유전자 발현은 유전자에 암호화된 정보를 사용하여 단백질이나 RNA 분자와 같은 기능성 유전자 산물을 합성하는 과정입니다.
여기에는 DNA가 메신저 RNA(mRNA)로 전사되고 이후 mRNA가 기능성 단백질로 번역되는 과정이 포함됩니다.
분자 생물학의 중심 교리는 이러한 유전 정보의 흐름을 DNA -> RNA -> 단백질로 설명합니다.
전사과정
핵에서 발생합니다. RNA 중합효소는 DNA 주형을 읽고 상보적인 mRNA 가닥을 합성합니다. 전사에는 DNA의 한 가닥(주형 가닥)만 사용됩니다. 프로모터와 인핸서는 전사의 시작을 조절합니다. 전사를 담당하는 효소인 RNA 폴리머라아제는 프로모터 영역으로 알려진 특정 DNA 서열을 인식하고 결합합니다. 유전자 발현을 조절하는 단백질인 전사 인자는 RNA 폴리머라아제가 프로모터에 결합하는 것을 돕습니다. RNA 중합효소가 결합되면 DNA 가닥이 풀리면서 전사 기포가 형성됩니다.
RNA 처리
진핵생물에서는 pre-mRNA가 핵을 떠나기 전에 처리 과정을 거칩니다. 캡핑(5' 캡 추가), 스플라이싱(인트론 제거) 및 폴리 아데닐화 (폴리-A 테일 추가)가 포함됩니다. 이러한 변형은 mRNA를 보호하고 수송을 촉진하며 번역을 조절합니다. 번역: 리보솜의 세포질에서 발생합니다. mRNA는 코돈(3개의 뉴클레오티드 서열)으로 읽히며, 각각은 아미노산을 코딩합니다. tRNA는 상응하는 아미노산을 가져와 함께 연결하여 폴리펩티드 사슬을 형성합니다.
유전자 발현 조절
전사 조절에는 RNA 합성 조절이 포함됩니다. 전사 인자는 특정 DNA 서열(인핸서 및 프로모터)에 결합하여 전사를 활성화하거나 억제합니다. 후생적 변형(메틸화, 아세틸화)은 염색질 구조와 유전자 접근성에 영향을 미칠 수 있습니다. 유전자 발현 조절은 유전자가 단백질이나 RNA 분자와 같은 기능성 제품으로 전사되고 번역되는 시기와 정도를 결정하는 제어 메커니즘을 의미합니다. 이 조절은 세포와 유기체의 적절한 기능에 중요하여 내부 및 외부 신호에 반응하고 환경 변화에 적응하며 항상성을 유지할 수 있도록 합니다. 유전자 발현 조절은 전사, 전사 후, 번역 및 번역 후 과정을 포함한 여러 수준에서 발생합니다.
전사 후 조절
miRNA 및 siRNA는 mRNA에 결합하여 분해를 일으키거나 번역을 억제할 수 있는 작은 RNA입니다. 대체 스플라이싱을 사용하면 다양한 조합의 엑손이 최종 mRNA에 포함될 수 있어 단백질 다양성이 보장됩니다.
대체 스플라이싱은 엑손과 인트론의 다양한 조합이 최종 mRNA 전사물에 포함되거나 제외되는 프로세스입니다.
1. RNA 편집
RNA 편집은 전사 후 mRNA의 뉴클레오티드 서열을 수정하는 것을 포함합니다.
2. mRNA 안정성 및 붕괴
mRNA 분자의 안정성은 mRNA 내의 특정 서열이나 구조적 요소에 의해 영향을 받을 수 있습니다.
3. 규제 역할
mRNA 안정성은 번역에 사용할 수 있는 mRNA의 양에 영향을 미칩니다. RNA 결합 단백질과 비암호화 RNA는 mRNA를 안정화하거나 불안정화하는 역할을 합니다.
4. 마이크로RNA(miRNA) 및 소형 간섭 RNA(siRNA)
miRNA와 siRNA는 mRNA의 상보적인 서열에 결합할 수 있는 작은 RNA 분자입니다.
5. 조절 역할
결합은 mRNA 분해로 이어지거나 번역을 억제하여 특정 유전자의 발현을 제어할 수 있습니다.
6. RNA 위치 파악
일부 mRNA는 특정 세포하 위치로 선택적으로 운반됩니다.
7. 캡 및 폴리-A 테일 수정
mRNA 분자 끝의 5' 캡과 폴리-A 꼬리는 변형될 수 있습니다.
8. 규제 역할
변형은 mRNA 안정성, 번역 개시 및 번역 개시 인자와의 상호작용에 영향을 미칩니다.
9. 단백질 매개 조절
RNA 결합 단백질은 mRNA의 특정 서열과 상호작용합니다.
번역 후 수정
단백질은 번역 후 인산화, 당화, 유비퀴틴화 등의 변형을 겪을 수 있습니다. 이러한 변형은 단백질 안정성, 활성 및 국소화에 영향을 미칩니다.
세포 특이적 유전자 발현
세포 유형에 따라 서로 다른 유전자 세트가 발현되어 세포 전문화가 이루어집니다. 이는 전사 인자와 후생적 조절의 조합에 의해 제어됩니다.
환경에 미치는 영향
환경 단서 및 신호와 같은 외부 요인이 유전자 발현에 영향을 미칠 수 있습니다. 세포는 유전자 발현 패턴을 변경하여 환경 변화에 반응할 수 있습니다.
조절 장애 및 질병
비정상적인 유전자 발현은 암 등의 질병으로 이어질 수 있습니다. 유전자 발현을 이해하고 조작하는 것은 치료적 개입을 개발하는 데 중요합니다.
요약하면, 유전자 발현은 세포 기능, 발달 및 환경에 대한 반응에서 중심 역할을 하는 고도로 규제되고 역동적인 과정입니다. 여기에는 전사, RNA 처리, 번역 및 다양한 수준의 규제를 포함한 여러 단계가 포함됩니다.