260: 리보뉴클레아제 P (Ribonuclease P)

Author: Steven Arnold, Momodou Camara, Megan C. Diiorio, Dhyan Ray, David S. Goodsell, Shuchismita Dutta Translator: PDBj


이 기사는 2021년 1월에 정량생물의학 럿거스연구소(Rutgers Institute for Quantitative Biomedicine) 주최로 개최된 1주일간의 집중 합숙 ‘생물의학에서의 과학 커뮤니케이션’(Science Communication in Biology and Medicine)의 일환으로 스티븐 아놀드(Steven Arnold), 모모두 카멜라(Momodou Camara), 메건 C. 디오리오(Megan C. Diiorio), 다이앤 레이(Dhyan Ray)가 집필하고 그린 것입니다.

리보자임

전이 RNA 와의 복합체를 형성한 사람의 핵(核)리보뉴클레아제 P. 리보뉴클레아제 P의 RNA는 빨간색, 단백질은 파란색, 절단된 전이 RNA 는 노란색으로 나타낸다.
전이 RNA 와의 복합체를 형성한 사람의 핵(核)리보뉴클레아제 P. 리보뉴클레아제 P의 RNA는 빨간색, 단백질은 파란색, 절단된 전이 RNA 는 노란색으로 나타낸다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

세포 내에서 이루어지는 대부분의 화학반응은 효소의 촉매에 의해 진행되고 있다. 그러나 어떤 특수한 경우에는 촉매 활성 부위 구축에 RNA가 사용되거나 리보자임(ribozyme)이 만들어진다. 예를 들어 자가스플라이싱 RNA(self-splicing RNA)는 단백질에 의한 도움 없이 더 긴 RNA 사슬에서 자기 스스로 그 일부를 잘라낸다. 리보뉴클레아제 P(ribonuclease P, RNase P), 리보뉴클레아제 MRP(ribonuclease mitochondrial RNA processing, RNase MRP), 리보솜(ribosome)은 단백질 생합성에 중요한 역할을 하는 리보자임의 예이다. 리보뉴클레아제 P는 전이 RNA 전구체를 절단해 5’ 말단이 완성된 전이 RNA (transfer RNA, tRNA) 분자를 만든다. 리보뉴클레아제 MRP는 짜여진 리보솜 안에 있는 RNA를 절단하고 리보솜은 리보솜RNA에 의해 촉매되는 반응을 사용해 새로운 단백질을 만든다.

전이 RNA 의 절단

전이 RNA 는 핵산의 3세트 뉴클레오타이드 코돈을 아미노산에 대응시킴으로써 단백질 합성을 진행하고 있다. 이 과정은 세포의 생존에 가장 중요하므로 전이 RNA 분자는 고도로 조절되어 전이 RNA 전구체로 전사된 후 광범위하게 수식을 받는다. 여기에 나타낸 PDB 엔트리 6ahu에서는 엔도뉴클레아제 리보뉴클레아제 P가 전이 RNA 전구체의 5’ 말단에서 작은 전구체 단편을 잘라내 기능하는 완성된 전이 RNA 분자를 만든다. 인간의 핵 리보뉴클레아제 P는 10분자의 단백질과 촉매작용을 갖는 큰 RNA 사슬로 구성되어 있다. 개별 단백질은 전이 RNA 의 인식과 그에 따른 촉매 작용을 할 수 있도록 하기 때문에 RNA를 안정화하고 적절한 방향으로 배향시키는 데 도움이 된다.

리보뉴클레아제 P의 다양성

세균(bacteria)도 고세균(archaea)도 단 1종류의 리보뉴클레아제 P밖에 갖고 있지 않지만 진핵생물(eukaryote) 중에는 2종류의 전이 RNA 전구체를 절단하는 구조를 가진 것이 있다. 하나는 촉매 RNA 사슬을 갖는 리보자임 리보뉴클레아제 P(ribozyme ribonuclease P)이고, 다른 하나는 RNA를 전혀 갖지 않는 단백질만의 리보뉴클레아제 P(protein-only ribonuclease P, PRORP)이다. 두 엔도뉴클레아제 모두 같은 기능을 실행하지만 세포에서의 위치와 구조가 다르다. PRORP는 미토콘드리아(mitochondria)에서 작용하며 독립된 미토콘드리아 게놈으로 코딩되어 에너지 생산에 중요한 유전자 발현과 관련된 전이 RNA 전구체를 절단한다. 한편 RNA를 기반으로 가진 리보뉴클레아제 P는 핵 내에서 전이 RNA 전구체를 수식한다. PRORP와 RNA를 가진 리보뉴클레아제 P의 단백질 서브유닛은 비슷한 기능을 갖고 있지만 구조상의 상동성은 없다.

