DNA에서 다양한 유전자 발현이 생기는 이유: Alternative splicing

 

 

Introduction

각각의 생물체들은 자신의 유전정보를 DNA 또는 RNA로 보관하고 있습니다. DNA를 연구하던 중 유전자 발현 산물인 단백질의 종류의 수와 염기서열의 수를 비교해보니 유전자의 염기서열의 수가 상대적으로 적다는 것을 알게 되었습니다. 분명 DNA에서 전사와 번역된 결과가 단백질인데 어떻게 해서 DNA의 염기 설열의 수보다 더 다양한 단백질들이 나올 수 있게 되었을까요? 혹시 수학에서 배웠던 경우의 수를 기억하고 계신가요? 생물이 자신이 보유하고 있는 DNA보다 더 다양한 결과를 낼 수 있었던 것이 바로 경우의 수를 적용했기 때문입니다. 이번에는 DNA의 염기서열이 유전정보를 어떻게 보유하고 있는지 알아보고 다양한 유전자 발현을 일으키는 작용인 Alternative splicing에 대하여 알아보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

 

 

 

Triplet code

DNA는 특정 염기서열 3개가 하나의 아미노산을 지정하고 있고 우리는 이를 Triplet code라고 부릅니다.

염기서열	아미노산	염기서열	아미노산	염기서열	아미노산	염기서열	아미노산
AAA AAG	Lys	CAA CAG	Gln	GAA GAG	Glu	UAA UAG	STOP codon (번역종료)
AAC AAU	ASn	CAC CAU	His	GAC CAU	Asp	UAC UAU	Tyr
ACA ACG ACC ACU	Thr	CCA CCG CCC CCU	Pro	GCA GCG GCC GCU	Ala	UCA UCG UCC UCU	Ser
AGA AGG	Arg (stop)	CGA CGG CGC CGU	Arg	GGA GGG GGC GGU	Gly	UGA UGG	Trp STOP(Trp)
AGC AGU	Ser					UGC UGU	Cys
AUA AUG	lle(Met) Met	CUA CUG CUC CUU	Leu	GUA GUG GUC GUU	Val	UUA UUG	Leu
AUC AUU	lle					UUC UUU	Phe

위의 표가 생물체가 가지고 있는 Triplet code입니다. 3개의 염기서열들이 각각 아미노산의 정보를 가지고 있습니다.(정확하게는 이 code들에 상대적으로 연관된 tRNA(리보솜에 의해 해당 아미노산이 결합된 tRNA가 오게 됩니다.)에 의해 아미노산들이 오게 됩니다.) 번역 과정 중 종결 코돈을 만나면 번역이 종결되고 하나의 특정한 폴리펩티드 사슬(단백질 1차 구조)이 완성됩니다. 이와 같이 생물체는 유전정보를 Triplet code형식으로 보관하고 있고, DNA 염기서열 중 유전정보가 있는 염기서열 부위를 exon(엑손)이라고 부르며, 그렇지 않은 부위를 intron(인트론)이라고 부릅니다.

 

*참고: 원핵생물은 인트론이 없고 엑손만 존재하며, 진핵생물은 엑손과 인트론 모두를 가지고 있습니다. 유전자 전체가 엑손의 경우에는 돌연변이에 매우 취약하기 때문에 진핵생물은 돌연변이에 대항하기 위해 인트론을 가지고 있다는 의견이 있습니다. (인트론에 염기서열 변화가 일어나도 엑손에는 지장이 가지 않기 때문입니다.) 그리고 과학자들이 DNA에 대한 연구가 진행됨에 따라 인트론도 따로 역할을 가지고 있을지도 모른다고 생각하고 있습니다.

 

 

 

Alternative splicing

Alternative splicing 모식도, 회색은 intron 그외에는 exon으로 표시되어 있습니다.

 

Alternative splicing이란 DNA에서 유전자 정보를 가지는 엑손(exon)을 조합하여 여러 가지 단백질을 만들어내는 과정을 의미합니다. 위의 모식도에서 나와있듯이, 유전자 정보를 가지고 있지 않은 인트론(intron)을 제외하고, 엑손(exon) 부분만 조합하여 아미노산 서열이 다른 단백질을 만듭니다. 이런 현상이 일어나는 이유는 발현해야 할 단백질의 양에 비하여 유전정보를 보관해야 할 DNA의 공간 부족을 극복하기 위하여 생명체가 조합이라는 방법을 선택한 것이라고 생각되고 있습니다.

 

Alternative splincing이 잘 일어나는 곳은 어디에 있을까요? 예전에 HIV에 관하여 설명하면서 면역계에 있는 B세포가 항체를 형성한다는 내용을 알아보았던 적이 있습니다. 항체를 만들 유전자의 수는 한정적인데 비하여 항원의 종류는 매우 많습니다. 그러면 어떤 방법으로 특정 항원에 대항하는 항체를 형성하게 될까요? 그에 대한 답은 DNA단계에서의 유전자 재배열과 RNA단계에서의 Alternative splicing을 통하여 다양한 항원에 대한 항체를 만들고 있습니다.

 

 

 

Alternative splicing을 적용하여 항체 생성

외부로부터 침입한 항원에 대하여 B cell에서 항체를 생성하고 있습니다. 항체는 항원 결합 부위를 가지는 heavy chain과 light chain으로 구성되어 있습니다.

 

항체가 형성되는 이미지

 

B cell에서는 위와같이 유전자 재배열을 통하여 특정 항원에 대항하는 항체가 형성됩니다. 항체 결합 부위 유전자들을 재배열하여 수많은 항원에 대항하는 항체가 형성되는데, heavy chain에서의 수많은 V, D, J의 유전자와 light chain에서의 수많은 V, J의 유전자의 재배열을 통해 우리는 다양한 항원에 대항하는 항체를 만들 수 있습니다. 그리고 유전자 재배열이 끝나 전사된 RNA에서 C유전자의 Alternative splicing을 거쳐 항체 IgM, IgD가 형성됩니다. 이때 polyadenylaion의 도움을 받아 Alternative splicing이 진행됩니다.

 

Polyadenylation의 도움을 통해 Alternative splicing이 일어나 다른 항체들이 생성된다

 

Alternative splicing을 통해 항원이 결합하는 부위의 염기서열은 같지만(같은 항원에 반응) 다른 항체가 형성됨을 알 수 있습니다. Cμ유전자가 오게되면 IgM, Cδ유전자가 오게되면 IgD 항체가 형성됩니다.

 

 

 

마무리

이번에는 DNA의 유전자 발현에 관련된 Alternative splicing에 대하여 알아보았습니다. 생명체는 조합을 이용하여 DNA 저장공간의 한계를 극복하였습니다. Alternative splicing 말고도 유전자 재배열 과정도 DNA 저장공간의 한계를 극복하는 데에 사용하고 있습니다. 이번에는 여기서 마무리 짓고 다음번에 더 재미있는 내용으로 찾아오겠습니다. 이상입니다.