7. TRANSCRIPTION 오늘 제가 발표할 chapter 7에서는 Transcription 이 일어날때 관여하는 단백질의 종류와 구조를 알아보고 이것이 언제 어떻게 관여를 하여transcription이 완성되는지에 대해서 알아보도록 하겠습니다. .

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1 7. TRANSCRIPTION 오늘 제가 발표할 chapter 7에서는 Transcription 이 일어날때 관여하는 단백질의 종류와 구조를 알아보고 이것이 언제 어떻게 관여를 하여transcription이 완성되는지에 대해서 알아보도록 하겠습니다. .

2 7.1 Control Elements in DNA
Bacterial gene Eukaryotic gene 먼저 transcription 에 설명에 앞서 DNA 에서의 contral Element 구조를 살펴보면 -> 원핵세포의 `DNA 구조의 특징은 10bp정도의 AT가 풍부한 pribnow box를 가지고 있고, 35bp정도 부위의 promoter가 존재합니다. 이 promoter에 sigma factor들이나 subunit들이 결합하여 transcription이 시작되게 됩니다. -> 하단에 있는 진핵세포의 DNA 구조의 특징은 transcription start site에서 25bp upstream에 TATA BOX가 존재하는데 이것은 원핵세포의 prbinow box의 서열과 비슷하다고 알려져 있습니다. upstream 쪽에 300bp의 promter에서는 RNA polymerase가 결합할 수 있는 initial binding site와 transcription factor가 결합하는 response element 를 가지고 있습니다. 또한 원핵세포와 다르게 진핵세포에서는 splicing 일어나면서 intron 부위가 제거되어 polymerase가 지나갈때 조절해 주는 역할을 한다. The outline of gene.

3 - Activation of genes repressed by the nucleosome organization.
이러한 DNA element는 히스톤 단백질에 감겨져 있는데, 이것을 nucleosome이라 하며 Nucleosome은 8개의 히스톤이 core를 이루고 있고, 이것이 octomer(팔량체)형성하여 146bp의 DNA가 감겨져 있는 구조 입니다. -> nucleosome 은 transcription이 일어날때 Gene을 빠져나오게 하기 위해 열린 구조로 변화하여 Gene 의 활성을 조절하게 됩니다. - Activation of genes repressed by the nucleosome organization.

4 7.2 Bacterial Transcription
-> 먼저 bacterial transcription을 보시면 RNA의 polymerase(중합효소)가 DNA의 두 가닥을 분리하여 12-14bp 길이의 일시적인 transcription bubble를 형성하게 되고, 그 후 open promoter complex (개방 프로모터 복합체)가 형성되어 그 중 한가닥을 주형으로 삼아 그에 상보적인 RNA를 합성하게 됩니다. -> 여기서 (노란 동그라미인) 마스네슘 이온은 RNA 합성의 촉매 역할을 한다. - Transcription of DNA to RNA requires that a region of the duplex DNA is melted.

5 - Structure of the Bacterial RNA Polymerase
Down stream Upstream ds β - subunit β ‘- subunit α - subunit α – subunit ω, σ Non-template DNA Template DNA RNA ss 원핵 생물의 transcription에 관여하는 RNA polymerase는 -> 465KD(키로달톤)의 큰 단위체로 구성되어 있는데, 5 개 subunit 즉 core enzyme(핵심효소) + sigma factor로 이루어져 있습니다. -> (사진설명) 하늘색과 핑크색으로 보이는 두 개의 알파-subunit은 upstream방향에 위치하고 있고, 노란색과 초록색으로 보이는 베타-subunit은 dowunstream쪽에 위치하고 있습니다.  이러한 subunit은 신장에 필요한 core enzyme과 개시 또는 종결에 필요한 factor로 구성되어 있습니다. β – subunit, β ‘- subunit은 transcription 과정에서 나타나는 bubble 하류지역에 접촉하여 촉매작용의 활성화에 중심 역할을 한다고 볼수 있습니다.. 이러한 서브유의 중합체르 core RNA polymerase라 부르며, core RNA polymerase에서 sigma factor와 promoter가 같이 붙어있는 상태를 holoenzyme이라고 부릅니다. -> 그림에서 붉은색을 띠는 σ(로)는 : RNA 중합효소가 프로모터에 결합할 수 있게 하는 transcription initiation factor (전사 개시 요소)역할을 하며  두 개 알파-나선의 아미노산이 -10bp에서 -35bp사이의 DNA의 주홈 부분 염기쌍에서 특이적 결합을 함으로서 중합효소가 프로모터에 자리잡을수 있게 도와줍니다. 결론적으로 로는 RNA polymerase subunit이, promoter site를 찾는데 도움을 주고 RNA 합성 개시 후 나머지 효소로부터 분리되는 나가는 과정을 거치게 됩니다. ->파란색으로 보이는 ω(오메가)는 subunit : 변형된 RNA 중합효소를 정상적인 형태로 변화시킴니다. Subunit(Holoenzyme) = Core Enzyme + Sigma Factor - Structure of the Bacterial RNA Polymerase

