고리형 mRNA(Circular mRNA) 역시 번역의 속도를 향상시키기 위한 방법으로, 리보솜이 mRNA를 빙글빙글 돌려가며 반복적으로 번역할 수 있도록 해준다.

 

 리보솜의 구조는 두 개의 서브유닛으로 구성되어 있다.

 

 큰 소단위에서는 펩티딜 전이효소중심(Peptidyl transferase center)라는 활성부위를 가져 폴리펩티드 중합이 일어난다.

 

 작은 소단위에서는 해독중심(Decoding center)을 가져 mRNA가 결합하고 tRNA에 의한 해독이 일어난다.

 

 큰 소단위와 작은 소단위는 원심분리를 통해 분리할 수 있는데, 침강속도의 단위인 S(Svedberg)를 사용하여 이름을 붙였다.

 

 원핵생물의 큰 소단위를 50S, 작은 소단위를 30S라 부르는 이유가 저게 저 서브유닛들의 침강속도기 때문이다.

 

 두 서브유닛이 결합하여 리보솜을 형성하면 70S 리보솜이 되는데, 서브유닛들의 침강속도를 더한 값보다 작다. 그 이유는 형태적으로 저항을 좀 더 받기 때문이다.

(단순히 질량을 뜻하는 게 아니다. 같은 A4 용지를 편 상태와 구긴 상태로 떨어뜨렸을 때 무엇이 더 빨리 떨어지는가?)

 

 진핵생물도 마찬가지로, 큰 소단위는 60S, 작은 소단위는 40S, 리보솜은 80S 리보솜으로 부른다.

 

 이 두 서브유닛은 번역 과정에서 분리와 결합을 반복하는데, 번역의 개시 단계에서 아마 언급하게 될 것이다.

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리보솜의 큰 소단위체에는 세 군데의 tRNA 결합부위가 존재한다.

 

 각각 A 자리(Aminoacylated-tRNA site), P 자리(Peptidyl-tRNA site), E 자리(Exit site)로 부른다.

 

 이름 그대로 A 자리에는 아미노산이 충전된 tRNA가 들어오는 자리이며, P 자리는 펩티드 tRNA가 위치하는 자리다. 마지막 E 자리는 빈 tRNA가 잠시 머물렀다가 빠져나가는 자리다.

 

 리보솜은 5' -> 3' 방향으로 번역을 진행하기 때문에, mRNA에 결합한 tRNA는 A -> P -> E -> 순서로 리보솜을 지나게 된다.

 

 펩티드 결합은 P에 결합한 tRNA의 폴리펩티드와 A에 결합한 tRNA의 아미노산 사이에서 일어나게 되는데, 아미노산을 펩티드 사슬에 붙이는 것이 아니라 펩티드 사슬을 아미노산에 붙이게 된다.

 

 

 즉, 이런 방식이다. 그러면 펩티드 사슬은 어느 방향으로 중합이 진행되는지 알겠는가?

 

 폴리펩티드는 펩티딜-tRNA에 결합하고 있다가 아미노아실-tRNA의 아미노산과 펩티드 결합을 형성한다.

 

 아미노산과 tRNA는 아미노산의 카르복실기(-COOH)와 tRNA의 히드록시기(-OH) 사이에 고에너지 아실결합을 통해 결합한 상태다.

 

 그러므로 폴리펩티드의 중합은 N 말단 -> C 말단 방향으로 중합이 진행되게 된다. 

 

 위 모식도를 보자. P 위치에 존재하는 tRNA와 A 위치에 새로 들어온 tRNA 사이의 위치는 매우 근접하게 된다. 그야 바로 이웃한 코돈이니까 당연하다.

 

 여기서 펩티딜-tRNA와 폴리펩티드의 결합이 깨어지고 폴리펩티드와 아미노산 간의 결합이 생성되는 것을 펩티딜 전이효소반응(Peptidyl transferase reaction)이라 한다.

 

 이 반응에는 ATP를 소모하지 않는데, 아미노산이 tRNA에 충전될 때 소모한 ATP의 에너지가 고에너지 아실결합을 통해 저장되어 있기 때문이다.

 

 그런데 위 모식도에서는 마치 에너지가 소모되는 것 처럼 표현해 놓았다 어찌 된 일인가?

 

 저기서 소모되는 것은 GTP로, 폴리펩티드가 중합되는 과정에서 소비되는 것이 아니다.

 

 충전된 tRNA를 A 자리로 가져와 결합시키고 염기쌍이 맞는지 확인하기 위해 하나가 소모되고, 다른 하나는 펩티드 결합이 일어난 후 리보솜이 전진하기 위해 소모된다.

 

 이 부분은 번역의 신장 단계에서 자세히 얘기를 하게 될 것이다.

