(1) DNA polymerase I

• 기능: DNA-directed(dependent) DNA polymerase; dNTP + (dNMP)_n → (dNMP)_n+1 + PP_i

(2) 구성

① Polymerase : 5‘→3'로 DNA 합성

② 3' to 5' Exonuclease: 3‘→5’로 DNA degradation (Proofreading)

③ 5' to 3' Exonuclease: 5‘→3'로 DNA degradation (Primer 제거)

(1) 개시

① 8개의 DnaA가 OriC의 R / I site에 결합해 DNA의 꼬임을 풀어줌

② DnaB(Helicase) 결합

③ PolymeraseⅢ가 들어오며 DnaG가 프라이머 생성

④ SSB와 Gyrase가 벌어진 구조를 안정화

⑤ DnaA가 떨어져 나감

⑥ Dam methylase의 Adenine N6 메틸화

(2) 신장(elongation)

• 선도가닥: continuous elongation

• 지연가닥: discontinuous elongation

(3) 종결

• 교정: DNA polymerase I의 3’→5’ exonuclease 통해 잘못 들어간 뉴클레오타이드 제거 후 교정

• 종결: DNA polymerase I이 5’→3’ exonuclease 통해 RNA 프라이머 제거, DNA ligase 통해 nick 채우며 종결

(1) 반보존적: 기존 이중가닥이 두 개의 단일가닥로 풀려 각각의 단일가닥이 주형이 되어 복제 진행

• 증명: Meselson-Stahl 실험

(2) 반연속적: 선도가닥과 지연가닥의 존재

(3) 양방향: 복제원점에서 양방향으로 DNA 복제 진행

(1) 정의: 선형의 DNA 특성상 DNA 복제가 일어나지 못하는 말단 부분

(2) 기능: 복제 시 필연적으로 잘리는 DNA 말단부에 위치해 유의미한 서열이 잘리지 않도록 보호

(3) 특징: 노화에 따라 감소, 일정 길이 이상 감소 시 세포 사멸

(4) 텔로머레이즈(telomerase): 역전사효소 (RNA-dependent DNA pol) 역할 → 텔로미어 연장

(1) 하나의 염색체에 여러 개의 복제원점을 가져 동시다발적 복제 진행 (원핵생물은 한 개)

(2) 원핵생물에 비해 속도가 느림

(3) 원핵생물은 세포질에서, 진핵생물은 핵에서 진행

(1) 과정: Thermal cycle

(2) 결과: 한 번의 cycle 마다 DNA량이 두 배로 늘어남

(3) RT-PCR = 역전사(reverse transcription) + PCR

• 역전사효소: RNA를 주형으로 하여 DNA 합성, 기존 RNA 제거, 합성된 DNA로 이중가닥 DNA 합성

① RNA-directed DNA polymerase

② RNA hydrolysis

③ DNA-directed DNA polymerase

(1) Nonsense mutation: 변이에 의해 종결코돈(UAA, UAG, UGA) 발생, 단백질 합성 X

(2) Missense mutation: 변이에 의해 잘못된 아미노산 합성

(3) Silent mutation: 변이 일어났으나 코돈에 해당하는 아미노산은 바꾸지 않아 단백질의 변화 X

(1) Base substitution

① Transition: purine ↔ purine, pyrimidine ↔ pyrimidine

② Transversion: purine ↔ pyrimidine

(2) Frameshift mutation: Insertion, Deletion

(1) Deamination of C

(2) Depurination

(3) Radiation: UV light, Ionizing radiation

(4) Reactive chemical: Deaminating agent, Alkylating agent

(5) Oxidative damage

(1) Base Excision Repair

(2) Mismatch Excision Repair

(3) Nucleotide Excision Repair

(4) Direct Repair

(5) Recombinational Repair: Non-homologous end-joining, Homologous recombination

(1) 5’→3’ 방향으로 주형 DNA에 상보적안 RNA 합성

(2) DNA 중합효소와 달리 프라이머 필요 X

(1) RNA 중합효소: Rifampicin에 의해 억제

(2) 과정

• 개시

① 프로모터의 –35/-10 region에 σ factor 결합, 이후 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하며 closed complex 형성

② 전사 버블(transcription bubble) 형성

• 신장(elongation)

