리보스위치

분자생물학에서 리보스위치(riboswitch)는 작은 분자에 결합하여 전령 RNA 분자에 의해 인코딩된 단백질의 생산 변화를 초래하는 전령 RNA 분자의 조절 부분이다. 따라서 리보스위치를 포함하는 mRNA는 효과인자 분자의 농도에 반응하여 자신의 활성을 직접 조절하는 데 관여한다. 현대 유기체가 RNA를 사용하여 작은 분자에 결합하고 밀접하게 관련된 유사체와 구별한다는 발견은 RNA의 알려진 자연적 능력을 단백질을 코딩하거나, 반응을 촉매하거나, 다른 RNA 또는 단백질 고분자에 결합하는 능력 이상으로 확장시켰다.

"리보스위치"라는 용어의 원래 정의는 작은 분자 대사물질 농도를 직접 감지한다고 명시했다. 이 정의는 여전히 일반적으로 사용되지만, 일부 생물학자들은 다른 시스 조절 RNA를 포함하는 더 넓은 정의를 사용했다. 그러나 이 글에서는 대사물질 결합 리보스위치만 다룰 것이다.

대부분의 알려진 리보스위치는 세균에서 발생하지만, 한 유형의 기능적 리보스위치 (TPP 리보스위치)는 고세균, 식물 및 특정 균류에서 발견되었다. TPP 리보스위치는 고세균에서도 예측되었지만, 실험적으로는 검증되지 않았다.

섬네일|세 가지 리보스위치와 그 자연 리간드의 예. 왼쪽부터: SAM 리보스위치 (PDB 코드: 3gx5), FMN 리보스위치 (2yie), 라이신 리보스위치 (PDB ID: 3d0u)
 역사 및 발견 

리보스위치 발견 이전에는 여러 대사 경로에 관여하는 일부 유전자가 조절되는 메커니즘이 미스터리로 남아있었다. 관련 mRNA가 대사물질에 직접 결합하여 자체 조절에 영향을 미칠 수 있다는 전례 없는 아이디어를 뒷받침하는 증거가 점점 더 많이 축적되었다. 이러한 데이터에는 관련 유전자의 비번역 영역(UTR)에서 자주 발견되는 보존된 RNA 2차 구조와 압타머라고 불리는 인공 소분자 결합 RNA를 만드는 절차의 성공이 포함되었다. 2002년, 단백질이 없는 결합 분석을 포함한 여러 종류의 리보스위치에 대한 첫 번째 포괄적인 증거가 발표되었고, 대사물질 결합 리보스위치는 유전자 조절의 새로운 메커니즘으로 확립되었다.

가장 초기에 발견된 많은 리보스위치들은 5' UTR에 보존된 서열 "모티프" (패턴)에 해당했으며, 이는 구조화된 RNA에 해당되는 것으로 보였다. 예를 들어, 공동 조절될 것으로 예상되는 여러 유전자의 상류 영역에 대한 비교 분석을 통해 S-박스 (현재 SAM-I 리보스위치), THI-박스 (TPP 리보스위치 내의 영역), RFN 요소 (현재 FMN 리보스위치) 및 B12-박스 (코발라민 리보스위치의 일부)의 기술로 이어졌고, 일부 경우에는 미지의 메커니즘을 통해 유전자 조절에 관여한다는 실험적 증명이 있었다. 생물정보학은 기본적인 비교유전체학 전략의 자동화가 증가하면서 최근 발견에서 중요한 역할을 했다. Barrick 등 (2004)은 BLAST를 사용하여 고초균의 모든 UTR과 상동성을 가진 UTR을 찾았다. 이 상동성 세트 중 일부는 보존된 구조를 검사하여 10개의 RNA 유사 모티프를 발견했다. 이들 중 3개는 나중에 glmS, 글리신 및 PreQ1-I 리보스위치로 실험적으로 확인되었다 (아래 참조). 추가 세균 분류군과 개선된 컴퓨터 알고리즘을 사용한 후속 비교유전체학 연구를 통해 실험적으로 확인된 추가 리보스위치와 리보스위치로 기능한다고 가설화된 보존된 RNA 구조가 확인되었다.

 메커니즘 
섬네일|리보스위치는 일반적으로 압타머 (검은색)와 구조화된 발현 플랫폼 (빨간색)으로 구성된다. 리간드가 리보스위치에 결합하면 발현 플랫폼이 유전자 발현에 이용 가능하게 된다.
리보스위치는 종종 개념적으로 두 부분으로 나뉜다: 압타머와 발현 플랫폼. 압타머는 작은 분자를 직접 결합하고, 발현 플랫폼은 압타머의 변화에 반응하여 구조적 변화를 겪는다. 발현 플랫폼이 유전자 발현을 조절하는 부분이다.

