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Chapter 18

Ribosomal RNA, Transfer RNA, and Organellar RNA

Synthesis

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18.1 Eukaryotic ribosome

Figure 18.1

진핵세포의 ribosome은 분자량이 4X106Da이고 침강 계수 80S이며 하나의 small unit과

large unit로 구성됨 (그림 18.1 참조)

small subunit는 18s rRNA와 33개의

polypeptide로 구성됨

large subunit는 28S rRNA (포유류에 해당.

효모에서는 25S rRNA)와 5S rRNA, 5.8S

rRNA 그리고 50개의 polypeptide로 구성됨.

5.8S, 18S, 25S/28S rRNA는 RNA

polymerase I에 의하여 합성되고

5S rRNA는 RNA polymerase III에 의하여

합성된다.

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18.2 RNA polymerase I

Eukaryotes have many copies of these rRNA transcription units

18S, 5.8S, and 28S rRNAs are transcribed as a pre-rRNA

실험 결과 각 rRNA는 precursor 45S RNA로 만들어 진 후 mature rRNA로 processing됨

1. ribosomal RNA는 18S rRNA-5.8S-28S rRNA 순서로 coding sequence가 됨.

2. 18S와 5.8S는 internal transcribed spacer (ITS-1), 5.8S와 28S는 ITS-2로 분리된다.

3. 5’-external transcribed sequence (5’-ETS)와 3’-external transcribed sequence (3-ETS)

가 양끝 부위에 존재 한다.

4. 양 말단에 위치한 ETS는

processing 과정에서 없어짐

5. rRNA 서열은 highly conserved

되어 있고 ETS는 잘 보존되지 않음

6. pre-rRNA의 크기는 종별로 다양

하지만 이는 rRNA의 서열의 차이

보다는 spacer의 차이 때문에 생김.

사람에는 200개의 rRNA transcription unit이 23개의 염색체중 5개의 염색체에 small

cluster 되어 있다. frog oocyte에는 500,000개의 transcription unit이 있고 이는 일반 체세포

보다 1000배 많은 것으로 분열 시 새로운 ribosome 합성에 필요한 rRNA를 공급한다.

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Intergenic spacers of the rRNA cluster contain promoters and enhancers

Figure 18.3

rRNA transcription unit는 head-to-head로 모여있다.

각 transcription unit는 intergenic spacer (IGS)에 의하여 분리 되어있다.

각 rRNA transcription unit는 upstream 쪽의 IGS에 자신의 promoter를 갖고 있고

downstream쪽의 IGS에 자신의 transcription terminator가 있다.

그림; IGS는 노란색의 terminator (term)을 갖고 있고 orange 색의 enhancer, dark green의

spacer promotor (SP), light green의 proximal terminator (PT), light blue의 upstream

promoter element (UPE), brown의 promoter core, pink의 rRNA initiator (rlnr)를 볼 수 있다.

그림 18.4; 교재 참조. 왕성한 전사가 일어나 P (promoter)와 T (terminator) 사이에서

X-mas tree 모양을 나타냄.

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Elements of the rRNA gene cluster intergenic spacer (IGS) regions

• the rRNA initiator (rInr) is an AT rich sequence surrounding +1 that permits transition from closed to open promoter

• the upstream promoter element enhances transcription initiation

• the proximal terminator (PT) terminates transcription from upstream transcription units to prevent read-through

• enhancers (고등 생물에서는 몇 번 반복을 하나 yeast에는 없다)

• spacer promoter (ST) stimulates synthesis of short transcripts of unknown function (이 전사체는 PT에서 끝나며 기능을 모른다)

rRNA transcription unit의 promoter는 두 개의 element로 되어있는데 전사를

위하여 필수적인 core promoter와 필수적이 아닌 upstream promoter element

(UPE)이다. human core promoter는 전사 개시 부위 (+1)이전 50bp에서 시작

하며 rRNA initiator (rlnr)이라는 AT rich 서열을 포함하고 있으며 -10에서 +10까지

위치한다.