③ 전사가 진행되며 RNA 중합효소가 프로모터 지역에서 벗어남

④ σ factor가 떨어지고 신장 인자(NusA) 부착

• 종결

⑤ 종결 서열에 도달하면 신장 인자(NusA)와 RNA 중합효소가 떨어지며 종결

(1) RNA 중합효소

(2) Eukaryotic Class II promoter: RNA pol II가 작용하는 프로모터

• TATA box(TATAAA), 개시서열(Inr) 통해 전사 시작 자리 결정

• TATA box와 개시서열이 없는 다른 프로모터

① 전사 부위의 5‘쪽에 CpG island를 형성해 전사 시작 자리 결정

② 전사 시작 자리를 따로 결정하지 않고 여러 장소에서 전사 시작

(3) 일반 전사 인자(general transcription factors): σ factor로 충분한 원핵생물과 달리 다양한 전사 인자 필요

(4) 전사 과정

• Assembly: 전사인자들과 RNA pol II가 주형 DNA에 결합하는 과정

① TFⅡA가 TFⅡD, TFⅡB와 결합

② RNA polⅡ가 TFⅡF와 결합

③ TFⅡE, TFⅡH도 결합 후 TBP 주위로 결합해 Preinitiation complex 형성

• 개시

④ 개시 서열 (Inr) 부위에서 TFⅡH의 helicase 작용에 의해 DNA unwinding

⑤ TFⅡH의 kinase activity에 의해 RNA Pol Ⅱ의 CTD(C-terminal domain)가 인산화되며 전사 개시

• 신장

⑥ 전사 진행되며 CTD가 프로모터에서 벗어나면 TFⅡF를 제외 TF들 떨어지고 신장 인자가 붙어 신장 진행

• 종결

⑦ 전사 종결 서열에 도달하면 RNA Pol Ⅱ의 CTD가 탈인산화되며 중합효소의 활성도 약화

⑧ 신장 인자가 모두 떨어지며 종결 인자의 도움으로 전사 종결, primary trancsript 형성

(5) RNA pol II의 작동조건

① Transcriptional activators

② Architectural regulator: DNA 고리 형성

③ Chromatin modification/remodeling protein

④ Coactivators

⑤ General transcription factors

(6) mRNA 가공: primary transcript → mature mRNA

① 5' Capping: pre-mRNA의 5‘ end에 5’-5‘방향으로 7-methylguanosine 부착

② Splicing: 인트론 제거 후 엑손끼리 연결

• 인트론: DNA에는 있으나 mature mRNA에는 존재하지 않는 부위, GU로 시작해 AG로 끝나는 보존 서열 가짐

• 엑손: mature mRNA에 남은 부위

• Alternative splicing: 세포마다 다르게 splicing이 일어나 유전적 다양성 제공

③ 3’ poly A tail (Polyadenylation)

(1) snRNA: RNA splicing; snRNA → snRNP → Spliceosome

• Splicing 과정: 두 번의 trans-esterification reaction

(2) miRNA: target mRNA에 결합해 분해 혹은 target mRNA의 번역 억제

• 생성 및 작용

① 핵 안에서 miRNA gene → Pri-miRNA (RNA pol II)

② Pri-miRNA(dsRNA) → Pre-miRNA(hairpin 구조) (Drosha, DGCR8)

③ Pre-miRNA 형태로 핵막 통과 (Exportin 5)

④ Pre-miRNA → mature miRNA (Dicer, TRBP)

⑤ mature miRNA 두 가닥 중 한 가닥이 Argonuate protein과 결합해 RISC(RNA-induced silencing complex) 형성

⑥ RISC가 target mRNA의 3‘UTR에 결합해 유전자 발현 조절

(1) 정의: RNA를 주형으로 DNA를 합성하는 과정

(2) 역전사효소: 역전사 담당 효소, 레트로바이러스에 존재

(3) 레트로바이러스: RSV, HIV

• 숙주 세포에 viral RNA와 역전사효소를 침투시켜 숙주세포에서 역전사를 통해 viral DNA 생산

• viral DNA를 숙주 세포의 핵에 침투시켜 숙주세포가 바이러스 단백질을 생산하고 새로운 레트로바이러스를 생산하도록 유도

(1) DNA: 뉴클레오타이드 서열

(2) RNA: 코돈

(3) 단백질: 아미노산 서열

(1) 시작코돈: AUG (Met)

(2) 종결코돈: UAG, UGA, UAA

(3) Wobble 가설: 코돈의 세 번째 염기와 안티코돈의 첫 번째 염기는 규칙에 벗어난 특정 결합을 형성할 수 있다.