발현 플랫폼은 일반적으로 작은 분자에 반응하여 유전자 발현을 억제하지만, 일부는 유전자 발현을 활성화시킨다. 다음 리보스위치 메커니즘이 실험적으로 입증되었다.
 리보스위치에 의해 조절되는 로 비의존적 전사 종결 헤어핀 형성은 조기 전사 종결을 유도한다.
 리보스위치 매개 접힘은 리보솜 결합 부위를 격리하여 번역을 억제한다.
 리보스위치는 충분한 농도의 대사물질이 있을 때 스스로를 절단하는 리보자임이다.
 리보스위치의 대체 구조는 전령 RNA의 스플라이싱에 영향을 미친다.
 붉은빵곰팡이 (균류)의 TPP 리보스위치는 대체 스플라이싱을 조절하여 조건적으로 상류 개방 판독 프레임 (uORF)을 생성하고, 이로 인해 하류 유전자 발현에 영향을 미친다.
 식물의 TPP 리보스위치는 스플라이싱과 대체 3' 말단 가공을 조절한다.
 클로스트리디움 아세토부틸리쿰의 리보스위치는 동일한 mRNA 전사체의 일부가 아닌 인접 유전자를 조절한다. 이 조절에서 리보스위치는 유전자 전사를 방해한다. 메커니즘은 불확실하지만, 두 RNA 중합효소 단위가 동시에 동일한 DNA를 전사할 때 발생하는 충돌로 인해 발생할 수 있다.
 리스테리아 모노사이토제네스의 리보스위치는 하류 유전자의 발현을 조절한다. 그러나 리보스위치 전사체는 게놈의 다른 곳에 위치한 유전자의 발현을 조절한다. 이 트랜스 조절은 원거리 유전자의 mRNA에 대한 염기쌍 결합을 통해 발생한다. 세균의 온도가 증가하면 리보스위치가 녹아 전사가 가능해진다. 미공개 학부 연구에서는 리스테리아 모노사이토제네스 서열의 무작위 돌연변이를 통해 유사한 리보스위치 또는 '열 센서'를 만들었다.

