Lecture 5 (Chapter 7-2) From RNA to Protein

단백질 합성의 세 기구: 1) mRNA-the template 2) tRNA-the delieverer 3) rRNA (ribosome)-the synthesizer

1) mRNA 1950년대 말 까지 DNA가 일단 RNA로 전사 된 뒤 이로부터 단백질이 합성된다는 것에는 의견이 모아짐. The question is HOW? RNA(=핵산)의 언어가 단백질의 언어로 바뀌는 과정은 일종의 암호해독(deciphering)을 필요로 한다. Code – coding – triplet codon 하나의 아미노산을 stand for 하는 핵산이 세 개 (triplet codon)이라는 것을 어떻게 알아내었나?? 핵산의 종류는 4개. 아미노산의 종류는 20개. if mono-codons: 가능한 아미노산의 종류는 only 4 개. if doublet –codons : 가능한 아미노산의 종류는 4 X 4 = only 16 개 따라서 최소한 3개의 핵산이 하나의 아미노산을 암호화 해야 함. But WHO codes for WHICH??  p. 242 “어떻게 알았을까” 참조

07_24_UUU codes.jpg 07_24_UUU codes.jpg

07_25_coding.jpg 07_25_coding.jpg

07_21_nucl_sequence .jpg 07_21_nucl_sequence .jpg

Three reading frames : who is the real thing?  the “OPEN” one 07_22_readingframes.jpg 07_22_readingframes.jpg

2) tRNA 07_23_tRNA.jpg 07_23_tRNA.jpg

tRNA는 mRNA를 해독하면서 해당 아미노산과 연결해주는 adapter 이다. 약 80 nt로 이루어진 작은 RNA 가닥. 2차구조로 clover leaf모양을 형성하며 두 개의 leaf가 겹쳐서 다시 L자 모양. 두가닥을 이루지 않는 두 부위중 하나는 RNA상의 triplet codon과 결합하는 anticodon, 그리고 다른 하나는 해당 아미노산이 부착되어 있는 자리이다. 각각의 tRNA에 누가 지정된 amino acid를 붙여주나? 각 amino acid 마다 정해진 aminoacyl – tRNA – synthetase가 있다. 모두 20개. Anticodon과 아미노산 수용기 팔의 염기서열을 보고 판독. 따라서 translation 과정에서 이 효소의 정확도는 매우 중요. (A number game) 20 aminoacyl-tRNA synthetase 31 tRNA 61 (64-3 stop) codon 이것은 한 synthetase가 하나 이상의 tRNA를, 그리고 한 tRNA가 여러 개의 codon을 인지 할 수 있음을 보여준다.

07_26_2_adaptors.jpg A “wobble” is allowed here! 07_26_2_adaptors.jpg ATP를 소비하고 형성된 이 high energy bond는 나중에 peptide bond 형성에 사용됨.

tRNA의 구조상 anticodon의 첫번째 (=codon의 세번째) nucleotide는 완벽한 수소결합이 형성되지 않아도 좋다. 따라서 codon의 세 번째 자리에 약간의 변이가 허용됨. (=wobble) 바로 이 현상 때문에 많은 자연발생적 점돌연변이가 치명적인 결과를 가져오지 않고 넘어갈 수 있다. 또한 한 aminoacid에 배당되는 염기서열이 두 개 이상인 것도 이 현상으로 설명된다. (p. 241 그림 21 다시보기)

07_27_RibosomesEM.jpg 3) rRNA (ribosome) 실제로 단백질의 조립이 일어나는 공장. Some ribosomes are free. Some are bound to the ER.

원핵생물은 large, small subunit가 모두 조금씩 작다. 진핵생물의 ribosome은 세포질에서 합성된 rProtein이 핵으로 들어가 rRNA와 조합된 뒤 다시 세포질로 나와서 활동. 원핵생물은 large, small subunit가 모두 조금씩 작다. 07_28_ribosome.jpg

원핵생물의 ribosome large subunit를 형성하는 rRNA (23S + 5 S 원핵생물의 ribosome large subunit를 형성하는 rRNA (23S + 5 S. 진핵생물의 경우는 세 개의 28S rRNA.) 그림에서 보듯이 ribosome의 large subunit는 RNA (not protein) 이 전체적인 모양을 결정하며 peptide bond를 형성하는 기능도 담당한다.  A Ribozyme. 07_31_ribos_shape.jpg

07_29_binding.site.jpg 07_29_binding.site.jpg

07_30_3_step_cycle.jpg 단백질 합성 맛보기: 2. Elongation

07_32_initiation.jpg 1. Initiation 07_32_initiation.jpg

07_34_stop codon.jpg 07_34_stop codon.jpg 3. Termination

07_33_mRNA.encode.jpg Shine-Dalgarno (SD) sequence : AGGAGGU 5’-cap이 없는 원핵생물은 어떻게 단백질 합성을 시작하나? 각 ORF 의 앞쪽에 위치한 SD를 16S rRNA가 인지하고 부착한다. 원핵생물의 rRNA small subunit도 initiator tRNA를 장착하고 다님. 단 이 경우는 보통 Met가 아닌 fMET. 왜일까??