 

 또한 리보솜의 큰 서브유닛의 내부 활성부위는 대부분 rRNA로 구성되어 있는데, rRNA가 tRNA의 안티코돈 고리와 일부 결합하여 tRNA를 고정시키는 역할을 한다.

(따지고 보면 리보솜의 단백질은 rRNA의 인산 뼈대끼리 나타내는 척력을 상쇄하는 역할이 주된 용도라 할 수 있다)

  

 

 

 또한 리보솜의 큰 서브유닛에는 합성된 폴리펩티드 사슬이 빠져나올 수 있는 통로가 존재하여, 이 곳으로 폴리펩티드가 빠져나온다.

 

 이 통로는 아미노산 하나가 겨우 빠져나갈 정도로 좁아서 리보솜 내부에서 별도의 2차 구조를 형성하지 못 하도록 한다.

 

 만약 저런 별도의 통로가 없이 폴리펩티드가 내부에서 멋대로 2차 구조를 형성할 수 있도록 방치한다면 계속 중합하기가 꽤나 곤란할 것이다.

 

 다음으로, 리보솜의 작은 서브유닛에 대해 살펴보자면, 위 모식도에서 나타난 것과 같이 mRNA가 내부에서 꺾이게 된다(Kink).

 

 왜 꺾일까? 코돈을 정확하게 인식하기 위해서다. 앞서 DNA의 복제에서도 DNA 중합효소가 주형이 되는 DNA를 꺾어서 활성 부위에 하나의 뉴클레오티드만 들어오도록 하지 않던가.

 

 또한 그 결과 리보솜이 진행하여 tRNA가 E 위치에 가게 되면 자연스럽게 mRNA에서 떨어져 나와 리보솜 밖으로 빠져나가게 하기도 한다.

 

 그리고 작은 서브유닛에서 mRNA가 통과하는 통로 역시 매우 좁아 mRNA에 단백질이 단단히 결합하고 있을 경우 더 이상 번역을 진행시키지 못 한다.

 

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Translation

 드디어 번역이 시작된다.

 

 번역은 원핵생물과 진핵생물을 둘 다 다루게 될 텐데, 우선 원핵생물부터 보도록 하자.

 

 번역이 일어나기 위해선 mRNA와 리보솜 사이의 결합이 먼저 일어나야 한다. 

 

 원핵생물의 mRNA는 개시코돈의 상류에 짧은 특정 서열을 갖는데 이것을 리보솜 결합자리(RBS, Ribosome-binding site)라 한다.

 

 다른 말로는 샤인-달가노 서열(Shine-Dalgarno sequence)라 부르기도 하는데, 대략 3~9bp 정도의 매우 짧은 서열이다.

 

 이 서열은 30S 서브유닛을 이루는 16S rRNA와 서로 상보적으로 결합할 수 있는 서열이다.

 

 대부분의 mRNA 리보솜 결합자리는 5'-AGGAGG-3' 과 유사한 서열인데 16S rRNA의 핵심 부위 서열은 5'-CCUCCU-3' 로써 서로 잘 들어맞는다.

 

 이들의 상보성 정도와 리보솜과 개시코돈 사이의 공간에 따라 번역의 활성화에 영향을 미치게 되며, 상보성이 높을 경우 번역은 활성화되지만 상보성이 낮을 경우 번역의 효율이 낮아지게 된다.

 

 원핵생물의 mRNA의 특징 중 하나로 폴리시스트론(Polycistronic) 정보를 갖고 있다는 점인데, 각각의 열린 읽기틀(ORF, Open reading frame) 사이에 리보솜 결합자리가 위치해 있다.

 

 개중에는 열린 읽기틀 사이에 리보솜 결합자리가 위치하지 않거나, 또는 상보성이 매우 떨어지지만 번역이 매우 활성화되는 경우가 있다.

 

 이런 경우는 열린 읽기틀의 3' 말단 정지코돈과 새로운 열린 읽기틀의 개시코돈이 함께 겹쳐져 있는 경우다. 가장 흔한 경우가 5'-AUGA-3' 와 같은 경우로, 번역이 종결된 후 곧바로 옆의 개시 코돈을 인식하여 새로운 번역을 개시할 수 있다.

 

 이런 경우는 번역 짝지음(Translational coupling)이라 하며, 상류의 열린 읽기틀이 먼저 번역된 후에만 하류의 열린 읽기틀이 번역될 수 있으므로, 상류에 돌연변이가 생겨 번역이 중지되면 하류에서도 번역이 일어나지 않는다.

 

 그러면 이제 mRNA가 리보솜에 결합하기 위해 단백질이 이것을 조절할 것이다.

 

 원핵생물의 번역 개시는 IF1, IF2, IF3이라 불리는 번역개시인자(Translation initiation factor)에 의해 일어나는데, mRNA가 결합하기 위해 몇 단계의 사전 작업이 필요하다.

