Chp2 RNA Structure

Molecular Biology of RNA 2nd edition (David Elliott & Michael Ladomery)

핵 안에 가만히 들어 앉아 Genetic information을 저장하고 있는 정보의 수뇌부 DNA.

하지만 DNA의 trancript인 RNA는 굉장히 공사다망한 영업직이다. 

protein synthesis의 주형으로 사용될 뿐만 아니라 gene expression 조절 등 할 일이 너무 많다. 

 

그럼 대체 RNA는 어떻게 이런 다양한 기능을 수행할 수 있는 걸까? 

바로 RNA가 마치 protein처럼 복잡하고 다양한 structure를 형성할 수 있기 때문이다. 

 

1. RNA structure heierarchy

  RNA는 단백질처럼 1차, 2차, 3차 구조를 가지고 있다.

Primary structure	nucleotide sequence
Secondary structure	inter&intramolecular base pairing을 통한 helices로 구성
Tertiary structure	secondary structure가 fold up된 구조로 매우 compact하며 organized되어 있어 기능을 수행함

 

단백질과 같이 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 기능과 연관되었다는 느낌은 대충 오지 않는가?

그런데, 그렇다면 왜 대체 DNA는 안 되고 RNA는 되는 걸까? 

 

 

2. RNA vs DNA

 DNA와 RNA의 가장 큰 차이점이라 하면 역시 Deoxyribose sugar(2'H)와 Ribose sugar(2'OH)의 차이를 떠올릴 수 있을 것이다. 그렇기 때문에 DNA는 hydrolysis로부터 더 안전해지는 특징을 가진다. 하지만 사실 두 당의 차이는 그 이상의 의미를 가지고 있다. OH가 가지는 charge로 인해서 당의 pucker또한 달라지게 되는 것이다. DNA는 2'C가 위로 올라간 C2'-endo의 form을 가지지만 RNA는 3'endo의 form을 가지게 된다. 이런 pucker의 차이는 인산기의 각도 또한 다르게 하는데, 이것은 RNA가 A-form DNA를 favorable하게 형성하도록 한다.  즉, 정리하자면 RNA의 2'OH는 당의 pucker을 다르게 하며 charge를 띠고 있어 RNA가 A-form helix를 형성하는 것을 더 선호하게 한다. 

 뿐만 아니라 RNA는 DNA보다 더 짧은 helix를 형성한다. DNA는 새로 합성되자마자 상보적인 가닥과 결합되기 때문에 바로 안정화될 수 있다. 하지만 RNA는? ... 슬프게도 세상에 혼자 남겨진다. 혼자 남겨지면 꼬일 위험이 크기 때문에 바로 짧은 duplex를 형성하게 되고, 이것이 RNA가 더 짧은 helix를 형성하는 이유이다. 

 또 RNA는 non-Watson base pairing을 형성할 수도 있는데, 이것은 RNA에 distortion을 일으키는 원인이 된다. 

 정리하면 다음과 같다.

 

 

3. RNA secondary structure

Google image 따라 그렸다.

 

	Helix - antiparallel - within / between RNA molecules
	Loop - helix안의 single strand region (4 nucleotide 이상) - RNA bending 시켜줌 - Internal loop(symmetric), buldge(asymmetric)
	Pseudoknot - loop와 single strand region간의 base pairing
	Kissing loop complex - 2 loop seqeunce 사이의 base pairing
	Helical junction - helices가 만나는 junction (3개의 helices가 만나면 three-way junction이 형성됨.)

 

이런 Secondary structure이 형성되기 때문에 RNA는 굉장히 멀리 떨어진 서열과도 상호작용할 수 있게 된다. 

뿐만 아니라 secondary structure는 UTR에서 많이 발견되는 경향성을 보여준다. 

그 이유는 RNA가 regulatory element로 작용되기 때문이다. 5'UTR은 translation 조절하는 자리로 이곳의 복잡한 구조는 Translation을 억제하거나 interfere할 수 있으며 혹은 IRES(Internal Ribosome Entry Site)로 작용하여 translation을 촉진시킬 수도 있다. 3'UTR은 보통 miRNA가 결합하는 자리로 translation을 억제하거나 degradation 등을 조절하게 된다. 따라서 UTR의 복잡한 구조는 regulation과 연관된다고 할 수 있다. 

 

 

또 이런 2차 구조는 polymerase를 sliding해주어 transcription efficiency를 향상시켜준다고도 한다.(https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.06.002 ; RNA가 전사될 떄 진행방향 반대쪽으로의 tortion도 생기는데 전사체가 2차 구조를 형성하면 RNA pol을 진행방향로 미는 힘이 생김)

 

 

 RNA의 secondary structure을 알아내는 방법으로는 SHAPE(Selective 2'-Hydroxyl acylation Analyzed by Promer Extension)이 있다. 먼저 single strand만 특이적으로 변형시키는 NMIA 와 같은 electrophile을 첨가하여 2'-O-adduct를 형성해준다.

이렇게 변형된 잔기는 더 이상 reverse transcriptase에 의해 복제될 수 없다.  그렇기 때문에 변형된 RNA를 주형으로 cDNA를 합성하면 랜덤한 길이의 cDNA가 합성되고 이를 gel에 내려 loop의 위치를 확인할 수 있다. 

 

 

4. Tertiary structure 형성 전략 

 ① Coaxial stacking: RNA helices가 서로 stack up 되는 것.

 ② Hydrogen bond

   - Base triplet(Hoogsteen pairing

     Watson-crick pair의 donor/acceptor가 아닌 다른 부분이 결합에 참여

 

   - Ribose zipper

    Ribose의 2'OH가 결합에 참여해 2개의 RNA molecule 연결

 

 ③ metal ion

  인산기와 ribose 2'OH의 negative charge를 중화시켜 repusion을 상쇄시켜 RNA와 helix가 서로 가까워질 수 있게 한다. (물을 통해 indirect하게도, 바로 direct하게도 가능하다.) 사실 2차 구조에서도 중요함 ㅋ