Lecture 4 (Chapter 7-1: From DNA to RNA).

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1 Lecture 4 (Chapter 7-1: From DNA to RNA)

2 DNA에 담겨진 유전암호가 실제로 해독되기 전에도, 이것이 어떤 방식으로든 단백질 합성을 지시할 것이라는 정도는 일반적으로 알려져 있었다. (…But How??)
단백질은 세포의 주된 구성성분이며 세포의 주요 구조뿐 아니라 그 기능도 담당. (cytoplasmic substances, structural proteins, enzymes.) 단백질은 자기 고유의 아미노산 서열을 가지고 있으며 이 서열 자체가 해당 polypeatide의 화학적 성질 및 입체 구조와 그에 따른 기능을 결정한다. 따라서 DNA의 염기서열에는 어떤 형태로든 이 아미노산 서열의 결정을 위한 정보가 들어 있어야 한다.

3 DNA는 그 자신이 직접 단백질로 변하거나, 단백질 합성 자체를 몸소 수행하는 것이 아니라, 그에 필요한 여러 작업을 작업자들에게 맡기는 지배인의 역할을 담당한다.
세포가 어떤 특정 단백질을 요구할 때는 염색체 DNA의 적당한 부위에 해당되는 염기 서열이 다른 형태의 핵산인 RNA로 “전사 (transcription)” 된다. mRNA (청사진) rRNA (합성 공장) tRNA (부품 배달부, 또한 실질적인 translator 이기도!) 박테리아에서 사람에 이르기까지 모든 세포가 이와 같은 방법으로 유전 정보를 발현하므로 이 기본적인 원리를 분자 생물학의 “중심원리 (central dogma)”라고 한다.

4 07_01_Genetic info.jpg Reverse transcripton Exception:

5 RNA를 거침으로써 얻어지는 이익: DNA가 핵 밖으로 나갈 필요가 없다. (진핵 생물의 경우)
염기 서열의 일부만 발현된다. (발현 시기와 상대적 양 및 효율의 조절)

6 07_02_Genes express.jpg 07_02_Genes express.jpg

7 07_03_RNA _v_DNA.jpg 07_03_RNA _v_DNA.jpg

8 07_04_U_A.jpg 07_04_U_A.jpg

9 RNA는 단일 가닥으로 존재하기 때문에 다양한 방식으로 접혀서
독특한 3차 구조를 가진다. 이러한 성질 때문에 정보 저장 이외에도 여러 기능을 수행 할 수 있다. (=ribozyme. Splisosome이 대표적인 예)

10 07_05_RNA.jpg 07_05_RNA.jpg

11 Transcription은 DNA 이중 나선 중 한 가닥 (=sense strand)을 주형으로 하여 일어난다.
07_06_Transcription.jpg Transcription은 DNA 이중 나선 중 한 가닥 (=sense strand)을 주형으로 하여 일어난다. 염색체상에서 주형으로 쓰이는 가닥은 유전자마다 각기 다르다. ( 따라서 전사 방향 역시!) 실제로 만들어진 RNA 산물의 염기서열은 전사되지 않는 가닥(=antisense)과 동일하다. Antisense RNA/DNA 는 자연적 또는 인위적으로 세포내 유전자 발현 조절에 이용된다.

12 07_07_RNApolymer.jpg No helicase, no gyrase, No primosome required.
RNA 중합효소는 DNA복제 떄 여러 다른 효소에 의하여 수행되던 기능을 모두 담당할 수 있다. 07_07_RNApolymer.jpg 07_07_RNApolymer.jpg No helicase, no gyrase, No primosome required.

