3' 비번역 부위

섬네일|400px|인간 mRNA의 약 700개 뉴클레오타이드의 중앙 길이를 가진 mRNA 구조

3' 비번역 부위(, 3' UTR)는 분자유전학에서  전령 RNA (mRNA)에서 번역 종결 코돈 바로 뒤에 오는 부분이다. 3'-UTR은 종종 전사 후 유전자 발현에 영향을 미치는 조절 부위를 포함한다.

유전자 발현 동안 mRNA 분자는 DNA 서열에서 전사된 후 나중에 번역되어 단백질이 된다. mRNA 분자의 여러 부위는 5' 캡, 5' 비번역 부위, 3' 비번역 부위 및 폴리(A) 꼬리를 포함하여 단백질로 번역되지 않는다. 3'-비번역 부위 내의 조절 부위는 폴리아데닐화, 번역 효율, 위치 및 mRNA 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 3'-UTR은 조절 단백질과 마이크로RNA (miRNA) 모두에 대한 결합 부위를 포함한다. miRNA는 3'-UTR 내의 특정 부위에 결합함으로써 번역을 억제하거나 전사체 분해를 직접적으로 유발하여 다양한 mRNA의 유전자 발현을 감소시킬 수 있다. 3'-UTR에는 또한 억제자 단백질에 결합하고 mRNA의 발현을 억제하는 침묵자 영역이 있다.

많은 3'-UTR에는 AU-풍부 요소 (ARE)도 포함되어 있다. 단백질은 ARE에 결합하여 국소적으로 전사체의 안정성 또는 분해 속도에 영향을 미치거나 번역 개시에 영향을 미친다. 또한, 3'-UTR에는 mRNA 전사체의 끝에 폴리(A) 꼬리라고 불리는 수백 개의 아데닌 잔기를 추가하도록 지시하는 AAUAAA 서열이 포함되어 있다. 폴리(A) 결합 단백질 (PABP)은 이 꼬리에 결합하여 mRNA 번역, 안정성 및 수출 조절에 기여한다. 예를 들어, 폴리(A) 꼬리에 결합된 PABP는 전사체의 5' 말단과 관련된 단백질과 상호작용하여 mRNA의 순환을 유발하여 번역을 촉진한다.

3'-UTR은 또한 단백질을 유인하여 mRNA를 세포골격과 연관시키거나, 세포핵으로 또는 세포핵에서 수송하거나, 다른 유형의 국소화를 수행하는 서열을 포함할 수 있다. 3'-UTR 내의 서열 외에도 길이 및 2차 구조를 포함한 이 영역의 물리적 특성은 번역 조절에 기여한다. 이러한 다양한 유전자 조절 메커니즘은 올바른 유전자가 적절한 시기에 올바른 세포에서 발현되도록 보장한다.

 물리적 특성 
mRNA의 3'-UTR은 이 영역의 물리적 특성에 의해 제어되는 매우 다양한 조절 기능을 가지고 있다. 그러한 특성 중 하나는 3'-UTR의 길이인데, 포유류 게놈에서 상당한 변이가 있다. mRNA 전사체의 이 영역은 60개의 뉴클레오타이드에서 약 4000개에 이른다. 평균적으로 사람의 3'-UTR 길이는 약 800개 뉴클레오타이드인 반면, 5'-UTR의 평균 길이는 약 200개 뉴클레오타이드에 불과하다. 3'-UTR의 길이는 길수록 유전자 발현 수준이 낮아지는 경향이 있어 중요하다. 이 현상에 대한 한 가지 가능한 설명은 더 긴 영역이 번역을 억제할 수 있는 더 많은 miRNA 결합 부위를 가질 확률이 높다는 것이다. 길이에 더하여, 뉴클레오타이드 조성도 5' 및 3'-UTR 사이에서 크게 다르다. 온혈 척추동물에서 5'-UTR의 평균 G+C 비율은 약 60%인 반면, 3'-UTR의 경우 약 45%에 불과하다. 이는 5' 및 3'-UTR의 G+C%와 해당 길이 사이에 역상관관계가 관찰되었기 때문에 중요하다. GC 함량이 낮은 UTR은 GC 함량이 높은 게놈 영역에 위치한 UTR보다 더 긴 경향이 있다.

