RNA

RiboNucleic Acid.

핵산의 한 종류. 5탄당의 한 종류인 '리보스(ribose)'를 중심으로 구성되어 있으며, 보통은 단일가닥이 스스로 얽히고 설킨 구조를 띤다.[1] RNA는 특이하게도 그 자체가 효소로서 작용하는 것(리보자임, ribozyme)도 있기 때문에, 단백질을 스스로 합성해 효소로 사용할 수 없었던 초기의 생명체는 스스로 효소의 역할을 할 수도 있는 RNA를 유전 물질로 사용했을 것이라고 추측하기도 한다.

DNA와의 차이점은 3종류 염기(아데닌,구아닌,사이토신)에 타이민을 쓰면 DNA, 유라실을 쓰면 RNA이다. 그리고 뼈대를 구성하는 당이 디옥시리보오스(deoxyribonucleic acid)[2]면 DNA, 리보스(Ribose)면 RNA이다.

왜 DNA는 타이민을 쓰고 RNA를 유라실을 쓰는가 하는 질문을 할 수 있는데, 염기 구조를 보면 타이민은 유라실과 거의 같지만 5번 탄소에 메틸기(-CH3)가 하나 붙어있으며, 사이토신에서 아민기를 제거한 탈아미노과정의 생성물이 바로 유라실이다. DNA가 유라실을 염기로 쓸 때의 문제점이 바로 여기서 오는데, 일단 타이민 대신 유라실이 있는 DNA를 상상해보자. 어느날 사이토신이 우연히 탈아미노과정을 거쳐 유라실로 바뀌어 버리면, 이 돌연변이 유라실과 원래 유라실을 구별할 방법이 없어지고 이는 걷잡을 수 없는 돌연변이로 이어진다. 한 염기가 다른 염기로 쉽게 바뀐다는 것은 심각한 문제이다. 따라서 유전 정보의 장기 보존이 중요한 DNA에서는 메틸기가 하나 더 붙은 타이민을 사용함으로서 우연히 사이토신이 탈아미노과정을 겪더라도 구별할 수 있도록 되어 있다. 그리고 DNA에 유라실이 생길 경우 uracil DNA glycosylase라는 효소가 이를 제거해 버린다.

지금도 바이러스 중에는 DNA가 아니라 RNA로 유전정보를 전달하고 있는 종들도 존재한다. 그런 바이러스 중 하나가 레트로바이러스(Retrovirus)이며, 센트럴 도그마를 깨는 데 결정적인 역할을 했다. 여기에 속하는 대표적인 녀석이 바로 AIDS를 일으키는 HIV와 코로나19의 원인균인 SARS-CoV-2이다.

RNA는 DNA에 비해 불안정하다. RNA는 보통 단일가닥이라서, 오류가 났을 때 비교/수정에 참고할 반대쪽 가닥이 없으며(DNA는 이중가닥이라 이 점에서 훨씬 안정하다), 게다가 뼈대에 쓰이는 당인 리보스는 DNA의 디옥시리보오스보다 반응성이 훨씬 크다. 그래서 제멋대로 반응해서 변이를 일으키는 빈도도 훨씬 높다. 리보스에서 2번 탄소의 -OH 작용기를 뺀 것이 디옥시리보오스. 저 반응성 강한 하이드록시 작용기가 없는 디옥시리보오스가 더 안정하다.

비유하자면, DNA가 안정적이지만 복제속도가 느린 승용차, RNA는 불안정하지만 빠르게 복제되는 오토바이라고 할 수 있겠다.

DNA에 유전자를 보존하는 생물도 단백질을 생산할 때는 일단 DNA를 RNA로 바꾸는 과정을 거친 후 생산한다. 센트럴 도그마 참고.

RNA는 전사 과정에서 만들어지는데, 전사된 RNA 중 단백질로 변환될 수 있는 정보를 가진 RNA들, 즉 coding RNA들을 mRNA라고 하며, 그 외는 non-coding RNA라 부른다. 고등 생물에서는 오히려 non-coding RNA의 전사가 절대적, 상대적으로 다수를 차지한다. non-coding RNA 중 하나인 microRNA(miRNA)는 약 21-23개의 뉴클레오티드로 구성된 비번역 RNA(non-coding RNA)로, 전사 및 전사 후 단계에서 타겟 유전자의 3′말단에 상보적으로 붙어 mRNA의 번역을 억제하는 기능을 한다. 사람을 포함한 동물, 식물 및 Epstein-Barr virus와 같은 몇몇 바이러스에서 관찰할 수 있다.

