스플라이소좀

스플라이소좀(spliceosome)은 주로 진핵생물의 세포핵 내에서 발견되는 대형 리보핵단백질(RNP) 복합체이다. 스플라이소좀은 소핵 RNA(snRNA)와 수많은 단백질로 구성된다. 소핵 RNA(snRNA) 분자는 특정 단백질과 결합하여 소핵 리보핵단백질 복합체(snRNP, "스너프스"로 발음)를 형성하며, 이는 다시 다른 snRNP와 결합하여 스플라이소좀이라는 대형 리보핵단백질 복합체를 형성한다. 스플라이소좀은 일차 전사체의 일종인 전사된 pre-mRNA에서 인트론을 제거한다. 이 과정은 일반적으로 RNA 스플라이싱이라고 불린다.^[1] 비유하자면, 영화 편집자가 초기 필름에서 관련 없거나 잘못된 자료(인트론에 해당)를 선택적으로 잘라내고 정리된 버전을 감독에게 보내 최종 편집을 하는 것과 같다.

그러나 때로는 인트론 내의 RNA가 리보자임으로 작용하여 스플라이소좀이나 단백질 효소를 사용하지 않고 스스로 스플라이싱하기도 한다.

스플라이소좀 스플라이싱 주기

역사

 스플라이싱 (유전학) 문서를 참고하십시오.

1977년, 필립 앨런 샤프와 리처드 J. 로버츠 연구실의 연구를 통해 고등 유기체의 유전자가 DNA 분자를 따라 여러 개의 다른 세그먼트로 "분할"되어 있거나 존재한다는 것이 밝혀졌다.^[2][3] 유전자의 코딩 영역은 단백질 발현에 관여하지 않는 비번역 DNA에 의해 분리된다. 분할 유전자 구조는 아데노바이러스 mRNA가 단일 가닥 바이러스 DNA의 엔도뉴클레아제 절단 단편과 혼성화될 때 발견되었다.^[2] mRNA-DNA 혼성체의 mRNA가 비수소 결합 영역의 5' 및 3' 꼬리를 포함하는 것이 관찰되었다. 더 큰 바이러스 DNA 단편이 사용되었을 때, 바이러스 mRNA와 혼성화될 때 고리형 DNA의 갈래 구조가 관찰되었다. 고리형 영역인 인트론이 샤프가 "스플라이싱"이라고 명명한 과정에서 전구체 mRNA로부터 잘려 나간다는 것이 밝혀졌다. 분할 유전자 구조는 이후 대부분의 진핵생물 유전자에 공통적으로 나타나는 것으로 밝혀졌다. 필립 앨런 샤프와 리처드 J. 로버츠는 인트론과 스플라이싱 과정의 발견으로 1993년 노벨 생리의학상을 수상했다.

구성

각 스플라이소좀은 5개의 소핵 RNA(snRNA)와 다양한 관련 단백질 인자로 구성된다. 이 작은 RNA들이 단백질 인자와 결합하면, SnRNPs(small nuclear ribonucleoproteins, "스너프스"로 발음)라고 불리는 RNA-단백질 복합체를 만든다. 주요 스플라이소좀을 구성하는 snRNA는 U1, U2, U4, U5, U6라고 불리는데, 이는 이들이 유리딘이 풍부하고 여러 RNA-RNA 및 RNA-단백질 상호작용에 참여하기 때문이다.^[1]

스플라이소좀의 조립은 각 엑손:인트론 접합부에서 각 pre-mRNA(이종 핵 RNA, hn-RNA라고도 함)에서 발생한다. pre-mRNA 인트론에는 스플라이소좀 조립 중에 인식되고 활용되는 특정 서열 요소가 포함되어 있다. 여기에는 5' 말단 스플라이스 부위, 분지점 서열, 폴리피리미딘 트랙 및 3' 말단 스플라이스 부위가 포함된다. 스플라이소좀은 인트론의 제거와 측면 엑손의 연결을 촉매한다.

인트론은 일반적으로 5' 말단 스플라이스 부위에 GU 뉴클레오타이드 서열을 가지고 있고, 3' 말단 스플라이스 부위에는 AG를 가지고 있다. 3' 스플라이스 부위는 폴리피리미딘 트랙(PPT)이라고 불리는 가변 길이의 폴리피리미딘에 의해 더욱 정의될 수 있으며, 이는 3' 스플라이스 부위에 인자를 모집하고 분지점 서열(BPS)에 인자를 모집하는 이중 기능을 수행한다. BPS는 스플라이싱의 첫 번째 단계에 필요한 보존된 아데노신을 포함한다.