13 07_08_Transcript_EM.jpg 하나의 유전자에서 전사가 완결되기 전에 다시 앞쪽에서부터 전사가 시작되기도 한다.
활발하게 합성되는 종류의 단백질 유전자에서 특히 그러함. 아래 그림: 인접한 rRNA 유전자의 동시다발적 전사. (note) rRNA와 tRNA는 그 자체가 최종산물이며 단백질로 만들어지지 않음. (=so called Non-Coding RNA, 최근 rRNA와 tRNA 이외에도 많은 종류가 새롭게 발견됨. p.230 표 7-1 참조 07_08_Transcript_EM.jpg 07_08_Transcript_EM.jpg 핵과 세포질의 구별이 없는 원핵세포에서는 심지어 전사가 완결되기도 전에 그 시점까지 만들어진 RNA가닥에 ribosome들이 달라붙어 단백질 합성을 시작하는 경우도 있다.

14 07_09_1_bacterial gene.jpg 07_09_1_bacterial gene.jpg

15 전사의 개시 (Initiation) DNA가 복제될 때와 마찬가지로, 전사가 시작될 때도 DNA 이중나선을 풀어주어야 함.
따라서 전사가 시작되는 부분은 이러한 작용을 하는 단백질 인자들이 와서 달라붙는 자리가 된다. 이 부위는 자연적으로 전사의 시기 및 장소를 결정짓는 역할을 한다. (promoter, upstream regulator. general element, gene-specific element.) Chapter 8 에서 좀 더 자세히…

16 DNA-dependent RNA polymerase의 작용으로 DNA를 주형으로 RNA 가닥을 합성하는 과정.
전사 (transcription) DNA-dependent RNA polymerase의 작용으로 DNA를 주형으로 RNA 가닥을 합성하는 과정. rNTP를 building block으로 사용하며 연결 과정에서 PPi가 빠져 나오는 것, 그리고 새로운 사슬의 합성이 5’ 3’으로 진행되는 것은 DNA복제와 마찬가지. DNA 복제 ( replication) 과의 차이점: -두 가닥의 주형 DNA 중 한 가닥만 읽는다 (만들어진 산물도 외가닥) - 일부 지역만 읽는다 (만들어진 산물의 길이가 짧다) - Thymine이 올 자리에 대신 uracil이 들어간다. - 선도 사슬이 필요없이 끝자리에서부터 시작 할 수 있다. - 교정 작업 (proof reading) 을 하지 않는다.

17 왜 우리는 실제 주형과 상보적인 가닥을 읽을까? (…for the sake of simplicity)
07_09_2_bacterial gene.jpg 07_09_2_bacterial gene.jpg

18 Transcription, 그 중에서도 mRNA의 합성 과정에 관한 분자생물학적 지식들은
먼저 간단한 대장균을 통하여 밝혀짐. DNA에 부착하여 RNA 를 합성하고 있는 대장균의 RNA 중합효소 ( 2 a + b + b’ ) + s -core enzyme (핵심효소) -holoenzyme (전효소) 유전자가 앞쪽에 s-factor 가 달라붙는 부위가 있어 그 바로 뒷부분에서부터 전사가 시작된다..

19 Alias “TATA” box 진핵생물에서는 위치가 일정치 않음

20 TTGACA TATAAT

21 RNA 합성의 4 단계 개방 복합체의 형성 개시 (initiation) 사슬의 연장 (elongation) 종결 (termination)

22 Open-promoter complex
DNA 복제의 경우 helicase가 담당하는 작업. RNA 전사때에는 RNA polymerase가 primerase + helicase 의 역할도 담당. 전사가 시작될 부위를 인지하는 것은 s-factor. Initiation 항상 그런 것은 아니지만 주로 A 또는 G 에서 시작된다. Elongation RNA 중합효소 복합체가 한 자리씩 옮겨 가면서 새로 들어오는 rNTP를 이제 까지 만들어 진 사슬에 붙여 나간다. ( next slide)