비번역 RNA가 갖가지 유전자 발현 조절에 관여하고 있다는 사실이 계속 밝혀지고 있다. 예를 들면 몇몇 병원체에서 보이는 RNA 온도계라 부르는 것으로 평소에는 가만히 있다가 사람 몸 속에 들어가면 사람의 체온에 의해 독성 유전자 발현이 활성화되도록 절묘한 구조를 가진 RNA가 있는가 하면, 특정 화학 물질의 존재 여부에 따라 마치 스위치를 켜고 끄듯이 유전자 발현을 가능/불가능하게 조절하는 리보 스위치 등이 있다.

전령 RNA, messenger RNA, mRNA


DNA와 전사 되고 있는 mRNA. (효소 생략)

mRNA는 화학적으로 암호화된 단백질을 생산하는 데 있어서 설계도와 같은 역할을 하는 RNA 중 하나이다. DNA에서 전사되어 형성되며, 유전정보를 암호화한 코돈이 포함되어 있다. 이 코돈은 3개가 한 단위로 하나의 아미노산을 지정하는데, 이 코돈과 상보적인 코돈(안티코돈)을 지닌 tRNA가 해당 아미노산을 가져와 리보솜에서 아미노산끼리 연결하고, 단백질을 생합성하게 된다.

사실 mRNA 기술은 2000년대부터 세계에서 뜨거운 감자로 칭송받는 혁신 기술이었다. mRNA 기술은 대표적 난치병인 암과 에이즈에 효과가 있기 때문이다.

길리어드 사이언스는 에이즈 치료제 빅타비를 개발할 때 mRNA 기술을 적용하였고, 화이자는 유방암 치료제 입랜스 개발에 성공하여 본격적인 표적항암치료제 시대를 열었다. 표적항암치료제란 기존 항암제와 달리 암세포만을 공격하여 파괴시키고, 암세포의 정보를 인체에 입력함으로써 면역 기능을 활성화하여 암세포의 발생 자체를 억제할 수 있는 차세대 치료제이다. 화이자의 입랜스 개발 성공 이후 전 세계 제약사들의 항암제 개발 프로젝트들은 모조리 mRNA 표적항암치료제 개발로 바뀌었다.

그러나 일반 세계 시민들한테는 SARS-CoV-2에 대한 화이자, 모더나의 백신으로 유명해졌다. mRNA 백신은 기존 백신에 비해 개발 기간이 1/100로 급감하기에 앞으로 mRNA 백신이 주류가 될 것으로 보인다. 특히 암과 에이즈(HIV)의 백신은 모조리 mRNA 기술로만 연구하고 있는 실정이다.

전사는 DNA에 적혀 있는 유전정보를 대신 전달해 주는 애가 있는데 그 애는 바로 mRNA이고 mRNA가 옮기는 과정을 말한다. RNA 중합효소가 이 과정을 맡는다. 기본적으로는 DNA 복제과정 중 한쪽 부분과 유사하나, 전사 과정에서는 한쪽 가닥만을 정보로 삼아 옮겨적고 RNA가 합성된 이후 DNA는 원상복구된다. 게다가 DNA복제와는 달리 프라이머가 필요없다.

원핵생물과 진핵생물의 전사과정이 약간 다른데 항목 참조.

진핵생물의 mRNA에는 인트론(Intron)과 엑손(Exon)이라는 부분이 있는데 인트론은 단백질에 대한 정보가 없고, 엑손에만 단백질 정보가 존재한다. 즉, 인트론을 제거하고 엑손만을 남겨야 정상번역이 된다. 이 과정을 RNA splicing이라고 한다. 인트론이 왜 존재하는지는 완전히 밝혀지지 않았다. 돌연변이 때문에 목숨이 위험해지는 상황을 줄이고, 한정된 유전자로 다양한 단백질을 만들기 위함[3]이 아니냐는 설이 존재한다.

위 그림에서 이어맞추기가 완료되어도 5' cap과 poly-A가 남아있는데, 이 둘은 엑손으로 취급 받는다. 자세한 설명은 항목 참조.

RNA 중합효소는 DNA로부터 1차 전사물(primary transcript) RNA를 합성하는 효소이다. RNA 중합효소는 DNA를 이용하여 RNA 사슬을 만드는 전사과정에 필수적이므로 모든 생물과 많은 바이러스에 존재한다.