07_35_polyribosome.jpg Polyribosome 또는 polysome 진핵과 원핵생물에 모두 존재. 단 원핵생물에서는 mRNA가 아직 DNA에 붙어있는 상태에서 polysome이 형성된다. 07_35_polyribosome.jpg

진핵생물과 원핵생물의 단백질 합성 과정에서 찾을 수 있는 세부적인 차이는 인간에게 편리하다. e.g. 원핵생물의 단백질 합성만을 저해하는 인자를 사용하면 우리 몸의 세포에는 해를 주지 않으면서 감염된 병원균만을 죽일 수 있음. 이것이 바로 항균제, 또는 항생제 (antibiotics). 알려진 대부분의 항생제는 원핵생물의 단백질 합성단계중 하나를 저해한다. (p. 252 표 7-2) 곰팡이나 균류, 또는 원생동물 (공통점: 진핵생물!)이 일으키는 질병을 치료하기 어렵고 또한 이들을 죽이기 위하여 사용되는 약물이 환자에게 고통을 주는 이유는??

합성된 단백질의 분해 세포내에서 만들어진 단백질을 신속히 분해해야 하는 경우들이 있다. -특정 상황에서만 필요한 단백질 (세포주기 조절인자, 신호전달물질, etc) -잘못 접힌 단백질 이를 위하여 전문적인 분해 장소 (=proteasome) 가 존재. Ubiquitin 에 의한 단백질 분해 (ubiquitin-dependent proteolysis)는 가장 대표적인 단백질 분해 기구 . 07_36_proteasome.jpg

07_37_Protein.produc.jpg 07_37_Protein.produc.jpg

The RNA-World Hypothesis 07_38_RNA world.jpg

Idea의 저장 Idea의 실행 매개자

RNA world 가설을 지지하는 실제 증거들 1. RNA가 DNA보다 먼저 만들어졌다? -핵산의 모든 염기 (아데닌, 구아닌 시토신)은 각기 고유의 생합성 과정을 거치는 반면 유독 티민만은 우라실의 methylation을 통하여 만들어 진다. - 프라이머가 있어야만 하는 DNA 중합효소와는 달리 RNA중합효소는 새로운 가닥을 시작할 수 있다. 2. 실제 RNA가 유전물질로 작용할 수 있다 현재도 일부 바이러스는 RNA를 유전 물질로 사용한다. RNA virus중 retrovirus는 어쩌면 유전정보의 저장 기능이 RNA에서 DNA로 이양되는 과정을 보여주는 중간단계가 아닐런지?

RNA가 단백질의 역할을 맡는다는 증거 - 핵 속에서 여러 가지 작은 non-coding RNA들이 intron의 제거, mRNA의 변형과 교정, 그리고 telomerase에 의한 말단 연장에 사용된다.) - Ribosome 내에서 아미노산과 아미노산 사이의 peptide결합은 rProtein이 아니라 rRNA에 의하여 촉매된다. - RibonucleaseP는 tRNA의 전구체를 잘라서 완성된 형태로 만들어준다.

4. 그 밖의 증거 여러 생물이 siRNA와 miRNA같은 작은 non-coding RNA를 사용하여 유전자 발현의 fine-tuning을 조절한다 (= RNA interference). 이 현상은 선충에서 가장 먼저 발견되었으나 최근 식물과 동물, 특히 사람과 같은 고등 포유류에도 존재한다는 사실이 밝혀졌음. 그 응용범위가 다양한 첨단 생물학 연구는 물론 질병 치료에까지 미친다는 점이 높이 평가되어 2005년 Nobel상을 수상함. 또한 riboswitch 현상도 RNA가 자신의 translation을 스스로 조절할 수 있음을 보여준다.

07_39_copy_itself.jpg 1) RNA can replicate itself

07_40_ribozyme.jpg 2) RNA can modify other RNA 07_40_ribozyme.jpg

07_41_catalyze_synt.jpg 3) RNA can catalyze its own synthesis

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여러 가지 non-coding RNA RNA           이름                            기능             rRNA         ribosomal RNA                  단백질 합성 tRNA            transfer RNA                   아미노산 운반 snRNA          small nuclear RNA             splicing snoRNA        small nucleolus(인) RNA       RNA processing aRNA          antisense RNA                  유전자 발현 조절 miRNA          micro RNA                     유전자 발현 조절 siRNA          small interfering RNA          유전자 발현 조절

열공! “핵심용어” 수업자료 중에 제시된 (?) 들 문제 7-7 문제 7-10 문제 7-17 그림 7-31, 32, 33 보지않고 그리기