분절유전자

분절유전자

 

대부분의 진핵세포 유전자는 불연속적인 부분으로 나누어져 있다. 단백질의 아미노산 서열이 밝혀진 유전자의 염기서열을 조사해 보면 실제로 단백질로 해독되는 부분의 사이사이에 단백질로 해독되지 않는 부분이 존재하는 것을 알 수 있다. 단백질로 해독이 되지 않는 부분도 일단 RNA로는 전사가 되며 이런 부분을 인트론(intron)이라 한다. DNA에서 단백질로 해독이 되는 부분을 엑손(exon)이라 한다.

 

인트론은 거의 모든 진핵세포 유전자에 존재한다. 달걀 흰자의 주요 구성성분인 oval bumin 유전자는 7개의 인트론에 의하여 분리된 8조각의 엑손으로 이루어져 있다. 또한 닭의 세포에서 콜라겐을 합성하는 유전자는 52개의 분리된 엑손으로 구성되어 있다. 단백질 합성의 정보를 지니지 않는 tRNA나 rRNA유전자들도 진핵세포에서는 인트론에 의하여 분할되어 존재한다.

진핵세포의 유전자가 인트론에 의하여 분할되어 존재하기 때문에 핵 안에서는 mRNA를 찾을 수 없어 오랫동안 연구자들을 당황시켰다. 왕성하게 활동하는 세포의 핵내에는 많은 양의 RNA가 합성되나 이들은 모두 세포질에서 단백질 합성의 주형으로 작용하는 mRNA보다 훨씬 크다. 그 까닭은 다음과 같다. 인트론으로 분할된 유전자는 핵내에서 인트론과 엑손을 모두 포함하는 거대한 RNA 분자인 1차 전사체(primary transcript)로 전사된다. 이 분자는 몇 단계의 과정을 거쳐 mRNA로 된다. 첫째로 cap이라고 불리는 특별한 구조의 뉴클레오티드가 5' 말단에 부착되고 일련의 아데닌 잔기(poly A)가 3' 말단에 부착된다. 그리고나면 인트론에 해당되는 부분이 잘려져 나가고 엑손끼리 서로 정확하게 연결된다. 인트론은 5'에서부터 순서대로 제거된다. 마지막 인트론이 제거되면 완전한 mRNA 분자가 되어 핵에서 세포질로 이동하고 단백질 합성의 주형으로 작용한다. 1차 전사체 분자에서 인트론을 제거하고 엑손을 서로 연결시키는 과정은 아주 정밀하게 수행되어야 한다. 만일 엑손을 이루는 뉴클레오티드 하나가 인트론이 제거될 때 함께 제거되거나 인트론을 이루는 뉴클레오티드가 하나라도 남는다면 그 지점부터 단백질의 해독틀이 바뀌어져 그 부분부터는 전혀 다른 단백질이 합성된다. 대개는 바뀌어진 해독틀이 사용될 때 종결코돈이 일찍 오게 되어 원래보다 짧아진 폴리펩티드를 합성하게 된다. 인트론과 엑손의 연결부위를 이루는 염기서열을 조사한 결과, 정확한 절제와 연결을 가능하게 하는 뉴클레오티드의 서열을 발견하였다. RNA에서 각각의 인트론은 GU로 시작되고 AG 서열로 끝난다. 이 서열이 인트론을 제거하고 엑손을 연결시키는 효소가 기능을 수행할 수 있게 하는 신호로 작용할 것이라 생각된다.

인트론의 존재는 성숙된 mRNA를 DNA의 안티센스가닥과 결합시켜봄으로써 물리적으로 증명할 수 있다. 안티센스 가닥의 엑손 부위에는 mRNA와 상보적인 서열이 존재하여 mRNA와 결합하여 이중나선을 이룬다. 그러나 인트론 부위는 그에 상보적인 부분이 mRNA 에 존재하지 않기 때문에 단일 가닥의 고리를 형성한다. 이러한 현상은 전자현미경으로 관찰할 수 있다.

진핵세포의 유전자가 인트론에 의하여 분절되어 있는 까닭은 무엇일까? 아마도 진화가 진행되는 동안, 진핵세포의 유전자는 오늘날의 엑손에 해당되는 보다 작고 원시적인 형태의 유전자가 여러 개 모여서 이루어진 것이라 생각된다. 항체와 같은 단백질은 그 기능과 구조에 따라 몇 개의 부분으로 나눌수 있는데 이 각각의 부분을 영역(domain)이라 한다. 완전한 단백질분자에서 각각의 영역은 각기 특정한 기능을 수행하는 기본단위이다. 여러 가지 방법으로 엑손을 조합함으로써 세포는 돌연변이에 의거할 때보다 훨씬 빠른 속도로 새로운 기능을 지니는 단백질을 만들어낼 수 있는 것이다.