참고로, 원핵세포의 RNA 중합효소와 진핵세포의 RNA 중합효소는 같은 효소가 아니다.

원핵세포는 α 소단위가 2개, β 소단위와 β' 소단위가 핵심중합효소를 구성하는 성분이 된다. 원핵세포의 RNA 중합효소는 σ 인자(Sigma factor)가 제거된 핵심중합효소는 중합(polymerization)속도는 빠르지만(RNA 중합효소를 구성하는 여러 인자 중에 σ 인자가 제거된 핵심중합효소는 빠른속도로 주형 DNA를 따라 RNA를 중합시킬 수 있다.) 프로모터(promoter)에 대한 특이성(specificity)이 없고 결합력(bonding strength)이 약화된다. 따라서 RNA pol(RNA polymerase)내부에서 대략 7n.t의 안정적인 RNA가 중합된 후에 σ 인자가 방출된다.(abortive initiation)

진핵세포는 대다수의 유전자를 포함하며 대부분의 진핵세포는 다세포 생물체를 구성하므로 다양한 유전자의 조직특이적 유전자발현(tissue-specific gene expression)을 유발시키기 위해 전사인자(transcription factor)를 이용하여 유전자의 발현을 촉진시킨다. 즉, RNA pol는 3가지를 포함하여 그 기능이 특성화되어 있다. RNA pol I은 리보솜 RNA(rRNA)<18-5.8-28S rRNA>가 전사, RNA pol II는 전령 RNA(mRNA)의 전사, RNA pol III은 운반 RNA(tRNA)와 5S 리보솜 RNA(rRNA)의 전사이다. 각 프로모터(promoter)에 특이적인 전사인자가 활성화되면 프로모터에 결합하여 RNA pol의 결합을 촉진(acceleration)하게 되므로 다양한 호르몬(hormone)에 의한 신호전달계가 전사인자의 활성을 조절하게 된다.

운반 RNA, transfer RNA, tRNA



단백질 합성에 관여하는 RNA이다. 염기서열의 끝에서 아미노산과 결합되며, 뉴클레오타이드의 염기서열 일부가 안티코돈[4]을 이룬다.

크릭이 제창한 adaptor 가설의 adaptor 가 tRNA 임이 확인되었다. S-RNA라고도 불렸다. 프레더릭 생어가 박테리아 만의 특별한 N-포밀메사이오닌-tRNA를 발견했다. tRNA의 정확한 구조는 우리나라의 김성호 박사가 1974년 밝혔으나 노벨상은 못 받았다.

3번 말단은 항상 5'-CCA-3'의 염기서열을 가지며, 여기의 3'-히드록시기에 아미노아실 tRNA 합성효소(Aminoacyl-tRNA synthetase; aaRS)가 아미노산을 갖다붙인다. (위 그림 우상의 노란색) 별도로 서술하겠지만, aaRS는 크게 두 가지 그룹으로 나뉘고 특이하게도 일반적인 진화론적 계통도 (그러니까 진핵생물, 세균, 고세균)하고는 일치하지 않는다.
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위 그림 맨 아래의 회색 부분이 안티코돈 부분으로서, mRNA의 리보솜 안에서 코돈하고 결합한다.

리보솜 안에서 tRNA는 아주 정확한 위치로 맞아들어가면서 mRNA와 결합하고 이어서 꽁무니에 달린 아미노산을 번역 중인 단백질에 갖다붙이게 되는데, 먼저 P/P 사이트(펩티딜 사이트. P/P라고 쓰는 건 그냥 P라고 쓰면 프롤린 약자인 P하고 헷갈리니까.)라고 불리는 리보솜의 특정 위치로 맨 처음 아미노아실 tRNA가 들어가게 된다. 이어서 두 번째 아미노아실 tRNA가 A/T 사이트(아미노아실 tRNA가 가장 먼저 들러붙는 사이트)로 들어오고, 안티코돈과 코돈이 맞는지 검사한다. 맞으면 이제 안으로 밀고 들어가면서 두 번째 아미노아실 tRNA가 제대로 A/A 사이트 (아미노아실 사이트)로 들어간다.[5] 들어간 두 번째 아미노아실 tRNA에 첫 번째 아미노아실 tRNA에 있던 아미노산이 옮겨붙으면서 첫번째 tRNA는 P/P 사이트에서 E/E 사이트 쪽으로 밀려가고 두 번째 아미노아실 tRNA에 아까 아미노산이 와 붙어서 펩티딜 tRNA가 된다. 완전히 밀려간 첫 번째 tRNA는 방출되고 이제 A/T 사이트에 다음 아미노아실 tRNA가 들어올 수 있게 된다. 이걸 계속 반복함으로써 단백질이 합성된다.