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24 3) Elongation-cont’d 처음 4-5개 nucleotide 까지는 s-factor 가 결합한 상태로 진행. 그 다음엔 NusA가 대신 들어옴. 유전자가 끝나는 부위까지 이런 식으로 계속 진행. 핵이 없는 원핵생물의 경우 Elongation이 진행중인 RNA에 ribosome이 달라붙어 단백질 합성을 시도하기도 함. 4) Termination a. Rho-dependent :유전자 끝부분에 해당하는 DNA 주형에 “terminator” 서열이 존재. r factor가 이 부위와 결합하면 중합효소가 DNA 주형에서 떨어져 나온다. b. Rho-independent : 유전자 끝부분이 특정한 염기서열을 나타내고 있어 이를 주형으로 만들어진 단일가닥 RNA가 특이한 2차 구조를 형성하게 됨. 그 결과 elongation이 중단되고 전사가 종결됨.

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26 R가 terminator에 결합

27 07_10_transcr_DNA.jpg 07_10_transcr_DNA.jpg

28 07_11_pores.nuc.envl.jpg 진핵 세포의 RNA는 합성 후 핵에서 공정 단계를 거치고 난 뒤 세포질로
방출된다. (5’-capping, 2nd 염기의 methylation, polyadenylation, splicing) 07_11_pores.nuc.envl.jpg 07_11_pores.nuc.envl.jpg

29 07_12_capping.jpg polycistronic 진핵생물의 RNA가 양 말단에서 보호되어야
하는 이유: A Long Way To Go

30 5’-capping과 poly(A) tail 의 기능
Protection from degradation (due to longer half life---think maternal transcripts) 방향 표지 Translation 조절에 관여 (고도로 분화된 진핵 생물 유전자 발현 조절의 한 단면)

31 07_13_Eucar_v_bact.jpg 07_13_Eucar_v_bact.jpg

32 MIT의 Phil Sharp가 진핵생물의 intron을 발견한 공로로 1994년 Nobel 상 수상. Why intron??
-때로는 유전자 발현 조절에 관여 -제한된 숫자의 유전자를 다양하게 이용 할 수 있음 (differential splicing)

33 07_14_exons_introns.jpg How are introns removed?  splicing 어떤 유전자는
포함하고 있다. 07_14_exons_introns.jpg How are introns removed?  splicing

34 07_15_end_intron.jpg Splicing기구는 intron의 시작과 끝, 그리고 중간의 특정 부위를 인지한다.

35 07_16_RNA_chain .jpg 07_16_RNA_chain .jpg

36 snRNPS (small nuclear ribonucleoprotein particles) ,
작은핵 RNA (snRNA)와 단백질의 복합체 “Splisosome”을 형성한다. RNA가 효소 작용을 하는 ribozyme의 대표적인 예. Other ribozymes: ribonuclease P ribosomal large subunit (28S rRNA) many more to come

37 07_17_spliceosome.jpg BBP: branch-point Biding protein

38 Differential splicing은 진핵생물 유전자 발현 조절의 한 중요한 도구로, 인간
의 경우 전체 유전자의 60% 정도에서 일어난다. 07_18_a_tropomyo.jpg 07_18_a_tropomyo.jpg

39 07_19_export_cytop.jpg 진핵생물에서는 RNA의 processing 단계마다 이를 유전자 발현 조절의 기회로 이용한다. 07_19_export_cytop.jpg 동일한 mRNA분자가 여러 번 번역될 수 있기 때문에 세포 내에서 mRNA의 수명 (half life) 또한 단백질 생성량에 영향을 미친다. Longer lived, more translated.

40 07_20_Pro_v_Eucar.jpg 07_20_Pro_v_Eucar.jpg

41 Intron 에 관한 흥미로운 학설들 : 원핵생물과 진핵생물의 공통 조상 세포는 Intron을 가지고 있었다??
진핵생물의 유전체에 우연히 생겨난 intron이 일종의 transposon으로 작용하여 숫자와 종류를 늘여갔다?? …원핵과 진핵생물의 중간단계(?)라고 할 수 있는 Yeast의 intron은 이 중 어느 학설에도 맞는다. 따라서 답 모름.

42 COFFEE BREAK