 

 

 

IF 3

 먼저, 리보솜의 30S 서브유닛에 IF3이 결합한다. 이것은 50S 서브유닛이 30S 서브유닛에 결합하는 것을 막는 역할을 한다.

 

IF 1

 뒤이어 IF1이 결합하는데 이것은 A 자리에 충전된 tRNA가 결합하는 것을 막는 역할을 한다. 그리고 IF2+GTP 복합체가 IF1에 결합하면 준비는 끝난 것이다.

 

 30S 서브유닛의 16S rRNA와 mRNA의 리보솜 결합 부위 사이에 결합이 형성된다.

 

 여기서 가장 이상적인 형태는 리보솜 결합자리와 16S rRNA가 서로 결합하였을 때, 개시 코돈이 50S 서브유닛의 P 자리에 위치하는 것이 가장 좋다.

 

 만약 거리가 너무 멀거나 너무 좁다면, 번역 활성이 뚝 떨어진다. 

 

 mRNA가 결합하면 곧바로 개시 tRNA(Initiation tRNA)라는 특이한 tRNA가 개시 코돈에 결합하는데 IF2가 개시 tRNA의 위치를 P 자리에 위치하도록 조절한다.

 

 일반적으로 번역 과정에서 충전된 tRNA는 A 자리로 먼저 들어간 후 리보솜의 내부에서 P 자리와 E 자리를 거쳐 빠져나간다는 점을 생각한다면 확실히 특이하다.

 

 개시 tRNA는 AUG 혹은 GUG를 인식할 수 있는 tRNA이며, N-포르밀 메티오닌(N-formyl methionine)이라는 변형된 메티오닌으로 충전된다. 메티오닌의 아미노기가 포르밀기로 치환된 형태다.

 

 충전된 개시 tRNA를 포르밀메티오닌-tRNA라 하는데, 개시 tRNA는 번역의 개시에만 사용되고 번역 중 나타난 AUG와 GUG에는 각각 평범한 메티오닌과 발린을 붙인다.

 

 개시 tRNA까지 성공적으로 결합하였다면, 30S 서브유닛의 구조가 바뀌어 IF3이 떨어져나간다. 그러면 50S 서브유닛이 30S 서브유닛에 결합할 수 있다.

(모식도에서는 mRNA 결합 전에 IF3이 떨어져나가는 것으로 표현되어 있으나, 아마 이 설명이 맞을 것이다)

 

 50S 서브유닛이 결합하여 70S 리보솜이 형성되면, IF2+GTP의 GTPase가 활성화되어 GTP를 분해하여 IF2+GDP를 형성함에 따라 다른 IF1, IF2+GDP가 모두 방출된다.

 

 이 단계까지 끝난 70S 리보솜을 70S 개시복합체(70S initiation complex)라고 하며, 리보솜의 A 자리에 충전된 tRNA가 결합할 수 있게 되어, 번역이 개시된다.

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 이번엔 진핵생물이다. 당연히(?) 훨씬 더 복잡하다.

 

 원핵생물들의 mRNA이 리보솜 결합 자리(RBS)또는 샤인 달가노 서열(Shine-Dalgano sequence)이라 불리는 특수한 서열을 통해 리보솜에 결합하는 것과는 달리, 진핵생물들의 mRNA는 5' 말단의 캡(5' Cap)을 이용하여 리보솜과 결합한다.

 

 진핵생물도 원핵생물과 마찬가지로 작은 서브유닛인 40S 서브유닛에 mRNA가 먼저 결합하게 되는데, 진핵생물은 5' 말단의 캡을 먼저 인식한 후, 5' -> 3' 방향으로 이동하며 개시코돈을 찾는다.

 

 이것을 스캐닝(Scanning)이라 하는데, 개시 코돈 자리를 쉽게 찾아낼 수 있도록 하기 위해 mRNA의 개시 코돈 주변에는 코작 서열(Kozak's sequence)라 불리는 특수한 서열이 있다.

 

 코작 서열은 앞 포스트에서도 언급했다시피 tRNA의 안티코돈 부위와 상호작용을 통해 개시 코돈을 더 쉽게 인식할 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

 

 그러면 이제 자세한 단계를 살펴보자. 어떤 단백질들이 있는가?

 

 진핵생물에서도 원핵생물과 유사하게 IF 단백질을 이용하는데, 진핵생물이라는 표시를 위해 앞에 소문자 e를 붙여준다.

 

 그리고 원핵생물과 다르게, 진핵생물은 mRNA에도 별도의 밑작업(?)을 하게 되는데 전에 두어번 말했던 고리형 mRNA를 형성하기 위해서다. 고리형 mRNA는 번역의 효율을 높인다.

 

 그렇지만 동시에 나가면 헷갈릴 수도 있으므로, 우선은 리보솜부터 먼저 살펴보자.