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rRNA transcription and processing takes place in the nucleolus active rRNA transcription unit과 RNA polymerase I transcription machinery는 nucleolus

내에 위치함. 인은 membrane으로 둘러 싸여있지 않아 세포 소 기관으로 간주 안 하기도

한다. 그러나 그림처럼 세 개의 구역이 관찰이 된다. (그림 참조)

1. fibrillar center (FC); RNA polymerase I과 다양한 transcription factor가 존재.

2. dense fibrillar component (DFC); FC를 둘러싸고 있는 dense한 지역.

3. granular compartment (GC); 인의 나머지 부분을 차지함.

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RNA polymerase I associated factors

• PAF53

– required for promoter-specific but not random transcription by RNA

polymerase I

• PAF51 and PAF49

– much less is known about their functions except they must be added

back to core enzyme for in vitro transcription to take place

• TIF1A (transcription initiation factor IA)

– tightly associated with core enzyme

– key factor in growth-dependent regulation of pre-rRNA transcription

– regulated by phosphorylation

RNA polymerase I is a multisubunit enzyme with a structure similar to

that of RNA polymerase II

RNA polymerase I은 쥐에서 11 subunit, 효모에서는 15개의 subunit로 구성되어있다.

그림 18.6 (교재참조)에서 보듯이 효모의 RNA polymerase I의 구조는 RNA polymerase II

의 구조와 유사하다. homologous한 subunit가 존재 한다.

RNA polymerase I associated factors는 분리 기간 중에 잃어버리나 전사를 위해서는

core enzyme에 다시 첨가 되어야 한다.

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RNA polymerase I transcription factors RNA polymerase I은 rRNA를 만들기 위하여 두 개의 부가적인 transcription factor를

필요로 한다.

1) upstream binding factor (UBF); 두개의 동일한 97 kDa의 polypeptide를 포함한다.

N-terminal의 dimerization

domain에 의하여 연결. 하나는

core promoter에 연결되고 다른

하나는 UPE에 연결되어 rRNA

전사를 위하여 필요함.

UBF는 DNA와 interact 하여서 약 280bp의 DNA가 두 번

turn을 하는 nucleoprotein complex를 만든다. 이 구조로

인하여 core element와 UBF가 인접해진다. UBF subunit의

c-terminal 지역은 serine이 많아 transcription activation에

필요 할 것으로 간주됨

2) selectivity factor 1 (SL1)/transcription initiation factor IB (TIFIB)/core factor (CF)

이들은 TBP와 최소한 세가지의 TBP-associated factor (TAF1S)를

포함한다. human의 SL1은 300kDa이며 TATA-binding protein

(TBF)과 분자량은 110, 63, 48kDa 인 세 개의 RNA polymerase

specific TBP-associated factors (TAF1S)를 갖는다.

TAF1이 직접 DNA에 결합을 하고 SL1은 RNA polymerase I을

불러드리는데 중요한 역할을 한다.

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The RNA polymerase I transcription cycle.

1) De novo pre-initiation complex (PIC) assembly; SL1/TIFIB가 core promoter에 결합

하고 UBF가 core promoter와 UPE에 결합하게 하며 이를 안정화 시킨다.

2) RNA polymerase I recruiment; SL1이 RNA polymerase를 부르고 TIFIA가 결합하여

pre-initiation complex가 완성이 된다.

3) Initiation promoter escape & clearance; RNA polymerase가 promoter 부위를 open

하고 전사를 시작하여 promoter를 벗어남.

4) Elongation; transcription bubble이

12-23 bp가 되며 신장이 일어난다.

그림에서는 bubble을 표시하지 않음.

elongation factor인 SII가 필요함.

5) Termination; transcription

terminator factor(TTF-I)와 RNA

polymerase I transcription release

factor (PTRF)가 결합한 3’ 말단의

특정 서열에서 종결이 일어나 RNA

polymerase I과 pre-rRNA가 방출됨.

6) RNA polymerase I recycling;

SL1/TIFIB 그리고 UBF는 그대로 남아

있어서 새로운 transcription cycle를

시작하게 한다.

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Pol I transcription termination requires PTRF and TTF-1

transcription termination에는 transcription terminator factor(TTF-I)와 RNA polymerase I

transcription release factor (PTRF)의 도움이 필요하다. 또한 terminator에는 그림에서

보듯이 두 개의 element가 존재한다.

1)upstream T-rich element; 전사체 말단의10-12 nucleotide를 암호화하며 terminator

protein이 결합한다.