3'-UTR 내의 서열은 또한 mRNA 전사체를 분해하거나 안정화하는 능력을 가지고 있다. 전사체의 안정성을 제어하는 변형은 번역 속도를 변경하지 않고 유전자 발현을 신속하게 제어할 수 있도록 한다. mRNA 전사체를 불안정화하는 데 도움이 될 수 있는 3'-UTR의 요소 그룹 중 하나는 AU-풍부 요소 (ARE)이다. 이러한 요소는 50개에서 150개 염기쌍의 크기를 가지며 일반적으로 펜타뉴클레오타이드 AUUUA의 여러 사본을 포함한다. 초기 연구는 ARE가 서열에서 다양할 수 있으며 모티프의 수와 배열이 다른 세 가지 주요 클래스로 분류될 수 있음을 나타냈다. 5' 및 3'-UTR 모두에 존재하는 또 다른 요소 집합은 철 반응 요소 (IRE)이다. IRE는 세포 철 대사에 관련된 단백질을 암호화하는 mRNA의 비번역 영역 내의 스템루프 구조이다. 이 요소를 포함하는 mRNA 전사체는 특정 단백질의 결합 및 세포 내 철 농도에 따라 분해되거나 안정화된다.

섬네일|RNA 분자의 스템루프 구조
3'-UTR은 또한 전사체 자체 또는 번역 산물에 추가를 지시하는 서열을 포함한다. 예를 들어, 3'-UTR 내에 두 가지 다른 폴리아데닐화 신호가 존재하여 폴리(A) 꼬리의 추가를 지시한다. 이 신호는 약 250개 염기쌍의 정의된 길이로 폴리(A) 꼬리의 합성을 시작한다. 사용되는 주요 신호는 3'-UTR의 끝 부분에 위치한 서열 AAUAAA를 가진 핵 폴리아데닐화 신호(PAS)이다. 그러나 초기 발달 동안 세포질 폴리아데닐화가 대신 발생하여 모계 mRNA의 번역 활성화를 조절할 수 있다. 이 과정을 제어하는 요소는 CPE라고 불리며 AU가 풍부하고 3'-UTR에도 위치한다. CPE는 일반적으로 UUUUUUAU 구조를 가지며 일반적으로 핵 PAS에서 100개 염기쌍 이내에 있다. 3'-UTR에 의해 지시되는 또 다른 특정 추가는 셀레노단백질을 암호화하는 mRNA의 UGA 코돈에서 셀레노시스테인의 통합이다. 일반적으로 UGA 코돈은 번역 정지를 암호화하지만, 이 경우 셀레노시스테인 삽입 서열 (SECIS)이라고 불리는 보존된 스템루프 구조는 대신 셀레노시스테인의 삽입을 유발한다.

 유전자 발현에서의 역할 
3' 비번역 부위는 mRNA의 국소화, 안정성, 수출 및 번역 효율에 영향을 미쳐 유전자 발현에 중요한 역할을 한다. 여기에는 마이크로RNA 반응 요소 (MRE), AU-풍부 요소 (ARE), 폴리(A) 꼬리 등 유전자 발현에 관여하는 다양한 서열이 포함된다. 또한, 3'-UTR의 구조적 특성뿐만 아니라 대체 폴리아데닐화의 사용도 유전자 발현에 중요한 역할을 한다.

섬네일|400px|왼쪽|유전자 조절에서 miRNA의 역할

 마이크로RNA 반응 요소 
3'-UTR은 종종 miRNA가 결합하는 서열인 마이크로RNA 반응 요소 (MRE)를 포함한다. miRNA는 mRNA 전사체에 결합하고 그 발현을 조절할 수 있는 짧고 비코딩 RNA 분자이다. 한 miRNA 메커니즘은 miRNA의 5' 시드 서열과 mRNA 3'-UTR 내의 MRE의 부분적인 염기쌍 결합을 포함한다. 이 결합은 번역 억제를 유발한다.

