단백질 합성의 원리: 전사, 번역, 유전 암호와 돌연변이의 종류

유전자에서 단백질로

유전자는 염기 순서가 단백질 하나를 지정하는 DNA의 한 구간입니다. 세포는 DNA를 직접 읽어 단백질을 만들지 않습니다. 먼저 유전자를 전령 RNA로 베끼고(전사), 그다음 리보솜이 mRNA를 읽어 아미노산을 올바른 순서로 잇습니다(번역). DNA에서 RNA로, 다시 단백질로 가는 이 정보 흐름을 흔히 분자생물학의 중심 원리라고 합니다.

전사

RNA 중합효소는 유전자 앞의 프로모터에 결합해 이중 나선의 짧은 구간(전사 거품, 약 14 염기쌍)을 풀고 그것을 따라 이동합니다. 한 가닥, 곧 주형 가닥을 읽고 그에 상보적인 RNA 가닥을 만드는데, 뉴클레오타이드를 RNA의 3′ 끝에 이어 붙이므로 RNA는 5′에서 3′ 방향으로 자랍니다. 따라서 RNA는 다른 DNA 가닥인 암호화 가닥과 같은 서열을 가지며, 티민(T) 대신 유라실(U)이 들어갑니다. 중합효소 뒤에서 DNA는 다시 닫힙니다.

세균에서는 mRNA가 바로 쓰입니다. 진핵생물에서는 먼저 가공됩니다. 5′ 끝에 캡, 3′ 끝에 폴리 A 꼬리가 붙고, mRNA가 핵을 떠나기 전에 인트론이 잘려 나갑니다(스플라이싱).

유전 암호

mRNA는 세 염기씩 읽힙니다. 세 염기 묶음 하나하나가 코돈입니다. 네 가지 염기로 4³ = 64개의 코돈이 생기며, 61개는 20가지 아미노산을 지정하고 3개(UAA, UAG, UGA)는 종결을 뜻합니다. AUG는 메싸이오닌을 지정하며 시작 표시도 합니다. 대부분의 아미노산에는 코돈이 여러 개 있고 보통 세 번째 염기만 다르므로, 암호에는 중복(축퇴)이 있습니다. 약간의 예외를 빼면 거의 모든 생물이 같은 암호를 씁니다.

번역

개시: 리보솜의 작은 소단위가 mRNA에 결합해 시작 코돈 AUG를 찾습니다. 메싸이오닌을 실은 첫 운반 RNA가 그곳에 짝을 짓고, 큰 소단위가 합류합니다.
신장: 다음 코돈과 안티코돈이 짝을 짓는 tRNA가 다음 아미노산을 가져옵니다. 리보솜은 그것을 펩타이드 결합으로 자라는 사슬에 잇고 한 코돈 이동합니다. 세균 리보솜은 1초에 약 15~20개, 사람의 리보솜은 약 5개의 아미노산을 붙입니다.
종결: 종결 코돈에 맞는 tRNA는 없습니다. 대신 방출 인자가 결합해 완성된 사슬을 놓아주고, 리보솜은 분리됩니다.

코돈의 순서가 아미노산의 순서를 정하고, 그 서열이 사슬이 접혀 일하는 단백질이 되는 모양을 정합니다.

계산 예: β-글로빈

헤모글로빈 분자의 절반을 이루는 사람 β-글로빈 유전자(HBB)는 다음과 같이 시작합니다.

ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …

mRNA: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
코돈: AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys.
단백질: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…, 한 글자 표기로는 MVHLTPEEK.

돌연변이

침묵: 코돈을 같은 아미노산의 다른 코돈으로 바꾸는 치환입니다. 코돈 2의 GTG를 GTC로 바꿔도 여전히 발린입니다.
미스센스: 새 코돈이 다른 아미노산을 지정합니다. 겸형 적혈구 빈혈증에서는 코돈 7이 GAG에서 GTG로 바뀌어 글루탐산이 발린이 됩니다. 소수성인 발린 때문에 산소가 부족하면 헤모글로빈 분자들이 달라붙어 섬유가 되고, 적혈구가 낫 모양으로 휩니다. 해가 없는 미스센스 변화도 있고, 단백질을 망가뜨리는 것도 있습니다.
넌센스: 코돈이 종결 코돈이 됩니다. HBB의 19번째 염기를 G에서 T로 바꾸면 GAG가 TAG가 되어, 단백질이 아미노산 여섯 개에서 멈춥니다. 이런 돌연변이가 β-지중해빈혈의 원인이 됩니다.
틀 이동: 3의 배수가 아닌 수의 염기를 넣거나 빼면 읽기 틀이 밀려 그 뒤의 모든 코돈이 바뀝니다. HBB의 20번째 염기를 빼면 MVHLTPGRSLPLLPCGAR 뒤에 종결이 와서 짧고 쓸모없는 단백질이 됩니다. 세 염기를 넣거나 빼면 틀이 밀리지 않고 아미노산 하나가 더해지거나 빠집니다. 낭포성 섬유증에서 가장 흔한 돌연변이가 페닐알라닌 하나를 빼는 것입니다.

