5′ 캡

분자생물학에서 5′ 캡(five-prime cap)은 전구체 전령 RNA와 같은 일부 일차 전사체의 5′ 말단에 있는 특별히 변경된 뉴클레오타이드이다. mRNA 캐핑으로 알려진 이 과정은 안정적인 성숙 전령 RNA를 생성하는 데 고도로 조절되고 필수적이며, 단백질 합성 동안 번역을 거칠 수 있다. 미토콘드리아 mRNA 및 엽록체 mRNA는 캡이 없다.

 구조 
섬네일|5′ 캡 구조 (캡-2).
섬네일|2′, 3′, 5′ 탄소의 위치를 보여주는 리보스 구조.

진핵생물에서 mRNA 분자의 5′ 말단에 있는 5′ 캡(캡-0)은 특이한 5′에서 5′ 삼인산 결합을 통해 mRNA에 연결된 구아닌 뉴클레오타이드로 구성된다. 이 구아노신은 생체 내에서 캡핑 직후 메틸기전이효소에 의해 7번 위치에서 메틸화된다. 이것은 m7G로 약칭되는 7-메틸구아노신 캡으로 불린다. 캡-0는 기본 캡 구조이지만, 첫 번째와 두 번째 전사된 뉴클레오타이드도 2' O-메틸화될 수 있으며, 이는 각각 캡-1 및 캡-2 구조로 이어진다. 이는 고등 진핵생물에서 더 흔하며 다른 유기체로부터의 mRNA를 인식하는 선천성 면역 체계의 일부로 생각된다.

다세포 진핵생물 및 일부 바이러스에서, mRNA 5′ 말단의 첫 두 리보스 당의 2′ 하이드록실기의 메틸화를 포함한 추가적인 변형이 일어날 수 있다. 캡-1은 첫 번째 리보스 당에 메틸화된 2′-하이드록실기를 가지고 있으며, 캡-2는 첫 두 리보스 당에 메틸화된 2′-하이드록실기를 가지고 있으며, 이는 오른쪽에 표시되어 있다. 5′ 캡은 RNA 분자의 3′ 말단과 화학적으로 유사하다(캡 리보스의 5′ 탄소는 결합되어 있고 3′은 비결합 상태이다). 이는 5′ 핵산 외부 가수분해 효소에 대한 상당한 저항성을 제공한다.

소핵 RNA는 독특한 5′-캡을 포함한다. Sm-클래스 snRNA는 5′-트리메틸구아노신 캡을 가지고 있으며, Lsm-클래스 snRNA는 5′-모노메틸포스페이트 캡을 가지고 있다.

세균과 잠재적으로 고등 유기체에서도 일부 RNA는 NAD+, NADH 또는 3′-탈인산화 조효소 A로 캡핑된다.

모든 유기체에서 mRNA 분자는 전령 RNA 탈캡화라는 과정에서 탈캡화될 수 있다. 이는 일반적으로 mRNA의 분해로 이어진다.

 캐핑 과정 
7-메틸구아닐레이트로 캐핑하는 시작점은 삼인산 그룹으로 끝나는 RNA 분자의 변경되지 않은 5′ 말단이다. 이것은 최종 뉴클레오타이드 다음에 5′ 탄소에 부착된 세 개의 인산 그룹을 특징으로 한다. 캐핑 과정은 새로운 전구체 mRNA가 합성되는 동안 전사가 완료되기 전에 시작된다.

 말단 인산 그룹 중 하나가 RNA 삼인산화효소에 의해 제거되어 이인산 그룹을 남긴다(즉, 5′(ppN)[pN]n).
 GTP가 mRNA 구아닐릴전이효소에 의해 말단 이인산 그룹에 첨가되어 이 과정에서 GTP 기질로부터 피로인산염을 잃는다. 이로 인해 5′–5′ 삼인산 결합이 형성되어 5′(Gp)(ppN)[pN]n이 생성된다.
 구아닌의 7번 질소가 mRNA (구아닌-N7-)-메틸기전이효소에 의해 메틸화되며, S-아데노실메티오닌이 탈메틸화되어 S-아데노실-L-호모시스테인을 생성하여 5′(m7Gp)(ppN)[pN]n (캡-0)이 된다.
 캡 인접 변형이 일어날 수 있으며, 일반적으로 첫 번째 및 두 번째 뉴클레오타이드에 대해 최대 5′(m7Gp)(ppN*)(pN*)[pN]n (캡-1 및 캡-2)이 생성된다.
 가장 가까운 캡 인접 뉴클레오타이드가 2′-O-리보스 메틸-아데노신인 경우(즉, 5′(m7Gp)(ppAm)[pN]n), N6 메틸 위치에서 추가로 메틸화되어 N6-메틸아데노신을 형성하여 5′(m7Gp)(ppm6Am)[pN]n이 된다.