6 C-terminal domain–σ4(4개)
ND1(σ2) : α–helices (8개) ND2(σ3)–Three helices LD – linker domain C-terminal domain–σ4(4개) 앞에서 이야기한 서브유닛에 이어 대표적인 sigma factor인 σ70(로)에 대해서 알아보도록 하겠습니다. : 앞에서 말씀드린대로 일반적인 transcription의 RNA polymerase(즉 RNAP)로 사용되며, 각기 다른 sigma factor들은 각각 특별한 상황에서 활성화 되게 됩니다. 그림을 먼저 보시면 (RNAP : RNA polymerase) (파란색) ND1 : N- terminal domains 으로 σ2 라고도 부른며. 8개의 α – helix로 이루어져 있습니다. (초록색) ND2: σ3라고도 하며 3개의 α – helix로 되어 있으며 (노란색) LD : linker domain (붉은색)은 c- terminal domains을 σ4라고도 부르며 4개의 α –helix로 이루어져 있습니다. 여기에서 붉은색인 σ4 가 가장 normal 한 구조이며. helix- turn- helix의 구조를 가지고 있다. 하나 이상의 subunit을 가지고 있는 σ70의 전체적인 특징으로는 첫번째 70KD의 크기로 구성되어 있으며 DNA 중합효소로 쓰이고 있는 Taq polymerase 의 기본 구조라고 볼수 있습니다. 두번째는 전체가 Subunit이 α – helix구조로 되어있고, 유연한 loop를 가지고 있어서 2차 구조가 거의 없다고 볼수 있습니다. 세번째는 Loop부분이 길어서 N-term 과 C-term이 떨어져 있어서 불안정한 상태이다. 네번째 σ70이 홀로 존재하고 있을때는 DNA binding domain을 봉쇄하는 기능을가지고 있고, 로70이 만약 Core enzyme 과 결합하게 되면 sigma factor의 구조가 변화하여 봉쇄작용이 사라져 결론적으로 DNA bind domain은 DNA와 결합할수 있게 됩니다. - The structure of σ70 form T. thermophilus when bound to the core of RNAP.

7 - Eukaryotic RNA polymerase.
7.3 Eukaryotic Transcription I II III β` β β` β β` β α α α α α α CTD ω ω ω Common Subunit 진핵세포의 핵내에서는 transcription 일어날때, 세 종류의 RNA polymerase가 관여한다. : 원핵세포가 한 종류의 RNA 중합효소를 합성하는 것과 차이를 둔다고 할 수 있습니다. -> 위의 그림을 보시면 I, II, III에서는 베타-subunit, 알파-subunit, 오메가, 공통적인-subunit, enzyme 특이적인subunit 으로 구성되어 있습니다 I, II, III의 간단한 특징은 I 은 nucleolus(핵인, 핵소체, 핵에 존재하는 원형의 굴절성 소체)에 존재하며 ribosomal RNA 합성합니다. II 은 nucleoplasm(핵질, 핵형질, 핵을 형성하는 세포질)에 존재하며 mRNA 합성하고 CTD(carboxy terminal domain-인산화 효소)이 c-terminal tail이 붙어있습니다. III도 nucleoplasm에 존재하며 운반 RNA (tRNA), 5S rRNA, 분자량이 작은핵 RNA를 전사합니다. 각기 다른 promoter를 가지고 있으며, 생화학적으로 구분 될 수 있는 성질을 가지고 있습니다. Common subunit : RPB5, 6, 8 : 세 종류의 nuclear RNA polymerase에 공통으로 존재하는 subunit입니다. nonessential subunit : RPB4, 7, 9 Transcription에 치명적인 영향을 받지 않습니다. Enzyme-specific Subunit - Eukaryotic RNA polymerase.