 

 

 이야 복잡하다! 그래도 차근차근 살펴보자. 과연...

 

 진핵생물에서도 40S 서브유닛과 60S 서브유닛의 결합을 억제하는 단백질로 eIF3 단백질이 사용된다.

 

 eIF3과 eIF1, elF1A, elF5 단백질이 40S 서브유닛에 결합하는데, eIF1A는 원핵생물에서의 IF1과 유사하게 A 자리의 tRNA 결합을 막는 역할을 한다. 

 

 그리고 eIF2+GTP 복합체가 개시 tRNA를 잡아다 40S 서브유닛에 결합시킨다.

 

 elF2+GTP+개시 tRNA 복합체를 삼중복합체(TC, Ternary complex)라 하고, 삼중복합체가 40S 서브유닛에 결합한 상태를 43S 개시전 복합체(43S pre-initation complex)라 한다.

 

 그러면 리보솜에서의 작업은 일차적으로 끝난 것이다. 여기서 기억해두어야 할 것은 원핵생물은 mRNA의 개시 코돈에 개시 tRNA가 결합하지만, 진핵생물은 개시 tRNA가 먼저 리보솜에 결합한 상태라는 것이다.

 

 어째서인가? 진핵생물은 5' -> 3' 스캐닝을 통해 개시코돈을 찾아야 하기 때문이다.

 

 그리고 진핵생물의 개시 tRNA는 평범한 메티오닌으로 충전된 tRNA로, 번역 중간에 사용되는 메티오닌-tRNA와 완전히 동일하다는 점도 원핵생물과는 다른 점이다. 

 

 그러면 이제 mRNA 쪽을 살펴보자. 여기가 더 만만치 않다.

 

 mRNA는 먼저 eIF4E이라 불리는 캡 인식 단백질에 의해 5' 말단의 캡이 인식된다. 그러면 뒤이어 이것을 마커로 하여 eIF4G, eIF4A, eIF4B와 같은 전사개시인자들이 추가적으로 결합한다.

 

 eIF4G는 eIF4E와 mRNA를 연결하고 있고, eIF4A는 eIF4G와 mRNA를 연결한다. 여기서 elF4A와 elF4G의 결합은 매우 중요한데, 세포 안에서 일어나는 번역을 조절하기 때문이다.

 

 elF4A+elF4G 복합체는 elF4B와 결합하게 되고, elF4B가 결합함에 따라 elF4A의 헬리카아제(Helicase) 활성이 나타나게 되어 mRNA에 생긴 혹시 모를 2차 구조를 풀어준다.

 

 그러고 나면 ATP를 소모하며 elF4G와 mRNA의 3' 말단 폴리아데닐화 잔기의 결합이 일어난다. 

 

 정확하게는 3' 말단 폴리아데노신에 결합하고 있는 단백질(Poly-A binding protein)과 elF4G 사이에 결합이 일어나는 것이다.

 

 어쨌거나 이것으로 인해 mRNA는 고리 형태를 이루게 되고, mRNA가 43S 개시전 복합체에 결합함으로써 48S 개시전 복합체(48S pre-initation complex)을 형성하게 된다.

 

 40S 서브유닛과 여러 번역개시인자들이 mRNA의 5' 말단에 결합하게 되면 곧이어 스캐닝이 시작되는데, ATP를 소모하고 eIF4A/B의 헬리카아제 활성에 의해 5' -> 3' 방향으로 리보솜이 이동하며 개시 코돈을 찾는다.

 

 개시 코돈을 찾으면 tRNA와 개시 코돈 사이의 결합이 형성되고, 결합이 올바르게 형성되면 43S 복합체의 구조가 변하며 eIF5의 구조를 변화시키고 이것은 다시 eIF2의 GTPase를 활성화시켜 GTP를 분해하도록 한다.

 

 eIF2+GDP는 eIF1, eIF3, eIF5와 함께 40S 서브유닛에서 떨어져 나오는데, eIF1A는 여전히 남아있다. 

 

 그러면 이것을 인식하고 eIF5B라는 또 다른 GTP 결합 단백질이 eIF1A와 개시 tRNA에 결합하게 되는데, 이 단백질은 개시 tRNA의 결합을 안정화시키며 60S 서브유닛의 결합을 유도한다.

 

 최종적으로 60S 서브유닛이 결합하게 되면 eIF5B+GTP는 GTPase 활성에 의해 elF5B+GDP가 되어 eIF1A와 함께 40S 서브유닛에서 떨어져 나가게 되고, 80S 개시복합체(80S Initiation complex)가 형성된다.

 

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Elongation

번역의 신장은 원핵생물과 진핵생물 둘 다 상당히 유사한 기작을 가지므로, 원핵생물을 기준으로 살펴보자.

 

 

 

 뭔가 또 복잡해 보이지만 앞서 살펴본 번역 개시보다야 훨씬 단순한 내용이다.