많은 단백질은 아연 결합 모티프를 나타내는데, 이는 스플라이싱 메커니즘에서 아연의 중요성을 강조한다.^[4][5][6] U4/U6.U5 삼중 소핵 리보핵단백질(tri-snRNP) 복합체의 첫 번째 분자 해상도 재구성 작업은 2016년에 보고되었다.^[7]

그림 1. 위는 음성 염색된 효모(Saccharomyces cerevisiae) tri-snRNP의 전자 현미경^[8] 이미지이다. 왼쪽 아래는 U4/U6 snRNA 이중나선과 tri-snRNP 단백질의 상호작용을 나타내는 개략도이다. 오른쪽 아래는 U5(회색), U4/U6(주황색), 링커 영역(노란색)에 해당하는 음영 처리된 영역을 포함하는 효모 tri-snRNP의 만화 모델이다.

Shi 등은 극저온 전자현미경을 광범위하게 적용하여 효모^[9]와 인간^[10] 모두에서 스플라이소좀의 거의 원자 수준 구조를 밝혀냈다. 거의 원자 수준 해상도의 스플라이소좀 분자 프레임워크는 U5 snRNP의 Spp42 구성 요소가 중심 골격을 형성하고 효모의 촉매 중심을 고정한다는 것을 보여준다. 인간 스플라이소좀의 원자 구조는 2단계 구성 요소 Slu7이 확장된 구조를 취하고 3'-스플라이스 부위 선택을 위해 준비되어 있음을 보여준다. 효모 복합체의 모든 5개의 금속(Mg2+로 지정됨)은 인간 복합체에서도 보존된다.

선택적 스플라이싱

 이 부분의 본문은 선택적 스플라이싱입니다.

선택적 스플라이싱(다양한 엑손의 재조합)은 진핵생물에서 유전적 다양성의 주요 원천이다. 스플라이스 변이체는 현재 약 20,000개로 추정되는 인간 유전체의 비교적 적은 수의 단백질 코딩 유전자를 설명하는 데 사용되었다. 특정 초파리 유전자 Dscam은 모든 엑손이 서로 독립적으로 스플라이싱될 수 있다고 가정할 때 38,000개의 다른 mRNA로 선택적으로 스플라이싱될 수 있다고 추정된다.^[11]

스플라이싱의 위치

pre-mRNA 스플라이싱 인자는 원래 핵 반점(nuclear speckle)으로 알려진 핵체에 농축되어 있는 것으로 밝혀졌다.^[12] 원래 핵 반점은 mRNA 스플라이싱 장소이거나 mRNA 스플라이싱 인자의 저장 장소라고 가정되었다. 현재는 핵 반점이 물리적으로 가까이 위치한 유전자 근처에 스플라이싱 인자를 집중시키는 데 도움을 준다는 것이 이해되고 있다. 핵 반점으로부터 멀리 떨어진 유전자도 전사되고 스플라이싱될 수 있지만, 이들의 스플라이싱 효율은 반점에 가까운 유전자보다 낮다.^[13] RNA 스플라이싱은 생화학 반응이며, 모든 생화학 반응과 마찬가지로 그 속도는 효소와 기질의 농도에 따라 달라진다. 이 경우 효소는 스플라이소좀이고 기질은 pre-mRNA이다. 핵 반점에 대한 근접성에 따라 스플라이소좀과 pre-mRNA의 농도를 조절함으로써 세포는 스플라이싱 효율을 잠재적으로 조절할 수 있다.^[13]

조립

스플라이소좀 활성 부위 형성 모델은 pre-mRNA 기질에 개별 snRNP 입자가 순서적으로 단계별로 조립되는 과정을 포함한다. pre-mRNA의 첫 인식은 U1 snRNP가 pre-mRNA의 5' 말단 스플라이스 부위와 다른 비-snRNP 관련 인자와 결합하여 커밋먼트 복합체 또는 포유류의 초기(E) 복합체를 형성하는 것을 포함한다.^[14][15] 커밋먼트 복합체는 ATP 비의존적 복합체로, pre-mRNA를 스플라이싱 경로에 투입한다.^[16] U2 snRNP는 E 복합체 구성 요소인 U2AF(U2 snRNP 보조 인자) 및U1 snRNP와의 상호작용을 통해 분지 영역으로 모집된다. ATP 의존적 반응에서 U2 snRNP는 분지점 서열(BPS)과 단단히 결합하여 복합체 A를 형성한다. U2 snRNP와 pre-mRNA 분지 영역 사이에 형성된 이중 나선은 분지 아데노신을 돌출시켜 첫 번째 전이 에스테르화의 친핵체로 지정한다.^[17]