8 앞에서 설명드린 진핵세포 RNA polymerase중에서 II가 transcription에 어떻게 관여하는지 설명하도록 하겠습니다.
:RNA polymerase II는 12개의 subunit으로 구성되어 large subunit과 small subunit으로 나누어져 있습니다. 10개의 core subunit 과 2개의 non-essential(필수적이지 않은) subunits Rpb4/7 가지고 있습니다. -> Rpb1 / Rpb 2는 각각 220, 150kDa 로 큰 subunit이며 active center를 형성하는데 관여합니다. -> Rpb1은 전사 개시 조절에 중요한 C-terminal domain(CTD)의 phosphorylation의 site입니다. (원핵세포 β-subunit처럼) DNA binding site를 보유하고 있습니다. -> Rpb2는 원핵세포 β ‘-subunit과 비슷한 역할로 nucleotide substrate binding site를 보유하고 있으며 -> Rpb3는 원핵세포 알파 –subunit 비슷한 역할로 assembly 에 중요한 역할을 하다. -> Rpb9는 Rpb1과 같이 upper jaw(윗턱)에 속하며, 2개의 zinc-finger로 구성되어 있습니다. clamp는 DNA와 결합 시 가장 큰 구조 변화를 일으키며 - The organization of the core of yeast RNA polymerase II shown in two views.

9 7.4 The Active Site of RNA Polymerases
- The conformation of DNA and RNA bound to the elongation complex of RNA polymerase II. - The A-and E-site for incoming nucleotides. -RNA transcription일어날때 마그네슘 이온이 촉매역할을 하여 RNA의 대단위체와 소단위체를 결합시키는 역할을 하게 됩니다. -> 오른쪽 사진을 보게 되면 마스네슘의 이온의 영향으로 activesite에 존재하게 되면서 3개의 loop을 형성하게 됩니다. 따라서 lrudder, lid, zipper loop가 RNA를 DNA로부터 분리되게 만듭니다. -> bridge helix : E와 A site 를 연결시켜주는 교량 역활을 하며 마그네슘이온이 불러들일때 촉매역활을 하고 E site 쪽에 더 치우쳐저서 결합이 이루어지게 됩니다. 위의 왼쪽 사질을 보시면 Rpb2의 부분의 경로가 절단된 이후로 이중 DNA 가닥으로부터 연속적인 신장이 일어나지 않고 있는 모습을 볼수 있으며 - An overview of functional components of pol II.

10 - One cycle of elongation of the RNA polymer during transcription.
- The nucleotide in the pre- insertion site observed in crystals of T thermophilus RNAP inhibited by streptolydigin. (left) - The nucleotide bound to the insertion site of T. thermophilus RNAP without inhibitor. (right) Template DNA Non-Template DNA RNA Bridge helix Trigger loop Magnesium ion 1번 사진 Left (사진설명) -> Stretolydigin 은 세균의 RNA polymerase의 베타 소단위에 작용하여 RNA transcrtption을 저해하여 RNA 형성을 방해한다. Right : 테르모필루스의 중합반응에서는 RNA의 3’-OH기가 NTP의 5’-인산기와 반응하여, 이인산이 제거되고 인산디에스테르 결합이 형성되므로써 마그네슘 이온 끼리 결합을 할수 있게되어 RNA가 섞여질수 있게 된다. -2번 사진 : pre-translocation과 Post-translocation의 변화는 비가역 또는 가역적으로 일어나게 됩니다. → (상단그림) 가역적 변화는 세포내외의 자극에 대하여 급속한 반응을 나타내게 되고, 가장 흔한 변화는 인산화며, 그 외에 아세틸화, 메틸화, 글라이코실화 등이 나타나게 됩니다.  인산화는 표적단백질의 활성을 증가 또는 감소 시킴으로써 신호전달, 세포주기 조절, 효소 조절을 하게 됩니다. -> 하단그림(왼쪽): 가역적인 반응은 tigger loop 2개의 helix 를 만들어 총 3개의 helix 가 형성되어 가수분해에 의해 2개의 인산이 빠져 나오게 된다. - One cycle of elongation of the RNA polymer during transcription.

11 - The complex of pol II with TFIIS(orange).
Rpb4 Rpb7 RNA t~ 과정에서 elongation factor(신장요소)역할을 한는 T~구조입니다. : DNA를 만날때 restart를 방지하여 전사를 연장시키는 역할을 합니다. 이것은 R - The complex of pol II with TFIIS(orange).