 

 충전된 tRNA. 즉, aatRNA(Aminoacyl tRNA)는 혼자서 리보솜의 A 자리로 찾아오지 못 한다. 

 

 그래서 aatRNA를 잡아서 리보솜으로 끌고 와 줄 단백질이 필요한데, 신장인자 중 하나인 EF-Tu(Elongation factor Tu)라는 단백질이 그 역할을 수행한다.

(진핵생물의 경우 eEF1A라는 단백질이다)

 

 이 단백질은 GTPase 활성을 갖고 있는 GTP 결합 단백질인데, GTP와 결합한 상태에서만 aatRNA, 리보솜과 상호작용이 가능하다.

 

 EF-Tu에 의해 aatRNA가 성공적으로 리보솜의 A 자리에 결합하면, EF-Tu의 GTPase가 리보솜의 큰 서브유닛에 의해 활성화된다.

 

 재밌게도 EF-Tu의 GTPase 활성을 촉진하는 자리는 앞서 살펴본 IF2의 GTPase 활성을 촉진하는 자리와 완전히 동일하다(!) 오오 재활용

 

 이 부위를 인자결합중심(Factor binding center)라 부르며, 진핵생물의 리보솜 역시 마찬가지다.

 

 EF-Tu와 결합한 GTP가 GTPase 활성에 의해 GDP로 분해되면, EF-Tu는 aatRNA에서 떨어져 나오게 되는데 aatRNA는 이미 mRNA와 염기쌍을 형성하고 있으므로 EF-Tu만 리보솜에서 빠져나가게 된다.

 

 빠져나간 EF-Tu+GDP 복합체는 EF-Ts의 도움을 받아 EF-Tu의 GDP를 GTP로 교체하여 다시 반응에 참가할 수 있게 한다.

 

 그러나 만약 코돈과 맞지 않는 잘못된 aatRNA를 끌고 왔을 경우에는 tRNA과 mRNA 사이의 결합이 제대로 이루어지지 않으므로 인자결합중심에 EF-Tu가 위치할 수 없게 되고, aatRNA는 EF-Tu에 결합한 채로 함께 리보솜에서 쫓겨난다.

(선택적 역학-Selective mechanism-이라 한다)

 

 하지만 리보솜에서 오류를 잡아내는 기작이 이것만 있는 것은 아닌데, 모두 tRNA의 안티코돈과 mRNA의 코돈 사이에서 제대로 염기쌍을 형성했는가를 살펴보는 방법이다.

 

 코돈 부위와 인접한 리보솜 작은 서브유닛의 16S rRNA(진핵생물은 18S rRNA)에는 두 개의 연속된 아데노신(AA)이 있다. 

 

 이 아데노신은 코돈과 안티코돈이 서로 상보적으로 결합하였는가를 검사하는 역할을 하는데, 셋째 자리의 코돈은 내버려두고 첫 번째와 두 번째 염기쌍만 검사한다.

 

 아니 어떻게 검사하나요? 저~ 뒤에서 DNA의 구조에 대해 설명할 때 염기쌍의 넓은 홈(Major groove)과 좁은 홈(Minor groove)에 대해서 언급했던 것을 기억하나?

 

 염기쌍의 넓은 홈은 염기쌍에 따라 화학적 정보가 풍부하여 염기 특이적 결합을 할 수 있으나, 좁은 홈은 어떻게 결합을 하든 구조가 유사하여 염기 비 특이적인 결합이 필요할 때 이용한다고 했었다.

 

 각각의 아데노신은 코돈-안티코돈 염기쌍의 작은 홈을 인식하여 상호작용한다. 즉, 이게 제대로 결합을 했나 안 했나만 보는거다.

 

 그것 뿐만 아니라 각각의 아데노신은 코돈-안티코돈 염기쌍을 좀 더 안정화시키므로, 다음에 설명할 tRNA의 적응(Accommodation) 과정에서 일어날 수 있는 tRNA의 분리를 막는 역할도 한다.

 

 만약 제대로 결합이 형성되지 않았을 경우, 상호작용이 불가능해진다. 그러면 적응 과정에서 tRNA와 mRNA 사이의 부분적인 결합이 버티지 못 하고 해리되어 tRNA가 리보솜에서 떨어져 나간다.

 

 적응이란 뭔가요? tRNA가 A 자리에 결합한 직후, 위의 모식도와는 달리 실제로 aatRNA의 3' 말단 아미노산은 펩티드 결합이 일어나는 부위와는 꽤 떨어진 곳에 위치한다.

 

 그래서 리보솜이 tRNA를 잡아다가 통째로 휙 돌려 꺾어서(...) 강제로 펩티딜 전이효소중심(Peptidyl transferase center)에 3' 말단의 아미노산을 위치시키는데 이 과정을 tRNA의 적응이라 한다.