U2 snRNA 내의 슈도유리딘 잔기는 분지 부위의 거의 반대편에 위치하며, U2 snRNP 결합 시 RNA-RNA 이중나선의 변형된 형태를 유발한다. 특히, 슈도유리딘에 의해 유도된 이중나선의 변형된 구조는 돌출된 아데노신의 2' OH를 스플라이싱의 첫 단계에 유리한 위치에 놓이게 한다.^[18] U4/U5/U6 tri-snRNP(그림 1 참조)는 조립 중인 스플라이소좀에 모집되어 복합체 B를 형성하고, 여러 재배열 후 복합체 C는 촉매 작용을 위해 활성화된다.^[19][20] tri-snRNP가 복합체 A로 모집되는 방법은 불분명하지만, 이 과정은 단백질-단백질 상호작용 및 U2 snRNA와 U6 snRNA 사이의 염기쌍 상호작용을 통해 매개될 수 있다.

U5 snRNP는 U5 snRNA의 불변 루프를 통해 5' 및 3' 스플라이스 부위의 서열과 상호작용하고^[21] U5 단백질 구성 요소는 3' 스플라이스 부위 영역과 상호작용한다.^[22]

tri-snRNP 모집 후, 몇몇 RNA-RNA 재배열이 첫 번째 촉매 단계에 선행하며, 촉매 활성 스플라이소좀에서 추가 재배열이 발생한다. 몇몇 RNA-RNA 상호작용은 상호 배타적이지만, 이러한 상호작용을 유발하는 요인이나 재배열의 순서는 알려져 있지 않다. 첫 번째 재배열은 아마도 5' 스플라이스 부위에서 U1 snRNP의 전위와 U6 snRNA 상호작용 형성일 것이다. U1 snRNP가 완전히 형성된 스플라이소좀과 약하게만 결합되어 있다는 것이 알려져 있으며,^[23] U1 snRNP는 짧은 5' 엑손과 5' 스플라이스 부위를 포함하는 기질 올리고뉴클레오타이드 모델에서 U6-5' 스플라이스 부위 상호작용 형성을 억제한다.^[24] U2 snRNP가 분지점 서열(BPS)에 결합하는 것은 단백질-RNA 상호작용을 대체하는 RNA-RNA 상호작용의 한 예이다. U2 snRNP가 모집되면, 커밋먼트 복합체의 분지 결합 단백질 SF1은 U2 snRNA와 SF1의 결합 부위가 상호 배타적인 사건이므로 전위된다.

U2 snRNA 내에서는 서로 경쟁하는 형태들 사이에 상호 배타적인 재배열이 일어난다. 예를 들어, 활성 형태에서는 스템 루프 IIa가 선호되며, 비활성 형태에서는 루프와 하류 서열 간의 상호 배타적인 상호작용이 우세하다.^[20] U4가 U6 snRNA로부터 어떻게 이탈되는지는 불분명하지만, RNA가 스플라이소좀 조립에 관여하며 U4/U6를 풀어내고 U2/U6 snRNA 상호작용 형성을 촉진하는 기능을 할 수 있다. U4/U6 스템 루프 I과 II의 상호작용이 해리되고, 자유로워진 U6의 스템 루프 II 영역은 자체적으로 접혀서 분자내 스템 루프를 형성하며, U4는 더 이상 스플라이소좀 조립에 필요하지 않다. 자유로워진 U6의 스템 루프 I 영역은 U2 snRNA와 염기쌍을 형성하여 U2/U6 헬릭스 I을 형성한다. 그러나 헬릭스 I 구조는 U2 snRNA의 내부 5' 스템 루프 영역의 3' 절반과 상호 배타적이다.

소형 스플라이소좀

 소형 스플라이소좀 문서를 참고하십시오.

일부 진핵생물은 소위 소형 스플라이소좀이라는 두 번째 스플라이소좀을 가지고 있다.^[25] 덜 풍부한 snRNA 그룹인 U11, U12, U4atac, U6atac는 U5와 함께 소형 스플라이소좀의 서브유닛으로, U12-형으로 명명된 희귀한 유형의 pre-mRNA 인트론을 스플라이싱한다. 소형 스플라이소좀은 주요 스플라이소좀과 마찬가지로 핵에 위치하지만,^[26] 무핵 혈소판^[27] 및 신경 세포의 가지돌기 세포질을 포함한 일부 특수 세포에서는 예외가 있다.^[28]