 종류 

섬네일|고초균의 퓨린 리보스위치의 2차 구조
다음은 리간드별로 정리된 실험적으로 검증된 리보스위치 목록이다.
 코발라민 리보스위치 (또한 B12-요소)는 아데노실코발라민 (비타민 B12의 보효소 형태) 또는 아쿠아코발라민에 결합하여 코발라민 생합성 및 코발라민과 유사한 대사물질의 운반, 그리고 다른 유전자들을 조절한다.
 고리형 AMP-GMP 리보스위치는 신호 분자인 고리형 AMP-GMP에 결합한다. 이 리보스위치는 고리형 di-GMP-I 리보스위치와 구조적으로 관련이 있다 (아래 "고리형 di-GMP" 참조).
 고리형 di-AMP 리보스위치 (ydaO/yuaA라고도 함)는 신호 분자인 고리형 di-AMP에 결합한다.
 고리형 di-GMP 리보스위치는 이 2차 전령에 의해 조절되는 다양한 유전자를 조절하기 위해 신호 분자인 고리형 di-GMP에 결합한다. 고리형 di-GMP 리보스위치에는 고리형 di-GMP-I 리보스위치와 고리형 di-GMP-II 리보스위치 두 가지 종류가 알려져 있다. 이들 종류는 구조적으로 관련이 없는 것으로 보인다.
 플루오린화물 리보스위치는 플루오린화물 이온을 감지하고, 높은 수준의 플루오린화물에서 생존하는 데 기능한다.
 FMN 리보스위치 (또한 RFN-요소)는 플라빈 모노뉴클레오타이드 (FMN)에 결합하여 리보플라빈 생합성 및 운반을 조절한다.
 glmS 리보스위치는 글루코사민-6-인산의 농도가 충분할 때 스스로를 절단하는 리보자임이다.
 글루타민 리보스위치는 글루타민에 결합하여 글루타민 및 질소 대사에 관련된 유전자뿐만 아니라 기능이 알려지지 않은 짧은 펩타이드를 조절한다. 글루타민 리보스위치에는 glnA RNA 모티프와 하류 펩타이드 모티프 두 가지 종류가 알려져 있다. 이들 종류는 구조적으로 관련이 있는 것으로 여겨진다 (해당 문서의 논의 참조).
 글리신 리보스위치는 글리신에 결합하여 글리신을 에너지원으로 사용하는 것을 포함한 글리신 대사 유전자를 조절한다. 2012년 이전에는 이 리보스위치가 연속적인 이중 압타머를 포함하기 때문에 협동 결합을 나타내는 유일한 리보스위치로 생각되었다. 이제 협동적이지 않다는 것이 밝혀졌지만, 이중 압타머의 원인은 여전히 모호하다.
 라이신 리보스위치 (또한 L-박스)는 라이신에 결합하여 라이신 생합성, 이화작용 및 운반을 조절한다.
 망가니즈 리보스위치는 망가니즈 이온에 결합한다.
 NiCo 리보스위치는 금속 이온인 니켈과 코발트에 결합한다.
 PreQ1 리보스위치는 Pre-queuosine1에 결합하여 큐오신의 전구체 합성 또는 운반에 관련된 유전자를 조절한다. PreQ1 리보스위치에는 PreQ1-I 리보스위치, PreQ1-II 리보스위치, PreQ1-III 리보스위치의 세 가지 완전히 다른 종류가 알려져 있다. PreQ1-I 리보스위치의 결합 도메인은 자연 발생 리보스위치 중에서도 이례적으로 작다. 스트렙토코커스(Streptococcus) 및 락토코커스(Lactococcus) 속의 특정 종에서만 발견되는 PreQ1-II 리보스위치는 완전히 다른 구조를 가지며, PreQ1-III 리보스위치와 마찬가지로 더 크다.
 퓨린 리보스위치는 퓨린에 결합하여 퓨린 대사 및 운반을 조절한다. 퓨린 리보스위치의 다른 형태는 구아닌 (원래 G-박스로 알려진 형태) 또는 아데닌에 결합한다. 구아닌 또는 아데닌에 대한 특이성은 Y74 위치에 있는 리보스위치의 단일 피리미딘과의 왓슨-크릭 상호작용에 전적으로 달려 있다. 구아닌 리보스위치에서는 이 잔기가 항상 사이토신 (즉, C74)이고, 아데닌 잔기에서는 항상 유라실 (즉, U74)이다. 상동성 유형의 퓨린 리보스위치는 디옥시구아노신에 결합하지만, 단일 뉴클레오타이드 돌연변이보다 더 중요한 차이점을 가지고 있다.
 SAH 리보스위치는 S-아데노실호모시스테인에 결합하여 S-아데노실메티오닌이 메틸화 반응에 사용될 때 생성되는 이 대사물질의 재활용에 관련된 유전자를 조절한다.
 SAM 리보스위치는 S-아데노실 메티오닌 (SAM)에 결합하여 메티오닌 및 SAM 생합성 및 운반을 조절한다. 세 가지 독특한 SAM 리보스위치가 알려져 있다: SAM-I (원래 S-박스라고 불림), SAM-II 및 SMK 박스 리보스위치. SAM-I은 세균에 널리 퍼져 있지만, SAM-II는 알파, 베타 및 일부 감마프로테오박테리아에서만 발견된다. SMK 박스 리보스위치는 유산균목에서만 발견된다. 이 세 가지 종류의 리보스위치는 서열이나 구조 측면에서 명백한 유사성이 없다. 네 번째 종류인 SAM-IV 리보스위치는 SAM-I 리보스위치와 유사한 리간드 결합 코어를 가지지만, 독특한 스캐폴드(scaffold)를 가진 것으로 보인다.
 SAM-SAH 리보스위치는 SAM과 SAH 모두에 유사한 친화도로 결합한다. 메티오닌 아데노실전이효소를 코딩하는 유전자를 조절하는 위치에서 항상 발견되기 때문에 SAM에만 결합하는 것이 생리학적으로 관련이 있는 것으로 제안되었다.
 테트라하이드로폴레이트 리보스위치는 테트라하이드로폴레이트에 결합하여 합성 및 운반 유전자를 조절한다.
 TPP 리보스위치 (또한 THI-박스)는 티아민 피로인산염 (TPP)에 결합하여 티아민 생합성 및 운반뿐만 아니라 유사한 대사물질의 운반도 조절한다. 이는 현재까지 진핵생물에서 발견된 유일한 리보스위치이다.
 ZMP/ZTP 리보스위치는 10-포르밀테트라하이드로폴레이트 수준이 낮을 때 de novo 퓨린 대사의 부산물인 ZMP와 ZTP를 감지한다.

추정 리보스위치:
 모코 RNA 모티프는 몰리브덴 보조인자에 결합하여 이 보효소의 생합성 및 운반에 관련된 유전자뿐만 아니라 이를 보조인자로 사용하는 효소를 조절하는 것으로 추정된다.