(3' 말단과 그에 결합한 아미노산이 리보솜 내부에서 거의 70A를 이동해간다)

 

 적응 과정에서 tRNA는 본래 자신이 갖고 있던 가장 안정적인 구조가 아니라 리보솜에 의해 강제로 비틀리고 뒤틀리게 되므로 코돈-안티코돈 염기쌍에도 큰 부하가 걸리기 마련이다.

 

 그래서 세 염기쌍이 제대로 형성되지 못 하고 일부만 형성하고 있다면 적응 과정에서 버티지 못 하고 떨어져 나가는 것이다.

 

 하지만 여기서 중요한 점은, 리보솜에서 일어나는 교정 작업은 단지 코돈-안티코돈 사이의 상보적 염기쌍만 검사한다는 점이다.

 

 만약 처음부터 aatRNA에 잘못된 아미노산이 결합되어 있다면 리보솜은 이것을 구분할 수 있는가? 구분하지 못 한다.

 

 특히 tRNA의 안티코돈 서열은 꽤나 퇴화되어 있어(...) 종종 잘못된 아미노산이 충전되었음에도 불구하고 성공적으로 코돈-안티코돈 염기쌍을 형성하는 경우가 종종 생긴다.

 

 통계적으로 대략 1/1000~1/10000의 확률로 잘못된 아미노산이 첨가될 수 있다.

 

 이 확률은 정말 엄청나게 높은 것이지만 어차피 유전체도 아니고 단백질에서 일어나는 변이이므로 그냥저냥 감수하고 지내고 있다. 역시 진화는 게으르다.

 

 그러면 계속하여 펩티드 결합 과정에 대해서 살펴보도록 하자.

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펩티드 결합

 aatRNA가 A 자리에 들어왔으니 다음 단계로는 펩티드 결합이 형성되는 단계다.

 

 펩티드 결합은 리보솜에 있는 펩티딜 전이효소중심에서 일어나는데, 리보솜의 활성 부위는 거의 대부분 RNA로 구성된다.

 

 어떻게 RNA가 펩티드 결합을 촉매하는가? 펩티딜 전이효소중심을 구성하는 RNA는 23S rRNA(진핵생물은 28S rRNA)인데, 23S rRNA는 aatRNA의 CCA 말단(3' 말단)과 상호작용을 할 수 있다.

 

 바로 전 포스트에서 봤었던 tRNA의 적응이 23S rRNA와 CCA 말단 사이의 염기쌍 형성에 의해 일어나는 것이다.

 

 P 자리의 폴리펩티드와 A 자리의 아미노산이 충분히 가깝게 위치하면 펩티딜 전이반응이 일어난다.

 

 재밌는것은, 여러 실험결과 펩티딜 전이효소 뿐만 아니라 기질인 aatRNA의 구조 역시 반응을 촉매(기질보조 촉매, Substrate-assisted catalysis)한다는 점이다. 

(기질 자체가 반응을 촉매하는 경우는 그다지 흔하진 않다)

 

 이것을 토대로 리보솜에서 일어나는 펩티딜 전이반응의 모델이 제기되었는데, 다음과 같다.

 

 

 

 이 모델에 따르면, 먼저 펩티딜 tRNA의 3' 말단(CCA) 아데노신에 존재하는 3'번 탄소가 이웃한 2'번 탄소의 수소를 빼앗는다.

 

 졸지에 자기가 갖고 있던 수소를 빼앗긴 2'번 탄소는 aatRNA가 갖고 있던 아미노산의 아미노기에서 수소를 빼앗아간다.

 

 그러면 아미노기의 질소가 부분적 음전하를 띄게 되어 폴리펩티드의 에스테르결합을 공격하여 결합을 끊고 자신이 대신 펩티드 결합을 형성한다.

 

 이 일련의 과정을 양성자 셔틀(Proton shuttle)이라 한다. 여기서 펩티딜 전이효소는 반응이 잘 일어날 수 있도록 조절하는 역할을 한다.

 

 그러면 이 쯤 하여 다시 한 번 전 포스트에서 보았던 모식도를 다시 가져오자. 되돌아가서 보기엔 불편하니까. 그리고 분량이 뻥튀기

 

 

 2번까지 완료한 상태다. 이제 리보솜의 전좌(Translocation)가 일어나 코돈 하나만큼 전진하고, 일을 끝마친 빈 tRNA는 빠져나가야 한다.

(염색체 돌연변이의 전좌와 동일한 단어를 쓰므로 헷갈리지 않도록 주의하는 것이 좋겠다)

 

 여기에 관여하는 단백질이 신장인자에 속하는 EF-G(Elongation factor G)인데, 앞서 보았던 EF-Tu와 마찬가지로 GTPase 활성을 갖는 GTP 결합 단백질이다.

