단백질 합성에는 전령RNA(messenger RNA, 줄여서 mRNA), 운반RNA(transfer RNA, 줄여서 tRNA), 리보솜 RNA(ribosomal RNA, 줄여서 rRNA), 이렇게 세 가지 종류의 RNA가 관여합니다. 이러한 RNA는 다양한 기능을 수행하며 단백질 암호화(coding; 부호화; 코딩) RNA 또는 비암호화(non-coding; 비부호화; 논코딩) RNA로 폭넓게 분류될 수 있습니다. 비암호화 RNA는 발달 및 환경 변화에 대응해 유전자 발현(gene expression)을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 원핵생물(prokaryote)의 비암호화 RNA는 더 효과적인 인간이나 동물용 항생제를 개발하기 위해 사용할 수 있습니다.
분자생물학의 중심원리는 DNA가 단백질을 암호화하는 정보를 포함하고 있고 RNA는 이 정보를 단백질 합성을 지시하는 데 사용한다고 말합니다. 따라서 여러 종류의 RNA는 단백질 합성에 관여합니다. 그리고 RNA는 단백질을 암호화하는지 여부에 따라 단백질 암호화 또는 비암호화 RNA로 분류됩니다.
전령RNA(mRNA)는 단백질 암호화 RNA이며, 특정 아미노산을 암호화하는 세 개의 뉴클레오타이드의 서열인 코돈(codon)으로 구성됩니다. 운반RNA(tRNA)와 리보솜 RNA(rRNA) 비암호화 RNA입니다. tRNA는 mRNA 서열을 읽고 길어지는 폴리펩타이드(polypeptide) 사슬에 아미노산을 올바른 순서로 배치하는 어댑터 분자(adaptor molecule; 연결 분자)의 역할을 합니다. rRNA와 다른 단백질은 세포 내 단백질 합성 자리인 리보솜(ribosome)을 구성합니다. 리보솜은 번역하는 동안 mRNA 가닥을 따라 이동하며 tRNA 분자의 결합을 안정시키고 아미노산 사이 펩타이드 결합(peptide bond)의 형성을 촉매합니다. 따라서 다양한 종류의 RNA는 단백질 합성 중 특수하고 또 상보적인 기능을 수행합니다.
tRNA와 rRNA 외의 비암호화 RNA는 단백질을 암호화하지 않았기 때문에 처음에는 “유전자 쓰레기”로 간주했습니다. 하지만 지난 수십 년 사이 비암호화 RNA가 유전자 발현을 조절(regulation)하는 역할이 밝혀졌고, 따라서 현재 광범위하게 연구되고 있습니다. 비암호화 RNA는 길이에 따라 작은 조절 RNA(small regulatory RNA; < 100 뉴클레오타이드) 또는 긴 비암호화 RNA(long non-coding RNA; > 200 뉴클레오타이드)로 분류될 수 있습니다.
작은 조절 RNA와 긴 비암호화 RNA 모두 전사와 번역의 여러 단계를 변경해 유전자 발현을 조절합니다. 비암호화 RNA는 mRNA 스플라이싱(splicing; mRNA에서 단백질 비암호화 부분 제거 및 단백질 암호화 서열 결합)에 영향을 미칩니다. 그리고 이를 통해 단일 유전자에서 다양한 단백질 변이체를 형성하는 것을 조절합니다. 마이크로RNA(microRNA, 줄여서 miRNA)와 작은 간섭 RNA(small interfering RNA, 줄여서 siRNA)와 같은 작은 조절 RNA는 mRNA의 상보적 서열에 결합해 번역 인자가 mRNA에 접근하는 것을 차단하거나 mRNA 자체를 분해해 단백질 합성을 억제합니다. 긴 비암호화 RNA는 DNA와 히스톤(histone; DNA를 핵에 포장하는 데 도움을 주는 단백질)을 화학적으로 변형하는 효소와 상호작용하고, 또 효소를 모집해 전사를 활성화하거나 억제합니다.
유전자 발현의 RNA 매개 조절(RNA-mediated regulation)은 박테리아에 널리 퍼져 있습니다. mRNA 조절 서열(regulatory sequence), 즉 리보스위치(riboswitch)는 온도와 영양소 수치의 변화를 감지하는 환경 센서 역할을 합니다.
리보스위치 기반 조절(riboswitch-based regulation)은 상호 배타적이고 안정적인 두 가지 RNA 2차 구조 형태(conformation)의 형성에 따라 달라집니다. 2차 구조는 환경 변화에 대응해 유전자 발현을 켜거나 끌 수 있도록 두 개의 형태 사이를 전환합니다. 예를 들어 Listeria monocytogenes 박테리아(리스테리아균)가 숙주를 감염시킬 때, 숙주의 체온이 높을수록 박테리아 mRNA의 5’ 비번역지역(untranslated region; 비번역부위)의 2차 구조가 분해됩니다. 이는 mRNA의 리보솜 결합 부위(ribosome-binding site)를 노출시키고 단백질 번역이 개시되게 만들어 박테리아가 숙주 유기체 내에서 생존하고 증식할 수 있게 만듭니다.
일부 리보스위치는 물질대사 경로의 최종 생성물을 감지하고 전사 또는 번역에 대한 되먹임(feedback; 피드백) 제어 역할을 합니다. 예를 들어, 티아민파이로인산(thiamine pyrophosphate) 리보스위치는 박테리아에서 티아민 생합성(biosynthesis)을 조절합니다. 적절한 농도의 티아민(thiamine)이 합성되면, 티아민은 리보스위치에 결합해 리보스위치의 형태를 바꿉니다. 이러한 형태 변화는 번역 개시 부위(initiation site)를 차단하고 단백질 합성을 중단시킵니다.
구조적으로 티아민과 매우 유사한 화합물이 잠재적인 항생제로 연구되고 있습니다. 이 약물은 티아민이 없을 때 리보스위치에 결합해 티아민 생합성에 필요한 단백질의 번역을 차단하는 리보스위치 형태 변화를 일으키도록 고안되었습니다. 이렇게 되면 박테리아가 이 영양소를 생산할 수 없어 성장을 멈추고 죽게 됩니다. 리보스위치가 진핵생물(eukaryote)보다 원핵생물에서 더 흔하게 발견되기 때문에, 리보스위치를 표적으로 삼는 항생제는 포유류 숙주에 최소한의 부작용을 일으킬 것입니다.