• non-standard base pair: G-U, I-U,C, A

• 그 결과 20개의 aminoacyl tRNA가 한 개 이상의 코돈과 결합 가능(코돈: 64개, 아미노산: 20개)

(1) 기능: 단백질 합성 시 RNA의 코돈에 대응되는 아미노산 전달

(2) 기전

① Aminoacyl-tRNA synthetase의 작용으로 tRNA에 아미노산 부착

② mRNA의 코돈에 상보적인 안티코돈을 통해 코돈 인식해 부착

(1) 과정

• 개시: 40S, 60S ribosomal subunit이 mRNA에 부착되는 과정

① 40S ribosomal subunit에 initiator tRNA, GTP-eIF2 결합, 이후 eIF3, 1, 1A, 5가 붙어 43S pre-initiation complex 형성

② mRNA의 5’ cap에 eIF4E, 4G, 4A, 4B의 도움을 통해 pre-initiation complex가 mRNA에 결합

③ mRNA scanning을 통해 개시코돈 찾아 complex와 결합하면 eIF2에 붙어 있던 GTP가 가수분해되며 pre-initiation complex 분해

(개시코돈 찾는 데 도움 주는 서열: 진핵 Kozak sequence / 원핵 Shine-Dalgarno sequence)

④ 60S subunit가 eIF6을 통해 잔여 complex와 결합해서 80S Ribosomal Complex (translation initiation complex) 형성

• 신장

① 코돈 인식: eEF1이 가져온 GTP를 사용해 mRNA의 코돈과 상보적 안티코돈을 가진 aminoacyl-tRNA가 리보솜의 A 자리에 부착

② 펩타이드 결합 형성: rRNA가 P 자리의 polypeptide chain을 끊고, A 자리로 들어온 아미노산에 연결

③ 이동: eEF2가 가져온 GTP를 사용해 리보솜이 1 코돈만큼 이동

④ E 자리로 옮겨진 tRNA는 리보솜을 빠져나감

• 종결

① 전사 진행 중 종결코돈이 나오면 tRNA대신 eRF1이 결합

② eRF1이 eRF3에서 받은 에너지를 통해 polypeptide release

③ ribosome subunit, eRF factor dissasembly되며 번역 종결

(2) Polyribosome: 한 개의 mRNA에 여러 곳에서 동시다발적으로 번역 진행

(1) Post-translational transport: 세포질의 자유 리보솜에서 번역되는 단백질의 이동 방법, 주로 세포 내 단백질에 해당

(2) Co-translational transport: 소포체에 붙어있는 리보솜에서 번역되는 단백질의 이동 방법, 주로 세포 외부로 나가는 단백질에 해당

(1) 신호서열: 단백질의 N 말단에 존재, 양전하를 띰, 소수성

(2) 과정

① Hsp70(Heat shock protein)과 결합해 접히지 않은 상태가 유지된 채 ATP 이용해 미토콘드리아 외막 통과 (TOM complex)

② 전압차를 이용해 ATP 소모 없이 미토콘드리아 내막 통과 (TIM complex)

(1) 신호서열: 단백질의 N 말단에 존재, 염기성을 띰, PKKKRKV로 정형화

(2) 과정

① Cargo의 NLS와 importin 결합 후 확산을 통해 NPC(Nuclear pole complex) 통과

② 핵 안의 GEFs에 의해 Importin-Cargo 분해, Importin-GTP complex 생성

③ 생성된 Complex는 NPC를 통해 확산되어 세포질로 나가고, GAP에 의해 분리

(1) 신호서열: 단백질의 N 말단에 존재, hydrophobic core

① 단백질 번역 중 리보솜에서 신호서열 번역 시 SRP(Signal-recognition particle) 부착

② 리보솜-SRP complex가 소포체로 이동, SRP가 SRP 수용체에 결합

③ SRP 수용체에 붙어있던 GTP가 분해되며 translocon이 리보솜과 결합하며 열림

④ 소포체 내강 안쪽으로 번역이 일어남