5’UTR 에 의한 식물의 번역 기작 조절에 관한 연구

번역은 유전자발현 과정 중 가장 복잡한 과정 중 하나로, rRNA 와 단백질 소단위들로 구성된 리보솜, 다양한 진핵 세포 번역시작인자(eIF), tRNA 그리고 mRNA 가 관여한다. 이렇듯 많은 구성인자를 가지고 있는 번역 과정은, 그만큼 많은 전사 후 조절 가능성을 내포하고 있다. 번역의 대상인 mRNA 가 가지고 있는 조절 가능 인자들은 코돈 사용빈도를 제외하고는 대부분 폴리펩티드 정보를 갖지 않는 5’-, 3’- UTR(비해석부위) 구역에 위치한다. 이 중 5’-UTR 의 염기서열은 번역 시작 과정에 영향을 미치며, 번역 시작 코돈인 AUG 앞쪽에 위치하는 Kozak 염기 서열 (CC(A/G)CCAUGG)은 척추동물의 효율적인 번역 시작 과정에 필수적인 것으로 알려져 있다. 하지만 이 같은 Kozak 염기 서열은 식물에서는 보존되어 있지 않으며, 식물 특이적인 번역 시작 염기 서열에 대한 활발한 연구들이 진행 중 이다. 본 연구에서는 애기장대의 서로 다른 5’-UTR 염기서열들을 녹색 형광 단백질(GFP) 앞에 합성하여 5’-UTR 이 번역 과정에 미치는 직접적인 영향을 관찰하였다. 먼저 식물 세포에서 가장 많이 발현되는 단백질인 RbcS1A 의 5’-UTR 을 서로 다른 길이로 GFP 와 합성하고, 애기장대 원형질 세포에서 발현시켜, 이후 실험에서 사용할 최소한의 5’-UTR 길이를 도출하였다. 그 결과 전체 RbcS1A 5’-UTR 염기서열 중 마지막 21개만으로도 충분한 번역 조절 효과를 보였으며, 25개의 서로 다른 애기장대 5’-UTR 의 마지막 21개의 염기서열을 GFP 와 합성하여 비교한 결과 최대 200배 까지 상대적인 번역 효율의 차이를 보였다. 이때 식물 세포 원형질 안에서 전사된 mRNA 의 양은 큰 차이가 없었으며, 또한 실험에 사용한 25개의 5’-UTR 의 mRNA 이차 구조를 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 계산한 결과, 번역 과정에 영향을 미칠 수 있는 열역학적 차이를 볼 수 없었다. 따라서 21개의 염기서열로 이루어진 다양한 5’-UTR 은 전사과정이 아닌, 번역과정 동안 염기 서열의 정보에 의하여 큰 영향을 미치고 있음을 증명하였다. 다음으로 실험에 사용한 5’-UTR 의 21개 염기 서열이 위치에 따라 번역 효율에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여, RbcS1A 5’-UTR 보다 높은 번역 효율을 보였던 AT1G35720 5’-UTR 을 5’ 부터 3’ 까지 순차적으로 세 개씩을 A,C,G,T 네 가지 염기로 치환하여 번역 효율에 대한 영향을 관찰하였다. 그 결과 A 염기 치환은 전반적으로 번역 효율을 높여 주었으며, 반대로 G 염기 치환은 전반적으로 번역 효율의 저하를 가져왔다. C 염기 치환의 경우 위치에 따라 번역효율을 증가시키거나 저하시킬 수 있었으며, T 염기 치환도 위치에 따라 다른 영향을 보였나, 특히 AUG 바로 앞쪽인 -5 에서 -1 에 치환 되었을 때 극심한 번역 효율 저하를 보였다. 이 결과를 토대로 매우 낮은 번역 효율을 보였던 AT5G40850 5’-UTR 을 A 염기로 치환하여 번역 효율이 높아 질 수 있는지에 대하여 실험하였고, -5 에서 -1 부분이 A 염기 세 개로 치환될 경우에만 번역효율이 급격하게 증가되는 것을 관찰하였다. 이를 통해 AUG 시작 코돈의 바로 앞부분 (-5 에서 -1)이 번역 조절 과정에 특히 중요하며, 식물은 특히 A 염기를 선호하는 것을 알 수 있다. 이 같은 결론이 다른 식물 종에도 적용할 수 있는지 알아보기 위하여, AT1G58420 와 AT5G40850 의 5’-UTR:GFP 를 다른 실험 시스템에서 발현시켜 보았다. 그 결과, 애기장대 원형질 세포에서 관찰 하였던, 5’-UTR 에 따른 상대적인 번역 효율은 담배 잎 세포와 in vitro 번역시스템에서도 동일한 결과를 보였다. 또한 GFP 가 아닌 TRP1 과 NPTII 를 발현시켰을 때에도 5’-UTR 에 따라 뚜렷한 번역 효율 차이를 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 주장하는 21개의 5’-UTR 에 의한 번역효율 차이는 식물 종 간에 보존되어 있으며, 번역 대상 단백질과 무관하게 일어나는 조절임을 알 수 있다. 본 연구는 식물의 5’-UTR 가장 마지막에 위치한 염기서열이 번역 과정에 미치는 영향에 대한 것으로, AUG 시작 코돈 바로 앞쪽(-5 에서 -1) A 염기가 높은 번역 효율을 위하여 중요한 역할을 하며, 나머지 부분(-21 에서 -6)의 염기 또한 번역 효율에 영향을 미칠 수 있음을 밝혀내었다. 향후 이러한 조절 과정에 어떠한 세포 내 인자들이 관련되어 있으며, 외부 환경요인에 따라 이 같은 조절과정이 어떠한 상호작용을 통해 일어나는지 알아 낸다면, 세포 내 번역 조절 과정에 대해 좀더 깊이 있는 이해가 가능 할 것이다.