[생리학] 3. 세포구조와 유전자 조절 (3) 핵과 유전자 발현

3. 세포구조와 유전자 조절

 

3.3 핵과 유전자 발현

핵은 DNA를 보유한 세포소기관이고, DNA는 특정 폴리펩티드를 구성하는 한 유전자(gene)를 구성하는 핵산 물질입니다. 상보적인 RNA 분자는 핵 속에 있는 유전자가 발현되기 위해 DNA로부터 전사되어야 합니다.

 

 

골격근 세포(2개 또는 그 이상의 핵)와 성숙한 적혈구(무핵)를 제외한 대부분의 세포는 하나의 핵(nucleus)을 가지고 있습니다. 핵은 두 개의 막, 즉 내막과 외막으로 둘러싸여 있는데, 이것은 핵막(nuclear envelope)이라고 불립니다. 핵막의 외막은 세포질 소포체와 연결되어 있고, 내막과 외막은 융합되어 핵공 복합체(nuclear pore complex)를 형성합니다. 각각의 핵공 복합체는 중심에 핵을 가지고 있고, 작은 분자들은 확산에 의해 통과할 수 있지만, 단백질과 RNA의 통과는 에너지를 필요로 합니다.

핵공을 통한 특정 단백질의 수송은 호르몬에 의한 유전자의 조절에 관여합니다. 단백질의 1차 구조(아미노산 서열)는 mRNA의 염기서열에 의해 결정됩니다. 유전자 발현(genetic expression)은 ① 전사(transcription, RNA 합성)  ② 번역(translation, 단백질 합성)의 두 단계로 구성됩니다. 핵에는 인(핵소체, nucleoli)이 있고, 인 속의 DNA에는 rRNA를 만드는 유전자를 가지고 있습니다.

 

(1) 염색질(chromatin)

DNA는 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 시토신(cytosine), 티민(thymine) 염기 중 하나와 오탄당인 디옥시리보오스 및 인산염으로 구성된 4개의 다른 뉴클레오티드(nucleotide) 소단위로 구성되어 있습니다. DNA는 단백질과 결합하여 염색체(chromosome)를 만드는 염색질(chromatin)을 형성합니다. 염색질에 있는 대부분의 단백질은 양전하를 띠고 음전하의 DNA를 다발모양으로 감고 있는 히스톤(histone)입니다. 이와 같은 실패모양의 감기는 뉴클레오솜(nucleosome 또는 핵체)이라고 불리는 입자를 만듭니다.

전사가 활발학 풀린 형태의 염색질을 진정염색질(euchromatin)이라고 하며, 전사가 활발하지 않고 응축한 형태의 염색질을 이질염색질(heterochromatin)이라고 합니다. 진정염색질의 경우 시간이 지남에 따라 유전자가 활성화되거나 억제될 수 있는데, 이는 히스톤의 구조적 변화 때문인 것으로 보입니다. 예를 들어, 아세틸화반응(acetylation)은 유전자 전사를 유발하고 탈아세틸화반응(deacetylation)은 유전자 전사를 억제합니다.

 

(2) RNA 합성

30억 개 이상의 염기쌍을 가진 인간 세포의 DNA는 적어도 약 3백만 개의 단백질을 만듭니다. 하지만, 인간의 세포는 평균 약 30,000에서 150,000개의 단백질을 가지고 있기 때문에, 전체 DNA의 일부만이 단백질을 만드는 데 사용됩니다.

그리고 나머지 DNA는 불활성화 상태이거나 아니면 여분으로 존재하는 것으로 보입니다. DNA로부터의 RNA 전사가 일어나려면  RNA 중합효소(RNA polymerase)를 필요로 하는데, 이는 짝을 이룬 DNA 염기 사이의 수소 결합을 깨뜨립니다. 이 효소는 전사가 일어나는 부위에서 DNA와 함께 작용합니다. DNA의 구조 유전자 바로 앞에는 촉진유전자(promoter)가 있는데 호르몬과 같은 조절인자가 촉진유전자와 결합해 전사인자(transcription factor)로 작용합니다. 그 결과 프로모터 유전자의 활동이 특정 유전자를 활성화시킵니다.

DNA 복제와 달리, 두 가닥의 DNA 중 하나만이 RNA 합성을 위한 주형(template)으로 사용됩니다. 일단 RNA 분자가 합성되면, 그들은 DNA 주형가닥으로부터 분리되고, 이 과정은 무한정 계속해서 발생하여 수천 개의 RNA 분자를 합성할 수 있습니다.

 

◎ RNA의 종류

전사에 의해 핵에서 합성된 RNA에는 네 가지 종류가 있습니다. 즉, ① mRNA 전구체(precursor messenger RNA, pre-mRNA), ② mRNA(messenger RNA), ③ tRNA(transfer RNA)-, ④ rRNA(ribosomal RNA)입니다. 세균과 달리 고등 생물의 pre-mRNA는 mRNA로 세포질에 들어가 단백질을 합성하기 전에 핵에서 먼저 가공되어야 합니다. pre-mRNA는 가공된 mRNA보다 훨씬 큽니다.
대부분의 진핵세포 유전자는 인트론(intron)과 엑손(exon)으로 구성되어 있습니다. 일부 인트론을 제외하고, 대부분의 인트론은 단백질 합성에 관여하지 않고 오직 엑손만 관여합니다. 인트론은 거대 분자인 snRNPS의 작용에 의해 pre-mRNA로부터 분리되고, 엑손이 서로 결합하여 기능적인 mRNA를 형성합니다. snRNPs는 RNA와 단백질로 된 작은 리보솜과 같은 집합체로 스플라이세오솜(spliceosome)을 형성합니다.