mRNA의 코돈 중 UAA, UGA, UAG는 해당하는 안티코돈을 지정하는 tRNA가 없기 때문에 종결코돈이 되는 것이다. 조금 더 자세히 설명하면, 해당 코돈들을 인식하는 건 tRNA가 아니고 eRF1(진핵세포 방출인자 eukaryotic Release Factor)이고, 일단 펩타이드가 떨어지고 나면 다시 eRF3이 붙어 리보솜에서 eRF1을 뜯어내어 복구시킨다.

원핵세포의 경우, UAG는 RF1, UGA는 RF2, UAA에는 RF1과 RF2가 모두 관여하며 RF3은 RF1과 RF2를 뜯어내는 작용을 한다.

리보솜 RNA, rRNA, ribosomal RNA
리보솜을 구성하고 있는 RNA. 줄여서 rRNA라고 한다.

진핵생물 기준으로 서술한다.

세포의 핵 속에 있는 인에서 주로 전사된다. 이후 핵공을 통해 들어온 리보솜 단백질과 결합하여 소단위체, 대단위체를 형성한다. 이후 다시 핵공을 통해 세포질로 빠져 나온다.

번역에 관여한다. 번역 시작 시 사용되는 mRNA의 개시 코돈(AUG)의 인식부위가 리보솜 소단위체에 있는 rRNA에 있다. 즉 rRNA가 있어야 전사가 시작된다. 특이하게도 소단위체를 단백질 분해효소로 분해하여도 rRNA는 분해가 되지 않기 때문에 전사가 시작된다고 한다.

miRNA 와 siRNA는 주로 mRNA를 분해하거나 억제하는 역할을 하는 small RNA 이다. 이 둘은 보통 이중가닥 RNA(dsRNA)로 부터 생성된다. dsRNA 는 dicer(DCL)에 의해 잘리고 small RNA가 된다. small RNA 는 RISC 단백질을 코어로 가지는 AGO 단백질의 PAZ 부위와 3'end 결합을 하여 운반된다. 이렇게 RNA와 결합한 AGO 단백질은 타겟이 되는 mRNA에 붙는다. 여기서 3가지 일은 하는데 1. AGO 단백질의 PIWI 부위를 이용해 mRNA를 자르거나 2. 자르지 않고 전사만 방해하거나 3. chromation-modifying을 한다. small RNA 와 ,AGO 단백질의 조합의 따라 위 3가지 중 1가지를 골라 작동한다. miRNA 와 siRNA의 생성과정 차이는 dsRNA 을 만드는 과정에서 부터 있다. miRNA는 스스로 접혀져서 헤어핀 모양의 RNA가 되어 dsRNA를 만든다. 하지만 siRNA는 양방향성 전사(bidirectional transcription) 에 의해 dsRNA가 된다. 자세한 생성과정은 밑 문단을 보도록 하자