(진핵생물은 eEF-2 라는 단백질이다. 기능은 역시 동일하다)

 

 이 단백질이 어떻게 전좌를 촉매하는가는 정확하게 알려지지 않았으나, 부분적으로 밝혀진 바에 따르면 EF-G가 리보솜의 A자리를 차지함에 따라 tRNA들이 밀려나게 되어 전좌가 유도되는 것으로 여겨지고 있다.

 

 먼저, 펩티딜 전이효소반응이 일어나게 되면 A 자리에 위치한 tRNA가 부자연스럽게 꺾인 상태로 폴리펩티드 사슬을 달고 있게 된다.

 

 그래서 자연스럽게 본래 aatRNA였던 펩티딜 tRNA가 A 자리와 P 자리에 걸쳐 비스듬하게 위치하게 된다. 

 

 본래 펩티딜 tRNA였던 빈 tRNA 역시 새로 형성된 펩티딜 tRNA에 밀려 P 자리와 E 자리에 걸쳐 비스듬하게 위치한다.

 

 이 때의 tRNA를 걸친 상태(Hybrid state)라고 하는데, 안티코돈-코돈 사이의 강한 상호작용 덕분에 tRNA는 mRNA에서 떨어지지 못 한다.

 

 그러나 한 편, 리보솜의 A 자리에는 꽤나 많은 여유공간이 생기게 되는데 이 틈으로 EF-G+GTP 복합체가 비집고 들어온다.

 

 물론 마찬가지로 정상적인 경우 인자결합중심에 EF-G가 적절하게 위치하게 되는데, 그러면 GTP가 GDP로 분해된다.

 

 그러면 EF-G의 구조적 변형이 일어나게 되고, 리보솜의 작은 서브유닛에 존재하는 해독중심(Decoding center)와 상호작용을 하게 된다.

 

 그 결과 mRNA를 뒤로 밀어내어 tRNA를 각각 한 칸씩 밀어내고 자신이 A 자리를 차지한다.

 

 재밌게도 EF-G+GDP와 aatRNA+EF-Tu+GTP 복합체의 구조는 서로 상당히 비슷하다.

 

 오히려 리보솜의 작은 서브유닛과의 친화력만 따지면 일시적이긴 하지만 EF-G+GDP가 훨씬 더 높다.

 

 그래서 tRNA가 A 자리에서 쫓겨나게 되는 것인데, 이것은 분자모방(Molecular mimicry)의 한 예로 볼 수 있겠다. 

 

 A 자리에 있던 펩티딜 tRNA는 P 자리로 옮겨와 다시 안정적인 구조를 되찾게 되고, P 자리에 있던 빈 tRNA는 E 자리로 이동한다.

 

 그러나 구조적으로 E 자리는 mRNA와 tRNA의 염기쌍이 형성되지 못 하므로 빈 tRNA는 리보솜을 떠난다. 

 

 전좌가 완료된 후, EF-G+GDP와 리보솜과의 상호작용은 급격히 약해지는 것도 재밌는 부분인데 이것은 리보솜의 작은 서브유닛이 전좌 과정에서 구조적인 변화를 거치면서 EF-G+GDP와의 친화력이 급격히 떨어지는 것으로 여겨진다.

 

 그리하여 EF-G+GDP 역시 리보솜을 떠나게 되고, 정지 코돈이 나타날 때 까지 이 주기는 반복된다.

 

 따라서 번역 과정에서 하나의 아미노산이 폴리펩티드에 첨가될 때마다 GTP 2분자, ATP 1분자가 소모되는데, 정말 많이 소모하는거다(...)

(tRNA에 아미노산이 충전될 때 ATP 1분자, 번역이 신장되는 과정에서 GTP 2분자)

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Termination

mRNA의 번역은 정지코돈(Stop codon)이 나타날 때까지 지속되는데, 정지 코돈은 보통 UAA, UGA, UAG다. 물론 종에 따라 다른 녀석들도 있긴 하다.

 

 정지 코돈을 매개하는 tRNA는 없기 때문에 리보솜은 정지 코돈에서 멈추게 되는데 tRNA 대신 방출인자(Release factor)라는 단백질에 의해 정지 코돈이 인식된다.

 

 제 Ⅰ형 방출인자는 펩티딜-tRNA에서 tRNA와 폴리펩티드의 에스테르 결합을 가수분해하는 역할을 하는데, 원핵생물에선 두 가지(RF1, RF2)가 있고 진핵생물은 하나(eRF1)만 존재한다.

(UAA는 RF1, RF2 둘 다 인식 가능하고, UGA는 RF2, UAG는 RF1에 의해 인식된다. 진핵생물은 eRF1이 모두 인식한다)

 

 제 Ⅱ형 방출인자는 리보솜으로부터 제 Ⅰ형 방출인자가 분리되도록 하며, 원핵생물에서는 RF3, 진핵생물에서는 eRF3 이라 한다.