분자의 화석

세균(왼쪽 위), 고세균(오른쪽 위) 및 사람(아래)의 리보뉴클레아제 P. 각각 전이 RNA 가 결합되어 있다. RNA 서브유닛은 빨간색, 단백질 서브유닛은 파란색, 전이 RNA 는 노란색으로 각각 나타낸다.
세균(왼쪽 위), 고세균(오른쪽 위) 및 사람(아래)의 리보뉴클레아제 P. 각각 전이 RNA 가 결합되어 있다. RNA 서브유닛은 빨간색, 단백질 서브유닛은 파란색, 전이 RNA 는 노란색으로 각각 나타낸다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

리보뉴클레아제 P는 거의 모든 생물이 가지고 있는 2개의 리보자임 중 하나이고, 다른 하나는 리보솜이다. 놀랍게도 이 RNA는 세균, 고세균 및 진핵생물의 핵 리보뉴클레아제 P에서 매우 유사하다. 이는 생명의 세 도메인이 다양화하기 전부터 모종의 리보뉴클레아제 P가 존재하여 고대의 RNA에 기반한 세계에서 진화했을 가능성을 보여주는 증거다. 단백질 함량에는 큰 차이가 보인다. 일반적으로 복잡한 생물일수록 포함되는 단백질 서브유닛의 수가 많다. 여기에 나타낸 PDB 엔트리 3q1q(왼쪽 위)는 세균의 리보뉴클레아제 P로, 단백질 서브유닛의 수는 적어 전체 질량의 10%에 불과하다. 또한 PDB 엔트리 6k0b(오른쪽 위)는 고세균의 리보뉴클레아제 P로, 8개의 단백질 서브유닛을 가진 이합체로 기능한다. PDB 엔트리 6ahu(아래)는 인간의 핵 리보뉴클레아제 P로, 10개의 단백질 서브유닛으로 구성된다.

구조 보기

리보뉴클레아제 P가 활동하는 모습

표시 방식： 정지 이미지

인터랙티브 조작이 가능한 페이지로 전환하려면 그림 아래의 버튼을 클릭하십시오. 읽기가 시작되지 않을 때는 그림을 클릭하십시오.

우라실80(uracil80, U80)은 리보자임의 촉매 중심에 있는 인간 리보뉴클레아제 P의 보존 뉴클레오타이드이다. 리보뉴클레아제 P의 활성 부위에 있는 뉴클레오타이드를 자세히 살펴보면 전이 RNA 가 결합하면 우라실80의 입체 구조가 변화하는 것으로 나타났다. 전이 RNA 를 동반한 리보뉴클레아제 P와 동반되지 않은 리보뉴클레아제 P를 서로 겹칠 경우 전이 RNA (청록색)가 없으면 우라실80이 부풀어 촉매 작용을 불활성화하는 입체 장애를 만들어낸다. 그리고 전이 RNA 가 결합하면 우라실80은 반전되어 촉매 작용이 ON으로 된다. 그림 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브로 조작할 수 있는 이미지로 전환하여 전이 RNA 를 동반한 리보뉴클레아제 P와 동반하지 않는 리보뉴클레아제 P의 구조(PDB 엔트리 6ahu, 6ahr)를 비교해 보기 바란다.

이해를 높이기 위한 토픽

  1. 리보뉴클레아제 P MRP의 구조는 PDB 아카이브에는 PDB 엔트리 6w6v를 포함하여 여러 건이 등록되어 있습니다.
  2. 리보뉴클레아제 P의 구조에 대응하는 저온전자현미경 데이터를 PDB 엔트리 6ahu의 EM 데이터 리소스 페이지(EM Navigator@PDBj•EMData Resource)에 접속하여 확인해 보십시오.
  3. PRORP는 촉매 RNA 서브유닛이 없는 희귀한 유형의 리보뉴클레아제 P입니다. 4g24를 보고 PRORP의 3차원 구조를 살펴보십시오.

참고문헌

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  2. 6ahr、6ahu Wu, J., Niu, S., Tan, M., Huang, C., Li, M., Song, Y., Wang, Q., Chen, J., Shi, S., Lan, P., Lei, M. 2018 Cryo-EM Structure of the Human Ribonuclease P Holoenzyme. Cell 175 1393-1404
  3. Klemm, B.P., Wu, N., Chen, Y., Liu, X., Kaitany, K.J., Howard, M.J., Fierke, C.A. 2016 The diversity of ribonuclease P: Protein and RNA catalysts with analogous biological functions. Biomolecules 6 27
  4. 3q1q Reiter, N., Osterman, A., Torres-Larios A., Swinger K.K., Pan T., Mondragon, A. 2010 Structure of a bacterial ribonuclease P holoenzyme in complex with tRNA. Nature 468 784–789
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  6. Holzmann, J., Frank, P., Loffler, E., Bennett, K.L., Gerner, C., Rossmanith, W. 2008 RNase P without RNA: Identification and functional reconstitution of the human mitochondrial tRNA processing enzyme. Cell 135 462-474
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  8. Cech, T.R. 2002 Ribozymes, the first 20 years. Biochem Soc Trans 30 1162–1166

이 기사는 RCSB PDB의 PDB-101로 제공되고 있는 「Molecule of the Month」의.2021년8월의 기사를 한국어로 번역한 것입니다.전재·인용에 대해서는 이용 규약을 봐 주세요.

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