miRNA는 mRNA의 분해를 통해 줄기세포의 유지 및 분화, 조직 특성의 분화, 관맥발달, 꽃문양(floral patterning) 의 발달,호르몬 신호 조절, 환경스트레스 대응에 필요하다. miRNA가 생성되는 과정은 포유류냐 식물이냐에서 갈린다.
포유류의 경우: 생성이 시작되는 과정이 크게 3가지로 분류된다. 1.Drosha에 의해 Pri-miRNA가 잘리고 pasha에 붙어서 pre-miRNA가 된다. 2.인트론 으로 암호하된 RNA가 스플라이싱 되어 pre-miRNA가 된다. 3.mritron RNA가 스플라이싱 되어 pre-miRNA가 된다. 이렇게 pre-miRNA가 생성되면 exportin 5-mediated pathway 에 의해 세포 핵에서 새포질로 운반되고 DICER1에 의해 22nt로 잘라져서 AGO와 결합하면 완성된다.
식물의 경우: 식물은 동물과 달리 Dorsha와 pasha가 없이 Pri-miRNA 에서 스플라이싱이 일어나 pre-miRNA가 된다. 그리고 DCL1에 의해 21nt로 잘린다. DCL1이 작동할때 3개의 단백질이 도와주는데 RNA에 붙는 단백질인 HYL1,DDL, zinc finger 단백질인 serrate(se)가 관여한다. 그리고 21nt로 잘린 RNA는 HEN1 에 의해 양쪽가닥 3'end에 methylation을 시켜준다. 이러한 과정은 RNA의 안정성을 높여준다. 여기에서 바로 AGO 와 결합해서 세포핵 내부에 남거나 활동을 시작하거나 exportin 5-mediated pathway에 의해 세포질로 빠져나가서 여기서 AGO 단백질에 의해 역할이 달라질수 있다.대표적으로 AGO1 단백질은 정단분열조직(shoot apical meristem) 형성에 관여한다. AGO10은 정단분열조직(shoot apical meristem) 형성과 pin head 돌연변이에 관여한다.
절반 이상의 miRNA는 전사인자를 타겟으로 사용된다. 그 외의 miRNA는 유비퀴틴을 매개로 발달 신호를 조절하는 F-BOX 단백질을 타겟으로 한다. 전사후 스플라이싱이 인트론으로 생성된 miRNA에 의해 조절 될 수도 있다.또는 AGO1과 DCL1 스스로가 miRNA의 타겟이되는 경우가 있는데 이는 miRNA 생성의 팀킬음성피드백이다. 심지어 miRNA가 직접 DNA를 cytosine methylation 반역을 하는 경우도 있다. 이렇게 직접 RNA가 직접 DNA를 메틸화 시켜 조절하는 것을 RNA dependent DNA Methylation(RdDM)이라고 부른다.

RdDM은 풀어쓰면 RNA dependent DNA Methylation이고 말 그대로 RNA가 DNA의 사이토신 메틸레이션을 주도 한다는 것이다. RdDM은 viroid에 감염된 담배에서 처음 관측 되었다. RdDM은 주로 RNA와 DNA의 서열이 똑같은 곳에서 주로 일어나고 일어난 후에는 서열이 다른곳 까지 methylation이 퍼진다. RdDM은 DRM단백질에 의해 일어나고 특히 DRM2가 중요하게 여겨진다. 이러한 RdDM의 DNA 메틸레이션은 DNA가 mutation에 취약하게 되고 실제로 DNA의 서열을 바꿀 수 있는 확률이 높아진다[6]. 이러한 RNA를 통한 DNA 메틸레이션의 변화는 환경에 의한 후성유전학적 진화중의 하나이며 DNA 메틸레이션에 의해 DNA의 서열이 변하는 것은 경험과 환경에 의해 생긴 획득형질 진화인 용불용설이 완전히 허무맹랑한 가설은 아닐 수 도 있다는 것을 시사하는 개념이다. 자세한건 후성유전학참고

Transivity 는 최초로 생긴 siRNA 가 secondary siRNA를 만들면서 siRNA의 매개로된 silencing을 증폭 시키는 과정이다. 2가지 방법으로 Transivity가 일어나는데
1. 최초로 생긴 siRNA가 특정 RNA에 붙어서 RdRP를 붙게 한다. 그리고 siRNA를 프라이머 삼아서 dsRNA를 만든 후 DCL을 통해 잘라 secondary siRNA를 만든다.
2. AGO와 결합한 siRNA가 특정 RNA에 붙어 RNA를 자른다 그리고 잘린 RNA에 RdRP가 프라이머 없이 무대포로dsRNA를 만든 후 DCL을 통해 잘라 secondary siRNA를 만든다.
라는 2가지 방법이 있다.

RNA 이어맞추기(RNA splicing)에 관여한다.

뉴클레이스 중 RNA를 자르는 RNase는 분명 단백질이지만 이상할 정도로 구조가 안정적이다. 강산이나 강염기 처리를 해도 실험용 pH로 돌아오면 구조가 복원되고 150도로 가열해도 상온으로 돌아오면 다시 활성화된다. 이 때문에 RNA 실험용 플라스틱 기구는 특별히 처리한 RNase-Free를 사용해야 하며, 유리로 만든 실험기구는 240도에서 4시간 이상 가열하거나 발암성이 있는 DEPC 수용액 등에 24시간 담가두어 RNase를 완전히 파괴해야 한다. 그렇지 않으면 RNA를 추출해도 RNase가 몽땅 분해해 버려 실험결과를 얻을 수 없게 된다.