RNA 스플라이싱

개요

단백질 번역(translation) 전에 진핵생물(eukaryote) RNA가 편집되는 과정을 스플라이싱(splicing)이라고 합니다. 단백질을 암호화하지 않는 영역을 제거하고 단백질을 암호화하는 영역을 함께 붙입니다. 스플라이싱은 단일 유전자에서 여러 단백질 변이체를 발현할 수 있도록 만들며, 발달, 조직 분화, 환경 스트레스에 대한 적응에 중요한 역할을 합니다. 스플라이싱의 오류는 암과 같은 질병으로 이어질 수 있습니다.

진핵 DNA에서 전사된 RNA는 몇 가지 수정을 겪습니다

진핵생물 DNA에서 전사(transcription)된 RNA 가닥을 1차 전사물(primary transcript)이라고 부릅니다. mRNA가 되도록 지정된 1차 전사물을 mRNA 전구체(precursor messenger RNA, 줄여서 pre-mRNA; 전구 mRNA)라고 부릅니다. 이 pre-mRNA는 추가 처리되어 단백질 번역에 적합한 성숙한 mRNA(mature mRNA)를 형성합니다. 진핵생물 pre-mRNA는 엑손(exon)과 인트론(intron)이 교대하는 서열을 가지고 있습니다. 엑손은 단백질을 암호화하는 뉴클레오타이드(nucleotide) 서열인 반면, 인트론은 비암호화 영역입니다. RNA 스플라이싱은 인트론이 제거되고 엑손이 함께 결합되는 과정입니다.

스플라이싱은 핵 안에서 발생합니다

스플라이싱은 소형 핵 리보핵산단백질(small nuclear ribonucleoprotein, 줄여서 snRNP)이라고 불리는 단백질과 RNA의 복합체인 스플라이소솜(spliceosome; 이어맞추기복합체)에 의해 매개됩니다. 스플라이소솜은 엑손/인트론 경계에서 특정 뉴클레오타이드 서열을 인식합니다. 우선, 인트론의 5’ 말단에 있는 구아닌-유라실(GU) 함유 서열과 인트론의 3’ 말단 가까이 있는 아데닌(A)을 함유한 가지분기점(branch point) 서열에 결합합니다. 신중하게 조정된 여러 단계를 통해 다른 snRNP는 가지분기점을 5’ 스플라이스 부위(splice site)로 가까이 가져옵니다. 이어서 화학 반응이 인트론의 5’ 말단을 상류(upstream) 엑손에서 잘라내고 가지분기점에 붙여 lariat(올가미)이라고 불리는 고리를 형성합니다. lariat을 방출하기 위해 상류 엑손의 3’ 말단은 하류(downstream) 엑손의 5’ 말단과 가까운 인트론의 아데닌-구아닌(AG) 함유 서열과 반응합니다. 이 반응은 두 엑손을 함께 결합해 스플라이싱 과정을 마무리합니다.

스플라이싱은 단일 유전자에서 여러 단백질의 발현을 허용합니다

pre-mRNA에 있는 엑손의 다양한 조합이 결합해 성숙한 mRNA를 형성하는 과정을 선택적 스플라이싱(alternative splicing)이라고 합니다. 선택적 스플라이싱은 단일 pre-mRNA에서 여러 가지 단백질을 생산합니다.

일반적으로 엑손은 유전자에 나타나는 순서대로 결합합니다. 그러나 선택적 스플라이싱 도중에는 선호되는 엑손 서열이 변경될 수 있습니다. 다양한 형태의 선택적 스플라이싱에는 엑손 건너뛰기(exon skipping), 선택적 5’ 스플라이스 부위(alternative 5’ splice site), 선택적 3’ 스플라이스 부위 (alternative 3’ splice site), 인트론 보유(intron retention) 등이 있습니다. 이러한 패턴은 엑손 또는 인트론의 길이와 스플라이스 부위의 강도에 따라 결정됩니다. 따라서 다른 엑손보다 짧은 엑손은 스플라이소솜에 의해 간과되고 성숙한 mRNA에서 누락될 수 있습니다. 반대로, 다른 인트론보다 현저하게 짧은 인트론은 스플라이소솜에 의한 제거를 회피할 수 있으며 성숙한 mRNA에 유지됩니다.

스플라이스 부위의 강도는 선택적 엑손 주변의 서열 보존(sequence conservation)에 의해 결정되며, 이는 스플라이소솜이 선택하는 5’ 또는 3’ 스플라이스 부위에 영향을 미칩니다. 따라서, 선택적 스플라이싱은 동일한 DNA 구간에서 전사된 성숙한 mRNA의 변이체를 생성합니다.

RNA 서열 변이체는 번역되며 아미노산의 추가 또는 감소, 해독틀(reading frame)의 변화, 또는 조기 정지 코돈(premature stop codon)으로 인해 각각 다른 단백질을 생성합니다. 그리고 이 단백질들은 서로 다른 생물학적 성질(기능, 세포 내 국소화(cellular localization), 다른 단백질과의 상호작용 등)을 가진 동형단백질(protein isoform)이 됩니다. 선택적 스플라이싱은 유전자 발현에 중요한 역할을 하며, 따라서 장기 발달, 세포 생존 또는 증식, 그리고 환경 변화에 적응하는 것을 조절합니다.

비정상적인 스플라이싱은 질병을 일으킬 수 있습니다

스플라이싱 오류는 유전자 자체의 돌연변이(mutation) 또는 유전자 발현을 조절하는 조절요소(regulatory element)의 돌연변이에 의해 발생할 수 있습니다. 특정 유전자 전사물의 엑손 또는 인트론 서열에서 일어나는 돌연변이를 시스-돌연변이(cis-mutation)라고 부릅니다. 스플라이싱 인자의 돌연변이는 여러 유전자에 영향을 미치며 트랜스-돌연변이(trans-mutation)라고 부릅니다.

스플라이싱 오류는 암을 포함한 질병에 기여할 수 있는 이상 동형단백질(aberrant protein isoform)을 생성합니다. 예를 들어 BCL2L1 유전자의 선택적 스플라이싱은 선택적 5’ 스플라이스 부위를 사용해 동형단백질 BCL-X_L과 BCL-X_S를 생성합니다. 더 긴 BCL-X_L 동형단백질은 세포 생존을 촉진하고 여러 종류의 암(예: 혈액암, 유방암, 간암)에서 매우 잘 발현됩니다. 짧은 BCL-X_S 동형단백질은 발현되면 세포의 죽음을 촉진하기 때문에 암에서 억제됩니다.