후보 대사물질 결합 리보스위치는 생물정보학을 사용하여 식별되었으며, 중간 정도의 복잡한 2차 구조와 여러 개의 고도로 보존된 뉴클레오타이드 위치를 가진다. 이는 작은 분자와 특이적으로 결합해야 하는 리보스위치의 전형적인 특징이기 때문이다. 리보스위치 후보는 또한 단백질 코딩 유전자의 5' UTR에 지속적으로 위치하며, 이러한 유전자들은 대사물질 결합을 시사하는데, 이는 대부분의 알려진 리보스위치의 특징이기도 하다. 이전 기준과 매우 일치하는 가설적 리보스위치 후보는 다음과 같다: crcB RNA 모티프, manA RNA 모티프, pfl RNA 모티프, ydaO/yuaA 리더, yjdF RNA 모티프, ykkC-yxkD 리더 (및 관련 ykkC-III RNA 모티프) 및 yybP-ykoY 리더. 이 가설적 리보스위치의 기능은 아직 알려지지 않았다.

 전산 모델 

리보스위치는 생체 내 (in-silico) 접근법을 사용해서도 조사되었다. 특히, 리보스위치 예측을 위한 해결책은 두 가지 광범위한 범주로 나눌 수 있다:
 리보스위치 유전자 탐색기, 즉 주로 모티프 검색 메커니즘을 기반으로 게놈 검사를 통해 리보스위치를 발견하는 시스템이다. 이 그룹에는 Rfam 데이터베이스의 핵심 구성 요소인 Infernal, 그리고 RibEx 또는 RiboSW와 같은 더 특정한 도구들이 포함된다.
 형태 변화 스위치 예측기, 즉 paRNAss, RNAshapes 및 RNAbor와 같이 대체 구조의 구조적 분류를 기반으로 하는 방법이다. 또한 ON/OFF 구조 예측을 위한 계통군별 접근법도 제안되었다.

SwiSpot 도구는 형태 변화 예측을 사용하여 리보스위치 존재를 평가하므로 두 그룹을 모두 다룬다.

다른 전산 연구는 리보스위치 결합 부위의 약물 개발 가능성 특성을 조사하여 잠재적인 새로운 약물 표적으로서의 효능을 평가한다.

 RNA 세계 가설 

리보스위치는 자연적으로 발생하는 RNA가 작은 분자를 특이적으로 결합할 수 있음을 보여주며, 이는 이전에는 단백질이나 인공적으로 만들어진 압타머의 영역으로 여겨졌던 능력이다. 따라서 모든 생명 영역에서 리보스위치가 존재한다는 것은 생명이 원래 RNA만을 사용하여 존재했으며 단백질은 나중에 나타났다고 주장하는 RNA 세계 가설에 대한 일부 지지를 더한다. 이 가설은 단백질이 수행하는 모든 중요한 기능 (작은 분자 결합 포함)이 RNA에 의해 수행될 수 있어야 한다고 요구한다. 일부 리보스위치는 고대 조절 시스템을 나타내거나, 심지어 결합 도메인이 보존된 RNA 세계 리보자임의 잔재일 수도 있다고 제안되었다.

 항생제 표적으로서 

RNA는 이미 새로운 약물 표적이다. 여러 요인이 리보스위치를 새로운 항생제의 표적으로 만드는 데 기여한다:
 높은 친화도로 작은 분자에 결합하는 능력은 약물 표적에 적합하게 만든다.
 일부 리보스위치는 약물 개발 가능성에 관해 유망한 특성을 보이는 결합 부위를 포함한다.
 진핵세포에 리보스위치가 없다는 점은 새로운 항생제의 매우 특이적인 표적이 될 수 있게 한다.
 일부 리보스위치의 억제는 세균 세포 사멸을 유도하는 데 효과적인 것으로 입증되었다.

실제로 수십 년 동안 작용 메커니즘이 알려지지 않았던 일부 항생제는 리보스위치를 표적으로 하여 작동하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 항생제 피리티아민이 세포 안으로 들어가면 피리티아민 피로인산염으로 대사된다. 피리티아민 피로인산염은 TPP 리보스위치에 결합하여 활성화시키는 것으로 나타났으며, 이로 인해 세포는 TPP 합성과 유입을 중단한다. 피리티아민 피로인산염은 TPP를 보효소로 대체하지 않으므로 세포는 사멸한다.

 조작된 리보스위치 

리보스위치는 자연 유기체에서 유전자 발현을 제어하는 효과적인 방법이기 때문에 유전자 치료와 같은 산업 및 의료 응용 분야를 위한 인공 리보스위치 공학에 대한 관심이 있었다.

 같이 보기 

 RNA 온도계 - 온도 변화에 반응하여 형태를 변경함으로써 리보솜 결합 부위를 노출시키거나 가리는 또 다른 종류의 mRNA 조절 부분.

 각주 

 더 읽어보기 


분류:RNA
분류:시스 조절 RNA 요소