 

 

  

 모식도를 보자. 보면, A 자리에 방출인자 RF1이 결합하고 있는 것을 볼 수 있다.

 

 방출인자는 거의 단백질로만 형성되어 있으므로 RNA-단백질 상호작용을 통해 염기 특이적 결합을 하게 되는데, 실험결과 tRNA의 안티코돈과 유사한 역할을 하는 세 개의 아미노산이 존재함을 알게 되었다.

 

 이것을 SPF라 부르는데 Stop codon recognizing Peptide anticodon Factor 같은 거창한 이름이 아니라 단순히 안티코돈의 역할을 하는 아미노산의 배열이 세린(S)-프롤린(P)-페닐알라닌(F)이라는 뜻이다(...)

 

 그리고 방출인자의 GGQ 배열(Glycine-Glycine-Glutamin motif)이라는 특이적인 아미노산 배열에 의해 폴리펩티드의 분리가 유도된다는 것도 알게 되었다.

 

 RF1이 리보솜의 A 자리에 결합할 경우, GGQ 배열은 펩티딜 전이효소중심에 매우 가깝게 위치하게 되는데, 정확히 어떤 기전을 통해 폴리펩티드가 펩티딜 tRNA로부터 분리되는지는 밝혀지지 않았다.

 

 GGQ 배열이 직접 폴리펩티드를 떼어낼 수도 있고, 또는 리보솜의 구조를 변화시켜 자체적인 분해 활성을 갖도록 유도할지도 모른다.

 

 어쨌거나 폴리펩티드가 tRNA에서 떨어져나가고 나면 리보솜의 구조가 변하며 RF3+GDP 복합체의 GDP를 GTP로 바꾸도록 촉매한다.

(RF3은 GTP보다 GDP에 대한 친화력이 더 높아 평소엔 RP3+GDP의 형태로 존재한다)

 

 RF3+GTP 복합체가 형성되면 리보솜의 A 자리에 결합할 수 있게 되고, 이에 따라 RF1이나 RF2는 리보솜에서 분리된다.

 

 리보솜의 A 자리에는 뭐가 있다? 네번째 나오는 소리다. 인자결합중신(Factor binding center)가 존재하여 GTPase 활성을 촉진한다.

 

 RF3+GDP는 리보솜에 대한 친화력이 떨어지므로 자연스럽게 리보솜에서 분리된다.

 

 그러면 이제 남은 것은 리보솜, mRNA, 그리고 빈 tRNA(탈아세틸화된 tRNA) 두 개이다. 하나는 P 자리, 하나는 E 자리에 각각 위치한다.

 

 이걸 그냥 버리진 않는다 당연히. 리보솜 재사용(Ribosome recycling)을 통해 재활용할 것이다.

 

 원핵생물에서는 리보솜 재사용인자(RRF, Ribosome recycling factor)라 불리는 단백질이 EF-G+GTP 복합체, IF3과 함께 리보솜 재활용을 하게 되며, 진핵생물도 기전 자체는 거의 유사하다. 단백질 이름만 다르다.

 

 

 

 RRF는 리보솜의 텅 빈 A 자리에 tRNA가 결합하듯이 결합하는데, 그러면 EF-G가 이것을 인식하고 A 자리에 함께 결합한다.

 

 그러면 모종의 기전을 통해(...) 빈 tRNA 두 개가 모두 분리되는데, 이것에 대한 것은 아직 확실하게 밝혀지지 않았다.

 

 이에 대한 모델 중 하나는 번역의 전좌와 비슷하게 EF-G가 인자결합중심에 의해 GTPase 활성을 지니게 되어 RRF를 P 자리로 밀어내는 모델이 있다.

 

 RRF의 구조가 tRNA와 매우 유사하기 때문에 충분히 설득력이 있는 모델이다.

 

 그러고나면 RRF는 P 자리에 위치하게 되고 A 자리에서는 EF-G+GDP가 빠져나간다. 그리고 비어있는 E 자리에 IF3이 결합한다.

 

 IF3은 무엇을 하는 단백질이었나? 번역 개시에서 리보솜의 큰 서브유닛과 작은 서브유닛의 결합을 억제하는 단백질이었던거 기억하나?

 

 IF3에 의해 리보솜의 큰 서브유닛과 작은 서브유닛이 분리되고, 그로 인해 mRNA와 RRF까지 모두 분리되어 새로운 번역을 개시하기 위한 준비를 하게 된다.

 

 각 단계는 매우 단계적으로 일어나게 되는데, 중간의 어느 한 단계가 멈춰버리면 전체 반응이 일어나지 않게 된다.

 

 많은 항생제들이 번역의 특정 단계를 차단하여 세포분열을 방해한다. 맨 아래 포스트 참조

 

출처 : m.blog.naver.com/ling1134/70169007603

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