유전자 발현이란 무엇인가?

개요

유전자 발현(gene expression)은 DNA가 단백질과 같은 기능적 생성물의 합성을 지시하는 과정입니다. 세포는 다양한 단계에서 유전자 발현을 조절할 수 있습니다. 이는 유기체가 다른 세포 유형을 생성하도록 만들고 세포가 내부와 외부 요인에 적응할 수 있도록 만듭니다.

유전자 정보는 DNA에서 RNA로 그리고 단백질로 흐릅니다

유전자는 기능적 RNA와 단백질의 청사진 역할을 하는 DNA의 구역입니다. DNA는 뉴클레오타이드(nucleotide)로 구성되어 있고 단백질은 아미노산으로 구성되어 있기 때문에, DNA에 암호화되어 있는 정보를 단백질로 변환하는 매개자가 필요합니다. 이 매개자는 전령RNA(messenger RNA, 줄여서 mRNA)입니다. mRNA는 전사(transcription)라고 불리는 과정을 통해 DNA의 청사진을 복사합니다. 진핵생물(eukaryote)의 전사는 DNA 주형(template)과 상보적(complementary; 상호보완적)인 염기쌍(base pair)에 의해 핵에서 일어납니다. 그런 다음 mRNA는 추가 처리되어 세포질(cytoplasm)로 운반되고 번역(translation) 시 단백질 합성을 위한 주형 역할을 합니다. 핵이 없는 원핵생물(prokaryote)에선 전사와 번역이 같은 위치에서 일어나며, 새로 형성된 mRNA가 빨리 분해되기 때문에 거의 동시에 일어납니다.

유전자 발현은 전사 중 모든 단계에서 조절될 수 있습니다

유기체의 모든 세포는 동일한 DNA를 가지고 있고, 결과적으로 동일한 유전자 집합을 가지고 있습니다. 하지만, 세포의 모든 유전자가 “켜져” 있거나 단백질을 합성하는데 사용되는 것은 아닙니다. 유전자는 암호화한 단백질이 세포에 의해 생성될 때 “발현”된다고 합니다. 유전자 발현은 특정 시간에 특정 세포에서 일어나는 단백질의 적절한 생성을 위해 조절됩니다. 다양한 내적 및 외적 기작은 전사 전이나 전사 중에 유전자 발현을 조절합니다.

염색질(chromatin)의 구조 (즉 응축된 DNA와 관련된 히스톤(histone) 단백질)은 여닫도록 화학적으로 변형될 수 있습니다. 이러한 변형은 DNA에 대한 전사 인자(transcription factor)의 접근을 허용하거나 제한합니다. 염색질 변형은 동일한 유전체(genome)에서 다른 세포 유형(예: 뉴런(neuron), 근육 세포)을 형성하기 위해 발달 중에 사용되는 내재적인 기작입니다.

전사 인자라고 불리는 DNA 결합 단백질은 유전자의 암호화(coding; 부호화; 코딩) 영역 근처나 암호화 영역 내의 특정한 DNA 서열에 결합함으로써 전사를 조절합니다. 전사의 개시(initiation; 시작)를 촉진하는 전사 인자를 활성인자(activator; 활성자)라고 합니다. 전사 인자가 전사 개시 부위(initiation site)와 결합하는 것을 막는 단백질은 억제인자(repressor; 억제자)라고 합니다. 전사 활성인자 또는 억제인자는 신호 분자, 영양 결핍, 온도, 산소와 같은 외부 자극에 반응합니다.

유전자 발현은 전사 후(post-transcription)와 번역 후(post-translation)에 조절될 수 있습니다.

유전자 발현은 전사 후 mRNA 처리(post-transcriptional mRNA processing)에 의해 조절될 수 있습니다. 진핵생물의 경우 전사된 mRNA는 스플라이싱(splicing)과 분해로부터 RNA 가닥의 끝을 보호하는 변형을 거칩니다. 스플라이싱은 인트론(intron; 단백질을 암호화하지 않는 영역)을 제거하고 엑손(exon)이라고 하는 단백질 암호화 영역을 결합합니다. 선택적 스플라이싱(alternative splicing)은 동일한 유전자에서 기능적으로 다양한 단백질의 발현을 가능하게 만듭니다. 선택적 스플라이싱을 통한 유전자 발현 조절은 장기 발달, 세포 생존과 증식, 그리고 환경 요인에 대한 적응에 중요한 역할을 합니다.

유전자 발현은 mRNA가 단백질로 번역되는 것을 조절해 바꿀 수도 있습니다. 번역은 특정 mRNA 서열에 결합해 번역의 개시를 차단하거나, 전사된 mRNA를 분해하는 마이크로RNA(microRNA; 작은 비암호화(non-coding; 비부호; 논코딩) RNA)를 통해 조절될 수 있습니다. 또한 번역 억제인자(translational repressor; 번역 억제자)라고 불리는 단백질은 RNA와 결합해 번역의 개시를 방해할 수 있습니다.

번역된 폴리펩타이드(polypeptide)는 기능적인 단백질을 형성하기 위해 추가 처리를 거칩니다. 화학기(chemical group)의 추가 또는 제거는 단백질의 활동, 안정성, 국소화(localization)를 바꿀 수 있습니다. 예를 들어, 포스포릴기(phosphoryl group; –PO₃^2-)의 추가 또는 제거는 단백질을 활성화하거나 비활성화할 수 있습니다. 유비퀴틴(ubiquitin)의 추가는 단백질 분해를 일으킵니다. 따라서, 번역 후 단백질 변형(post-translational protein modification)은 유전자 조절의 마지막 단계입니다.