Chp 08 co-Transcriptional pre-mRNA processing

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

 

당연한 얘기로 co라는 것은 동시에 일어난다는 것을 의미한다. 핵막이 없어서 전사와 번역이 동시에 일어날 수 있는 prokaryote와 달리(곧 이야기하겠지만 prok에서도 일부만 동시에 일어난다.) eukaryote는 전사가 일어나는 핵과 번역이 일어나는 세포질로 공간이 분리되어 있어서 동시에 일어날 수 없다. 그렇기 때문에 이 전사와 번역을 이어주는, 전사와 동시에 일어나는 pre-mRNA processing 과정이 중요하다고 할 수 있다. pre-mRNA processing은 5' capping, 3' polyadenyaltion 뿐만 아니라 Splicing 과정을 포함하며 각 과정에서 polymerase 2의 CTD(C-Terminal Domain)이 중요하게 작용하게 된다. 

 

전사에 대해 알아보기 전에 RNA polymerase에 대해 알아볼 필요가 있다. 

 

RNA polymerase

prokaryote는 한 종류의 RNA polymerase를 가지는 반면에 eukaryote는 3종류 이상의 RNA polymerase를 가진다.(식물의 경우 pol4, pol5도 존재한다.) 이들은 α-amanitin에 대한 sensitivity로 구분되어진다. 이들은 각기 만들어내는 RNA도 전사가 시작되는 mechanism도 다르지만 모두 Mg2+-mediated mechanism을 이용한다는 공통점이 있다. 

 

RNA polymerase의 Asparate 잔기는 두 개의 Mg2+를 이용해 nascent transcript와 NTP의 인산기가 연결되는 작용을 원할히 하게끔 한다. 

종류	Product	Mechanism
RNA pol I	47S pre-rRNA	-50NT에 UBF(Upstream Binding factor) 결합 -> SL-1 -> pol I recruit
RNA pol II	대부분의 protein coding gene, miRNA, snRNA U1,2,4,5,7	Recruit	TFIID가 -25~-30 region의 TATA box 인식 -> TFIIA -> TFIIB -> TFIIF가 pol II recruit
		Initiation	TFIIE, TFIIH(Helicase)가 pol II CTR의 Ser5 인산화 -> +1에서 pol II(TFIIF)가 전사 개시
		Elongation	pTEF-b가 pol II CTD의 Ser2 인산화 -> elongation
RNA pol III	tRNA, 5S rRNA, U6 snRNA, 7SL RNA, Alu element, RNase MRP...	+50NT(internal control sequence)에 TFIIIA(ZFN) -> TFIIIC -> TGIIIB -> pol III recruit

 

각각의 mechanism을 그림으로 보면 다음과 같다. 

RNA pol I
RNA pol II	Recruit	Initiation	Elongation
RNA pol III

 

여기서 특이한 점은 다름아닌 RNA pol II의 CTD이다. 이 CTD가 바로 transcription과 co-transcriptional pre-mRNA processing에 있어 중요한 부분이라 할 수 있다. 

 

CTD of RNA polymerase II

 CTD에는 hepatad repeat(YSPTSPS)이라고 불리는 서열이 52번 반복된다. 이 heptad repeat의 2번째 5번째 ser이 인산화되는데, 이 서열이 52번 반복되므로 potential phosphorylation site가 104개나 존재하는 셈이 된다. 인산화가 제공하는 정보에 따라 RNA polymerase는 capping을 해야하는지, splicing을 시작해야 하는지 poly adenylation을 해야하는지 elongation을 해야하는지 등의 정보를 얻게 된다. 

Herzel L et al., 2017

 위의 그림은 Splicing이 전사가 끝난 후가 아닌 전사와 동시에 진행된다는 것을 보여주는 자료이다. Ser5-P(전사 개시)와 Ser2-P(신장) 사이에서 U1, U2 snRNA가 exon을 인식하는 것이 파란색 그래프에서 보여진다. 실제로 U1 snRNP는 TFIIH와의 interaction을 통해 Ser5의 인산화를 인식한다고 한다. 

 

+) 사실 모든 splicing이 전사와 함께 진행되는 것은 아니다. dystrophin(무려 2.5Mb에 달해서 전사에 16시간이나 걸리는 걔)의 경우에는 splicing이 진행될 시간이 넉넉해서 co-transcriptional하게 진행되지만 느리게 제거되는 intron의 경우에는 전사가 끝난 이후에 진행될 수 있다. 또한 굉장히 짧은 gene의 경우에는 splicing이 일어날 시간이 불충분하기 때문에 전사가 이뤄지는 동안 factor만 미리 붙여놓고 전사 이후에 spliceosome으로 splicing을 진행하기도 한다. 

 

 

 

<덤> 

Prokaryote에서의 전사와 번역

일반적으로 bacteria의 전사와 번역은 동시에 일어난다고 알려져 있다. 하지만 사실은 이와 다르다. 빠르게 자라는 10~15%의 E.coli만이 co-transcriptional translation을 진행한다는 것이 밝혀졌다. 그래도 bacteria에서 전사와 번역이 일어나는 속도는 굉장히 비슷하기 때문에 CTT(Coupled-Transcriptional Translation) 이론이 제시되었다. 

Irastortza-Olaziregi M et al., 2021

사실 coupled와 co의 차이를 느낌으로는 알겠지만 완벽히 설명할 수는 없어서... 여튼 이 이론에 존재하는  model은 총 세가지다.

LLPS(Liquid-Liquid Phase Seperation)		마치 물과 기름을 섞으면 기름이 뭉치듯이 세포 내에서도 분자가 특정 위치에 뭉쳐서 존재하는데 Transcript가 뭉치면 떠돌던 ribosome이 결합한다는 이론
Transertion		nucleoid에서 떨어지는 ribosome-rich cytoplasm에서 번역이 진행되어 전사되는 동시에 바로 막에 박힌다는 이론
ribosome 조립		ribosome의 small, large subunit이 따로 존재하다가 조립되면서 coupled 된다는 가설

 

이 외에도 prokaryote에서도 eukaryote처럼 전사와 번역이 independent하다는 가설도 존재한다. 

nucloid 바깥에서 ribosome 만나 번역 진행