 AU-풍부 요소 
MRE를 포함하는 것 외에도 3'-UTR은 종종 AU-풍부 요소 (ARE)를 포함하는데, 이는 길이가 50개에서 150개 bp이고 일반적으로 AUUUA 서열의 많은 복사본을 포함한다. ARE 결합 단백질 (ARE-BP)은 조직 유형, 세포 유형, 시기, 세포 국소화 및 환경에 따라 AU-풍부 요소에 결합한다. 다양한 세포 내외 신호에 반응하여 ARE-BP는 mRNA 분해를 촉진하거나 mRNA 안정성에 영향을 미치거나 번역을 활성화할 수 있다. 이러한 유전자 조절 메커니즘은 세포 성장, 세포 분화 및 외부 자극에 대한 적응에 관여한다. 따라서 사이토카인, 성장 인자, 종양 억제자, 원종양유전자, 사이클린, 효소, 전사 인자, 수용체 및 막 단백질을 암호화하는 전사체에 작용한다.

 폴리(A) 꼬리 
섬네일|400px|mRNA 전사체의 순환은 5' 캡과 폴리(A) 꼬리와 상호작용하는 단백질에 의해 매개된다.
폴리(A) 꼬리에는 폴리(A) 결합 단백질 (PABP)에 대한 결합 부위가 포함되어 있다. 이 단백질들은 다른 인자들과 협력하여 mRNA의 수출, 안정성, 분해 및 번역에 영향을 미친다. 폴리(A) 꼬리에 결합된 PABP는 또한 mRNA의 5' 캡에 결합된 번역 개시 인자와 같은 단백질과 상호작용할 수 있다. 이 상호작용은 전사체의 순환을 유발하며, 이는 이후 번역 개시를 촉진한다. 또한, 리보솜의 재활용을 유발하여 효율적인 번역을 가능하게 한다. 폴리(A) 꼬리의 존재는 일반적으로 번역을 유발하는 데 도움이 되지만, 폴리(A) 꼬리가 없거나 제거되면 종종 엑소뉴클레아제 매개 mRNA 분해로 이어진다. 폴리아데닐화 자체는 전사체 3'-UTR 내의 서열에 의해 조절된다. 이러한 서열에는 폴리아데닐화 활성화 및 억제에 모두 기여하는 유라실이 풍부한 서열인 세포질 폴리아데닐화 요소 (CPE)가 포함된다. CPE 결합 단백질 (CPEB)은 다양한 단백질과 함께 CPE에 결합하여 다른 반응을 유도한다.

 구조적 특성 
3'-UTR을 구성하는 서열이 유전자 발현에 크게 기여하지만, 3'-UTR의 구조적 특성도 큰 역할을 한다. 일반적으로 더 긴 3'-UTR은 번역 억제에 관여하는 더 많은 miRNA 및 단백질 결합 부위를 포함하는 경향이 있으므로 더 낮은 발현율에 해당한다. 사람 전사체는 다른 포유류 3'-UTR보다 평균적으로 두 배 더 긴 3'-UTR을 가지고 있다. 이러한 경향은 인간 유전자 조절에 관련된 높은 수준의 복잡성을 반영한다. 길이에 더하여 3' 비번역 영역의 2차 구조도 조절 기능을 가지고 있다. 단백질 인자는 해당 영역이 다양한 2차 구조로 접히는 것을 돕거나 방해할 수 있다. 가장 일반적인 구조는 스템루프이며, 이는 전사체의 발현에 영향을 미치는 RNA 결합 단백질 및 비코딩 RNA에 대한 골격을 제공한다. 섬네일|왼쪽|270px|대체 폴리아데닐화는 3'-UTR만 다른 전사체들을 유발한다.

 대체 폴리아데닐화 
3'-UTR 구조와 관련된 또 다른 메커니즘은 대체 폴리아데닐화(APA)라고 불리며, 이는 3'-UTR에서만 다른 mRNA 이소형을 생성한다. 이 메커니즘은 동일한 단백질을 다양한 양과 위치에서 발현하는 수단을 제공하므로 복잡한 생물에 특히 유용하다. 이는 인간 유전자의 약 절반에서 활용된다. APA는 여러 폴리아데닐화 부위 또는 상호 배타적인 말단 엑손의 존재로 인해 발생할 수 있다. 단백질 및 miRNA 결합 부위의 존재에 영향을 미칠 수 있으므로 APA는 mRNA 전사체의 안정성, 세포질로의 수출 및 번역 효율에 영향을 미침으로써 차등 발현을 유발할 수 있다.