시뮬레이션 사용법

단백질 합성 시뮬레이터: 전사와 번역에서 해 볼 만한 것:

β-글로빈이 전사되고 번역되는 것을 보기. 결과의 mRNA를 암호화 가닥과 비교해 보세요.
치환을 고르고 20번째 염기를 T로: 겸형 적혈구 돌연변이로, 미스센스 E7V로 표시됩니다.
19번째 염기를 T로: 넌센스. 6번째 염기를 C로: 침묵.
20번째 염기 결실: 틀 이동이며, 코돈 7 뒤로 소수성 지수 그래프가 뒤죽박죽이 됩니다.
짧은 예에서는 시작 코돈이 몇 염기 뒤에 있습니다. 리보솜은 그 염기들을 건너뛰고 TGA에서 멈춥니다.
ATG가 없는 서열 입력하기: 단백질이 만들어지지 않습니다.

모형의 가정

표준 유전 암호를 서열의 첫 ATG부터 그 읽기 틀로, 첫 종결 코돈이나 서열 끝까지 읽습니다.
인트론 없는 암호화 서열: 입력한 서열을 mRNA 서열로 취급하며, 프로모터, 스플라이싱, 캡, 꼬리는 없습니다.
한 번에 중합효소 하나와 리보솜 하나가 일정한 속력으로 움직입니다. 실제 유전자는 많은 중합효소가 전사하고, 각 mRNA는 많은 리보솜이 동시에 읽습니다(폴리솜).
질량은 잔기의 평균 질량에 물 한 분자를 더해 구하며, 변형은 없습니다. 첫 메싸이오닌은 남겨 둡니다.
소수성 지수는 카이트-둘리틀 척도로, 다섯 잔기 창으로 평균합니다.

경계 사례

시작 코돈 없음: 단백질이 없습니다. ATG 자체의 돌연변이로 시작을 잃으면 시뮬레이션은 다음 ATG부터 번역하는데, 그것은 다른 읽기 틀에 있을 수 있습니다.
종결 코돈 없음: 리보솜이 서열 끝을 넘어갑니다. 세포에서는 이런 "논스톱" mRNA를 알아보고 분해합니다.
시작 전이나 종결 뒤의 돌연변이는 단백질을 바꾸지 않지만, 실제 유전자에서는 만들어지는 양에 영향을 줄 수 있습니다.
같은 염기로의 치환은 아무것도 바꾸지 않습니다.

모형이 맞지 않게 되는 경우

침묵이라고 늘 무해하지는 않습니다. 동의 치환도 스플라이싱 신호, mRNA 접힘, 코돈이 읽히는 속도를 바꿔 만들어지는 단백질의 양이나 접히는 방식을 바꿀 수 있습니다.
넌센스 매개 mRNA 분해. 진핵생물에서는 이른 종결 코돈이 있는 mRNA가 잘린 단백질이 많이 만들어지기 전에 보통 분해됩니다.
시작 코돈의 맥락. 진핵생물의 리보솜은 캡에서부터 훑으며 좋은 맥락(GCCACCAUGG 같은 코작 서열)에 있는 AUG를 선호하고, 세균은 바로 앞의 샤인-달가노 서열을 씁니다. 첫 ATG가 늘 쓰이는 것은 아닙니다.
번역 뒤. 첫 메싸이오닌은 흔히 제거되므로 겸형 적혈구 돌연변이는 Glu6Val이라고 부릅니다. 단백질은 잘리고, 샤페론의 도움으로 접히고, 당과 인산으로 장식됩니다.
다른 암호. 미토콘드리아와 일부 미생물은 몇몇 코돈을 다르게 읽습니다. 사람 미토콘드리아에서는 UGA가 트립토판을 지정합니다.

단백질 합성의 원리: 전사, 번역, 돌연변이