11.2: 리보스위치

리보스위치는 단백질의 도움 없이 하류 유전자의 전사 및 번역을 조절하는 비암호화 mRNA 도메인입니다. 리보스위치는 대사산물에 직접 결합하며 존재하는 대사산물의 양에 반응하여 독특한 줄기 루프 또는 헤어핀 구조를 형성할 수 있습니다. 여기에는 대사산물 결합 앱타머와 발현 플랫폼이라는 두 가지 별개의 영역이 있습니다.

압타머는 특정 대사산물에 대해 높은 특이성을 갖고 있어 리보스위치가 다른 많은 생체분자가 존재하는 경우에도 전사를 특이적으로 조절할 수 있습니다. 압타머는 퓨린, 보조효소, 아미노산을 포함한 다양한 유기 분자와 결합합니다. 또한 마그네슘 양이온 및 불소 음이온과 같은 무기 분자와 결합합니다. 대부분의 압타머는 수소 결합이나 정전기적 상호작용을 통해 리간드와 결합합니다. 리보스위치에는 리간드에 대한 결합 부위가 단일 또는 다중 있을 수 있습니다. 라이신 리보스위치에서는 단일 라이신 결합 부위가 앱타머에 존재합니다. 대조적으로, 글리신 리보스위치에서는 두 개의 별도의 글리신 특이적 앱타머가 mRNA에 존재하므로 리보스위치는 두 분자가 결합된 경우에만 기능하기 때문에 앱타머가 매우 높은 농도의 글리신만 감지할 수 있습니다.

발현 플랫폼은 항터미네이터 또는 터미네이터 구조를 형성하여 전사 또는 번역을 조절합니다. 이러한 구조의 형성은 앱타머에 결합하는 대사산물에 따라 달라집니다. 낮은 농도에서는 대사산물이 압타머에 결합하지 않습니다. 이는 전사 또는 번역이 계속되도록 하는 항종결자 구조를 형성하도록 발현 플랫폼에 신호를 보낼 것입니다. 대조적으로, 대사물질이 고농도로 존재하면 압타머에 결합합니다. 이 경우 발현 플랫폼은 일련의 우라실 잔기가 뒤따르는 터미네이터 구조를 형성하며, 이로 인해 RNA 중합효소가 전사체와 DNA 가닥에서 분리되어 전사가 종료됩니다. 발현 플랫폼은 또한 리보솜 결합 부위(Shine-Dalgarno 서열로도 알려져 있음)로 헤어핀 구조를 형성하여 전사체에 대한 리보솜 결합을 억제하여 번역의 시작을 방지할 수 있습니다. 리보스위치가 전사를 조절하는 또 다른 메커니즘은 glmS 리보스위치-리보자임에서 볼 수 있는 RNA 효소 또는 리보자임으로 작용하는 것입니다. 이러한 리보자임은 대사산물이 결합할 때 리보스위치 mRNA를 절단하고 나머지 mRNA는 RNase에 의해 분해되어 번역을 억제합니다.

리보스위치는 박테리아와 고세균에만 존재한다고 생각되었지만 최근에는 식물과 곰팡이에서도 관찰되었습니다. 지금까지 진핵생물에서는 티아민 피로인산(TPP) 특이적 리보스위치만이 발견되었습니다. 박테리아와 달리 진핵생물의 유전자에는 동일한 전사체에서 동시에 전사와 번역이 일어나는 것을 허용하지 않는 인트론이 포함되어 있습니다. 따라서 이러한 리보스위치는 대체 접합을 통해 전사를 조절합니다. 일부 식물에서는 TPP 리보스위치가 THIC 유전자의 3' 번역되지 않은 인트론 영역에 존재합니다. 낮은 TPP 수준은 안정적인 mRNA를 생성하는 3' 번역되지 않은 영역 근처의 5' 스플라이스 부위를 마스킹합니다. 그러나 TPP의 농도가 높을 경우 TPP는 리보스위치에 결합하여 3' 비번역 영역의 5' 스플라이스 부위를 노출시킵니다. 인트론을 제거하면 단백질을 생산할 수 없는 불안정한 mRNA가 생성됩니다.

리보스위칭(Riboswitch)은 복잡하게 접힌 mRNA 구조로, 대사산물에 직접 결합하고 전사체의 다운스트림 유전자 발현을 켜고 끕니다.

이러한 구조는 구아닌, 코엔자임 B12 및 라이신을 포함한 다양한 대사 산물의 합성을 조절합니다. 그들은 일반적으로 원핵생물 mRNA의 5' 비코딩 말단에 위치하며 단백질이 기능할 필요가 없습니다.

Riboswitch는 매우 특이적인 대사 산물 결합 센서인 aptamer와 transcription 또는 translation을 위한 effector 역할을 하는 발현 플랫폼의 두 가지 주요 영역을 가지고 있습니다.

대사산물의 양이 충분하지 않으면 압타머에 결합할 수 없습니다. 이로 인해 발현 플랫폼이 전사 및 번역이 진행될 수 있도록 하는 종결 방지 구조를 형성하게 됩니다.

대사 산물이 역치 농도 이상으로 존재하면 압타머에 결합합니다. 이것은 발현 플랫폼의 형태를 anti-terminator에서 terminator structure로 변경하여 transcription 및 translation을 억제합니다.

리보스위치(riboswitch)는 두 가지 뚜렷한 메커니즘에 의해 유전자 발현을 조절할 수 있습니다.

첫 번째 메커니즘은 유전자 전사에 영향을 미칩니다. 대사 산물이 압타머에 결합하면 반종결자가 종결자로 전환됩니다. 그 결과 mRNA와 DNA 주형에서 RNA 중합효소가 방출되어 전사가 종결됩니다.

두 번째 메커니즘은 mRNA 번역에 영향을 미칩니다. 대사산물이 압타머에 결합할 때, 종결자는 리보솜 결합 부위를 차단하여 해당 부위를 리보솜 결합에 사용할 수 없게 만들고 번역의 시작을 방지합니다.