2) Sal box (downstream terminator protein binding element); GTCGAC서열이

있어 SalI제한 효소에 의하여 절단이 되는 부위임. 이곳에 TTF-I이 결합하여

transcription elongation complex가 멈추게 함.

또한 PTRF가 RNA polymerase I과 TTF-1과 작용하여 전사체와 RNA polymerase를

방출.

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snoRNAs serve as guides to

target sites within rRNA for

modification

Pre-rRNA undergoes a complex series of cleavages and modifications as it is

converted to mature ribosomal rRNAs.

pre-rRNA가 rRNA가 되어서 ribosome를 이루기 위해서는 pre-rRNA가 잘라지기 전에

특정 부위에 2’-O-methylated ribose와 pseudouridine 을 갖아야한다. 사람은 5.8S, 18S,

28S rRNA 에 총 110개의 2’-O-methylated ribose와 110개의 pseudouridine을 갖고 있다.

small nucleolar RNA (snoRNA)는 small ribonucleo protein (snoRNP)을 이루며

rRNA내의 특정 부위를 modification하는데 중요한 역할을 한다.

1. Methylation snoRNA; C (RUGAUGA),C’ box와 D (CUGA), D’ box가 있고 이들이

terminal helix를 만들고 rRNA와 완전히 맞는 부위가 10-21 nuceotide가 존재하여

이중 가닥을 만든 후 그 내부의 염기를 methylation을 야기시킨다.

2. Pseudouridine snoRNA; ACA box와 H box (ANNANNA)가 있고snoRNA•rRNA

duplex에서 pseudouridine을 만듬.

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Pre-rRNA processing requires endo- and exonucleases

modified pre-rRNA를 특정 부위를 endonuclease가 자르고 이는 다시 exonuclease 혹은

다른 endonuclease에 의하여 다듬어 져서 marure rRNA가 된다.

그림은 효모의 35S pre-rRNA가 processing되는 것을 보여준다.

cleavage site를 A0, A1등으로 표시함.

잘라져서 20S와 27S로 된다

20S는 processing 되어 18S가 되고

27S는 두가지 alternative 방법을 이용하여

5.8S와 25S로 된다.

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18.3 Ribozymes and ribosomal RNA

Tetrahymena 26S rRNA

contains a self-excising

intron

Tetrahymena pre-rRNA contains an intron that catalyzes its own escision

Tetrahymena는 17S, 5.8S, 26S rRNA가 있으며 26S rRNA 안에는 400 nucleotide의

Intron이 존재함.

실험 결과 self-splicing이 일어나는 것을

발견하였으며 그 기작은 그림과 같다. 초록색은

intron, 회색과 검은색은 exon을 나타냄.

1)Intron에 결합된 gusnosine이나 GTP가 5’

splice site를 자르고 intron의 5’ 말단과 연결됨.

2)Intron의 3’-end의 G가 G-binding site의

original G를 대치하는 형태적인 변화가 생김.

3)아직 intron과 결합을 하고 있는 잘라진 5’-

exon이 3’-splice site를 공격하여 exon끼리

결합하고 intron이 떨어져 나온다.

이 처럼 효소처럼 촉매 작용을 하는 RNA를

ribozyme이라고 한다. 1) 단계 반응시 기작

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Hammerhead ribozyme is

also an RNA catalyst

Secondary structure of the Tetrahymena group I intron

Tetrahymena의 pre-rRNA내에 존재하는 intron은 group I intron에

속하며 이들은 수백 염기에서 3000 염기까지의 크기를 갖는다.

서열도 비슷하며 그림처럼 P1 – P10 까지의 10개의 paired

segment를 갖는다.

(a)P; paired region, J; joining region, catalytic site는 회색으로

표시함. P3-P9은 guanosine과 다른 active site residue와 결합함.

(b) tetrahymena intron의 구조; color는 (a)와 동일함.

(a)

(b)

많은 다른 RNA catalyst는 group intron I

보다 단순한 구조를 갖고 있다.

그림처럼 hammer 모양을 이루어

Hammerhead ribozyme이라고 하며

자체내의 특정 phosphodiester bond

결합을 자른다.

화살표는 cleavage site를 나타냄