12 7.5 The General Transcription Factors in Eukaryotes
진핵세포의 전사 개시에는 Preinitiation complex 즉 PIC의 형성이 필요합니다. • PIC는 transcription start site에 RNA polymerase와 결합하게 됨으로써 DNA의 denaturation 유도하게 되어 transcription이 시작되게 됩니다. 따라서 PIC형성으로 RNA의 전사가 시작되며, 전사 통제의 대부분이 이 단계에서 일어난다고 할수 있습니다. • PIC는 RNA polymerase II와 여섯 개의 general transcription factors(TF: 전사인자)로 구성되는데 위 그림에서 볼수 있듯이 (GTFs)-TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH 가 있습니다.  - The gene specific activator protein, the transcription factors TFIID, TFIIA, TFIIE, TFIIH

13 TBP(Protein, Protein) DNA
-앞에서 말한 trnascription factor중 TFIID는 TBP 즉 TATA box-binding protein과 결합하는 구조를 이루게 됩니다. DNA의 groove에 phenylalanine side 끼워서 -> 위 그림에서 볼수 있듯이 굽은 이중나선구조가 보이는데 이는 TBP가 binding 해서 DNA가 80도 정도 굽어어 있는 상태입니다. 확대 : 두가닥의 phenylalanine side chain이 DNA와 결합하는데 결정적으로 기여를 한며 loop가 active site에 많이 관여하게 됩니다. - The TATA box-binding protein(TBP) from yeast in complex with a DNA hairpin strurcture.

14 trnascription factor TFIID와 결합하는 2번째 protein에는 TAF가 있습니다.
-> 구조는 2개가 dimer로 구성되어 있으며 -> 특징은 DNA 의 TATA BOX region에 먼저 결합하여 다른 RNA polymerase와 관련된 복합체들이 결합할 수 있게 도와주며 -> TBP의 경우 DNA 의 minor groove 에 결합하여 DNA의 구조를 변형하여 RNA polymerase가 쉽게 template 에 접근할 수 있게 해 줍니다. - Two dimers of N-terminal domains of TAF6(yellow) and TAF9(red) from D.melanogaster.

15 - The B-finger is the most conserved part of TFIIB.
- The organization of the single polypeptide of TFIIB. TF(transcription factor) 중 TFIIB는- transcription 를 조절하는 protein입니다 : TFFIIB의 전체적인 기능은 TFIID와 RNA polymerase사이의 다리 역할로서 RNA polymeraseII의 promoter 결합에 도움을 준다. -> 위 그림에서 TFFIIB 구조를 간단히 보시면 Zinc ribbon ` 되어 있습니다. -> B-finger : 사람, 마우스 유사한 부분이 많으며 TATA BOX안에 16bp가 존재한다. -> CTD 즉 (carboxyl terminal domain) :strain에 따라 다양한 CTD repeat 수를 가지고 있는데, 대표적으로 mouse 52개, dorosopjila 45개, yeast 26개를 가지고 있다. : 또한 CTD의 인산화는 전사개시 복합체로부터 RNA polymerase II의 방출을 허용함 으로서 신장을 촉진함. :Single polypeptid로 구성된 몇몇의 도메인이 preinitiation cpmplex 를 형성하는데 중요한 역할을 한다. :Transcription site를 인지하고 TBP와 DNA pol II 에 bind 한다. -> CTD2 : 84개의 residue로 구성된 cyclin- A 와 유사한 구조를 가진다. -TFIIA: TFIID binding 안정화 유도 - The structure of a TATA-box DNA with TBP and yeast TFIIA. - The B-finger is the most conserved part of TFIIB.

16 7.6 Gene-specific Transcription Factors
- (앞그림) Leucine Zipper motif 는 : 두개의 긴 alpha-helix가 서로 dimer를 형성하는데 alpha-helix에 배열된 류신은 매우 소수성이 커서 류신들끼리 강한 소수성 상호작용이 일어난다. 결합하지 않은 alpha-helix 가 집게처럼 DNA 홈에 끼워져 있는 형태를 가기조 있다. (뒤그림) helix-loop-helix motif 는 : 류신지퍼와 유사하게 dimer를 형성하여 alpha-helix 가 DNA에 끼워진다. C-termina tail에 짧은 alpha-helix와 고리 구조가 서로를 묶어 dimer를 형성한ㄷ. - The complex of the C-terminal DNA-binding region of GCN4 bound to DNA. The Helix-turn-helix motif in transcription factors.

17 (왼그림) bacteriophage 람다의 cro protein은 람다-repressor등은 비롯하여 대장균 loc-repressor, trp repressor, CRP단백질 등 많은 원핵생물의 조절자와 초파리의 homodomain 단백질에 존재한다. : alpha-helix 두 개가 예각으로 연결된 형태이며 이중 recognition helix로 불리는 두번째 나선이 DNA큰 홈에 잘 들어맞게 된다. 그러면 recognition helix 상의 아미노산 잔기가 결합할 DNA 큰 홈에 노출된 작용기와 상호작용함으로써 DNA특정 염기서열은 인식하고 결합할 수 있게 된다. : monomer 두개가 dimerization형성함으로써 억제하는 역할을 한다. - The cro(left) and repressor(right) dimers from bacteriophage lambda in complex with DNA.