NAD+, NADH 또는 3′-탈인산화 조효소 A로 캐핑하는 메커니즘은 다르다. NAD+, NADH 또는 3′-탈인산화 조효소 A로 캐핑하는 것은 "ab initio 캐핑 메커니즘"을 통해 이루어지는데, 여기서 NAD+, NADH 또는 3′-탈인산화 조효소 A는 RNA 중합효소에 의한 전사 개시를 위한 "비정규 개시 뉴클레오타이드"(NCIN) 역할을 하여 RNA 산물에 직접 통합된다. 세균 RNA 중합효소와 진핵 RNA 중합효소 II 모두 이 "ab initio 캐핑 메커니즘"을 수행할 수 있다.

 표적화 
7-메틸구아닐레이트로 캐핑하기 위해 캡핑 효소 복합체(CEC)는 전사가 시작되기 전에 RNA 중합효소 II에 결합한다. 새로운 전사체의 5′ 말단이 RNA 중합효소 II에서 나오자마자 CEC는 캐핑 과정을 수행한다(이러한 종류의 메커니즘은 폴리아데닐화와 마찬가지로 캐핑을 보장한다). 캐핑 효소는 RNA 중합효소 II에만 결합할 수 있어, 거의 전령 RNA인 이들 전사체에 대한 특이성을 보장한다.

NAD+, NADH 또는 3′-탈인산화 조효소 A로 캐핑하는 것은 촉진유전자 서열에 의해 표적화된다. NAD+, NADH 또는 3′-탈인산화 조효소 A로 캐핑하는 것은 전사 시작 부위와 바로 상류에 특정 서열을 가진 촉진유전자에서만 발생하며, 따라서 특정 촉진유전자에서 합성된 RNA에 대해서만 발생한다.

 기능 
5′ 캡은 네 가지 주요 기능을 가지고 있다.
 핵 수출 조절;
 핵산 외부 가수분해 효소에 의한 분해 방지;
 번역 촉진(리보솜 및 번역 참조);
 5′ 근위 인트론 절단 촉진.

RNA의 핵 수출은 7-메틸구아닐레이트 캡핑된 RNA에만 결합하는 캡 결합 복합체(CBC)에 의해 조절된다. CBC는 핵공 복합체에 의해 인식되어 수출된다. 초기 번역이 완료된 후 세포액에 들어간 후, CBC는 eIF4F 복합체의 번역 인자 eIF4E와 eIF4G로 대체된다. 이 복합체는 리보솜을 포함한 다른 번역 개시 기구에 의해 인식된다.

7-메틸구아닐레이트 캡핑은 두 가지 방식으로 5′ 분해를 방지한다. 첫째, 5′ 핵산 외부 가수분해 효소에 의한 mRNA 분해는 기능적으로 3′ 말단처럼 보이게 함으로써 방지된다(위에서 언급했듯이). 둘째, CBC와 eIF4E/eIF4G는 탈캡화 효소가 캡에 접근하는 것을 차단한다. 이는 mRNA의 반감기를 증가시키는데, 이는 진핵생물에서 수출 및 번역 과정이 상당한 시간을 요하기 때문에 필수적이다.

7-메틸구아닐레이트 캡핑된 mRNA의 탈캡화는 최소한 Dcp1과 Dcp2로 구성된 탈캡화 복합체에 의해 촉매되며, 이는 캡에 결합하기 위해 eIF4E와 경쟁해야 한다. 따라서 7-메틸구아닐레이트 캡은 활발하게 번역되는 mRNA의 표식이며, 세포는 새로운 자극에 반응하여 mRNA 반감기를 조절하는 데 사용한다. 원치 않는 mRNA는 임시 저장 또는 탈캡화를 위해 P-body로 보내지며, 이에 대한 자세한 내용은 아직 밝혀지고 있다.

5′ 근위 인트론 절단 촉진 메커니즘은 잘 이해되지 않았지만, 7-메틸구아닐레이트 캡은 접혀서 스플라이소좀과 상호작용하여 인트론 절단을 촉진하는 것으로 보인다.

 같이 보기 
 m7G(5')pppN 다이포스파타제
 전령 RNA 탈캡화
 EIF4F
 캡 분석 유전자 발현

 각주 

 외부 링크 


분류:전령 RNA