 연구 방법 
과학자들은 3' UTR의 복잡한 구조와 기능을 연구하기 위해 여러 방법을 사용한다. mRNA 내의 특정 3'-UTR이 조직에 존재한다는 것이 밝혀지더라도, 3'-UTR의 완전한 기능을 이해하려면 국소화, 기능적 반감기, 번역 효율 및 트랜스 작용 요소의 영향을 결정해야 한다. 주로 서열 분석을 통한 계산적 접근 방식은 인간 3'-UTR의 약 5~8%에서 ARE의 존재를, 인간 3'-UTR의 60% 이상에서 하나 이상의 miRNA 표적의 존재를 보여주었다. 소프트웨어는 수백만 개의 서열을 한 번에 신속하게 비교하여 게놈 내 다양한 3' UTR 사이의 유사점을 찾을 수 있다. 특정 RNA 결합 단백질과 관련된 서열을 정의하기 위해 실험적 접근 방식이 사용되었다. 특히, 최근의 염기 서열 분석 및 교차 결합 기술의 발전은 전사체 내 단백질 결합 부위의 정밀한 매핑을 가능하게 했다. 예를 들어, 종결 코돈, 폴리아데닐화 신호 또는 3'-UTR의 2차 구조에 영향을 미치는 유도된 부위 특이적 돌연변이는 돌연변이된 영역이 어떻게 번역 조절 이상 및 질병을 유발할 수 있는지 보여줄 수 있다. 이러한 유형의 전사체 전체 방법은 3'-UTR 내에 알려진 시스 요소 및 트랜스 조절 인자에 대한 우리의 이해를 돕는 데 도움이 될 것이다.

 질병 
섬네일|330px|3'-UTR 내의 다양한 돌연변이로 인한 질병
3'-UTR 돌연변이는 하나의 변형이 여러 유전자의 발현 변화를 유발할 수 있기 때문에 매우 중요하다. 전사적으로 돌연변이는 물리적으로 연결된 대립유전자와 유전자만 영향을 미칠 수 있다. 그러나 3'-UTR 결합 단백질도 mRNA의 처리 및 핵 수출에 기능하므로 돌연변이는 관련 없는 다른 유전자에도 영향을 미칠 수 있다. AU-풍부 영역의 돌연변이로 인한 ARE 결합 단백질 (AUBP)의 조절 이상은 종양 형성 (암), 조혈계 악성 종양, 백혈병 형성 및 발달 지연/자폐 스펙트럼 장애를 포함한 질병을 유발할 수 있다. 디스트로피아 근긴장성 단백질 키나제 (DMPK) 유전자의 3'-UTR에서 확장된 삼뉴클레오타이드 (CTG) 반복 횟수는 근긴장성 이영양증을 유발한다. 푸쿠틴 단백질 3'-UTR 내의 역전이적 3킬로베이스 직렬 반복 서열 삽입은 후쿠야마형 선천성 근육병증과 관련이 있다. 3'-UTR의 요소는 또한 인간 급성 골수성 백혈병, 알파-탈라세미아, 신경아세포종, 각막병증, 무홍채증, IPEX 증후군 및 선천성 심장 결손과 관련이 있다. 몇몇 UTR 매개 질병의 식별은 아직 발견되지 않은 수많은 연결 고리를 암시할 뿐이다.

 미래 개발 
3'-UTR에 대한 현재 이해에도 불구하고, 그것들은 여전히 상대적으로 미스터리이다. mRNA는 일반적으로 여러 중첩된 제어 요소를 포함하므로, 각 3'-UTR 요소의 정체성과 기능, 그리고 이 부위에 결합할 수 있는 조절 인자를 지정하는 것은 종종 어렵다. 또한, 각 3'-UTR은 많은 대체 AU-풍부 요소와 폴리아데닐화 신호를 포함한다. 이러한 시스 및 트랜스 작용 요소는 miRNA와 함께 단일 mRNA 내에서 사실상 무한한 제어 가능성을 제공한다. 딥 시퀀싱 기반 리보솜 프로파일링의 사용 증가를 통한 향후 연구는 더 많은 조절 미묘함뿐만 아니라 새로운 제어 요소 및 AUBBP를 밝혀낼 것이다.

 같이 보기 
 5' 비번역 부위
 UTRdb
 UTRome

 각주 

 추가 자료 


 외부 링크 
 mRNA 조절 요소에 대한 간략한 소개
 UTResource 3' UTR 분석
 UTRome.org 선충류의 3' UTR
 의학 주제명 표목: 3' 비번역 부위

분류:RNA
분류:유전자 발현