18 오른그림- mRNA의 염기변형으로 더 짧은 폴리펩타이드를 형성한다.
검은색(트립토판) 노란색(trp가 들어있으며 DNA와 결합하고 있어서 억제가 된다. (보라색) DNA major groove 부위와 결합되어 있고, alpha-helix가 약간 이동되어 있습니다. Trp으 유무에 따라 구조의 변화가 나타난다. DNA가 결합된 부위에 약간의 구조 변형을 볼수 있다. - The conformational change due to tryptophan binding in the E. coli trp repressor.

19 - Eukaryotic transcription factors with helix-turn-helix motift.
루신지퍼 구조의 하나로 – Myc, FOS, JUN 단백질 등이 있다. POU specif domain을 가지고 있는데 이것은 약 50개의 아미노산으로 구성되어 있다. -> DNA 에 직접 결합하는 것이 아니라 이구조를 가진 OCT-1전사조절인자들의 이중체 형성을 촉진함으로써 전사조절이 되고, 인자들이 DNA에 결합할수 있는 정확학 단백질 구조가 갖추어지게 된다. - Eukaryotic transcription factors with helix-turn-helix motift.

20 - Zinc Fingers interacting with DNA.
Histidine Zinc finger motif 는 아연으로 보결족으로 사용하는 결합 부위입니다. : DNA 서열을 인식하는 alpha- helix 하나와 2개의 beta- hairpin 로 되어 있는데 중간에서 아연이 이구조를 안정화 시키고 있습니다. 아연은 배위결합을 통해 alpha-helix의 히스티딘2개와 , beta-hairpin의 시스테인 2개와 rufgkqgkrh, alpha-helix가 DNA홈을 인식한다. - 핑크색 동그라미는 : DNA가 주로 결합하는 부위 Cysteine Zinc - Zinc Fingers interacting with DNA.

21 - Glucocorticoid receptor.
Zinc finger 구조의 하나로서 glucocorticoid(GLU) 기능은 : 증진자로 작용하며 금속이온 또는 스테로이드 호르몬과 같은 외부 신호물질에 반응하여 전사를 일으키는데 관여한다 : glucocorticoid 가 특정 receptor에 붙음으로써 속도가 빨라지게 된다.(따라서 zinc finger를 가지고 있다.) - Glucocorticoid receptor.

22 - The domain organization of p53.
(그림1) 단백질 3차구조의 특정영역인 domain은 단독으로 떼어내도 원래 protein과 같은 양식으로 작용할수 있다. Domain p53의 구조를 보시면 -> TAD(trans activator domain)는 인산화에 관여하여 transcription 관련인자(HAT, HDAC등)가 붙는부분이고, DBD( DNA Binding Domain)는 DNA와 결합하는 부위입니다. : TD와 RD는 아세틸화에 관여한다. 기능은 DNA 데미지가 감지되면 P53은 P21등을 내보내어 G1기를 arrest 합니다. : 또한 p53 유전자는 세포가 무한 증식하는 것을 막고, 인체의 암을 억제하는 암억제 유전자이다. 세포 안으로 발암성인 외부 물질이 들어오면 세포분열을 억제함으로써 정상적인 세포가 암세포로 변하지 못하게 하는 것이 p53 유전자의 역할이다. 유전자의 수호신이라고도 합니다. (왼그림) DBD의 helix와 loop부분이 DNA의 major groove과 작당하게 상호작용을 하며 또 다른 loop는 minor groove인접해서 상호작용을 일으키킨다. (오 그림) Arg280은 구아닌과 결합하고 있고, Arg273은 phosphate 안에서 산소와 결합하고 있다. Arg248은 minor groove에 끼여있고 backbone과 결합을 하고 있고, arg280 - DBD domain of p53 interacting with DNA The side chains interacting with the DNA.

23 - The interaction of Myc with DNA.
hetero-dimer로 결합하고 있다. (glu363) CZCGTC염기서열은 갖는 DNA 와 결합하여 다른 유전자를 발현다. -(아래)파란색- zip 268 arg24 (cg 인식하여 수소결합) DNA 염기쌍내에서 수소결합을 형성함 DNA backbone 안정시키는 역할을 함 - The interaction of Myc with DNA.

24 - The arc repressor tetramer.
서로 geometric으로 맞게 결합되어 있음 - The arc repressor tetramer.