유전자 해독 : RNA -> 단백질

유전자 해독 : RNA -> 단백질

 

DNA가 복제되거나 RNA 분자로 전사될 때 새로이 합성되는 DNA나 RNA가닥의 염기배열은 주형의 염기서열과 상보적이다. 그러나 염기와 단백질 사이에는 이러한 상보성이 존재하지 않는다. 그러면 어떻게 염기서열이 단백질의 아미노산 서열을 규정할 수 있을까? 단백질 합성에 필요한 20개의 아미노산에는 각각에 대응하는 적어도 하나 이상의 tRNA 분자가 존재한다. 어떤 아미노산은 그에 상응하는 tRNA가 2개나 3개 있기 때문에 대부분의 세포에는 32종의 서로 다른 tRNA가 존재한다. 그러나 tRNA는 각각 한 종류의 아미노산만을 인지하여 결합할 수 있다. 그것은 특정 아미노산과 특정 tRNA 분자를 선택적으로 인식하는 효소가 있어 각 tRNA 에 상응하는 아미노산을 부착하여 주기
때문이다.

tRNA에는 안티코돈(anticodon)이라 불리는 3개의 뉴클레오티드가 있어 mRNA 분자에 존재하는 3개의 뉴클레오티드로 된 코돈(codon)과 상보적으로 결합할 수 있다. tRNA는 이렇게 특정 아미노산을 지정하여 결합함과 동시에 mRNA상의 코돈을 인지하여 상호작용할 수 있기 때문에 tRNA를 매개로 하여 mRNA의 염기서열 정보가 단백질의 아미노산 서열로 해독될 수 있는 것이다. tRNA 의 안티코돈 고리(anticodon loop)에 위치하는 3개의 안티코돈 염기는 mRNA의 염기와 상보적으로 결합한다. DNA 복제나 전사과정에서와 마찬가지로 안티코돈은 mRNA 코돈(5′→3′)을 다음과 같이 반대 방향으로 읽어간다.

 

코돈: 5′UUC3'

안티코돈: 3'AAG5′

 

20개 이상의 tRNA가 각각 특정한 아미노산과 결합한 채로, 안티코돈 부위가 mRNA의 코돈에 상보적으로 결합함으로써 mRNA의 정보가 특정 아미노산을 지정할 수 있는 것이다. 이러한 방법으로 서로 다른 아미노산이 mRNA의 염기서열에 따라 배열되어 폴리펩티드를 형성한다. 그리하여 폴리펩티드의 아미노산 서열은 mRNA의 염기서열에 의하여 결정되고, 이것은 또한 DNA상의 유전정보에 따라 결정되는 것이다.

 

유전정보

하나의 코돈을 구성하는 뉴클레오티드의 수는 왜 하필 3개이어야 하는가? 염기의 종류는 모두 네 가지(A, U, C, G)로 하나의 염기가 20가지의 아미노산을 지정하기에는 수가 부족하다. 2개의 염기로 지정할 수 있는 것은 최대 16가지일 뿐이어서 이 역시 20개의 아미노산을 모두 지정할 수 없다. 3개의 염기가 이룰 수 있는 조합의 가짓수는 모두 64가지로, 이는 20개의 아미노산을 지정하고도 남는 충분한 숫자이다. 이로 인해 실제로 어떤 경우에는 2개나 3개의 서로 다른 코돈이 동일한 아미노산을 지정하기도 한다. 이것으로 또한 세포내에 존재하는 tRNA가 20종 이상인 사실도 쉽게 설명할 수 있다. 폴리펩티드가 합성될 때, 2개 혹은 3개의 서로 다른 tRNA가 동일한 아미노산을 지정하기도 한다.

조성을 알고 있는 합성 mRNA 분자와 리보솜, ATP, 활성효소, 그리고 20개의 아미노산을 조작하여 실험 관내에서 폴리펩티드를 합성해 냄으로써, 코돈은 3개의 염기로 이루어진다는 사실과 어떠한 코돈이 어느 아미노산을 지정하는지를 알아낼 수 있었다. 예를들어 우라실로만 이루어진 polyU RNA에서는 페닐알라닌만으로 구성된 폴리펩티드가 합성되었다. 이것은 폴리펩티드를 합성할 때 UUU 코돈이 페닐알라닌을 지정한다는 것을 의미한다. 같은 방법으로, polyA RNA를 주형으로 단백질 합성을 수행하면, 폴리리신이 합성된다. 다른 조합을 지닌 합성 RNA를 사용하여 실험을 반복하여 모두 61개의 코돈이 지정하는 아미노산의 종류를 결정할 수 있었다. 64개 코돈 중에서 3개(UAA, UAG, UGA)는 번역을 종결하는 종결코돈으로 작용한다. AUG코돈은 두 가지 기능을 수행한다. AUG 코돈이 번역되는 mRNA의 중간에 위치하면 메티오닌을 지정하는 코돈으로 작용하고, 또한 번역의 개시점을 지정하는 개시코돈으로 작용하기도 한다.

어떤 tRNA는 하나 이상의 코돈을 인지한다. 예를 들어 안티코돈이 3'AAG5'인 페닐 알라닌 tRNA는 그에 상보적인 코돈인 UUC코돈뿐 아니라 UUU 코돈도 인지한다. 다른 tRNA 분자도 이와 같이 세 번째 염기만이 다른 2개나 3개의 코돈을 모두 인지할 수있다. 이렇게 코돈과 안티코돈이 서로 결합할 때 코돈의 세 번째 위치에서 정상적인 염기의 상보적인 결합이 이루어지지 않아도 되는 현상을 동요현상(wobble)이라 한다.