엑손 셔플링

엑손 셰플링은 새로운 유전자를 형성하기 위한 분자 메커니즘이다. 서로 다른 유전자의 두 개 이상의 엑손(exon)을 ectopic적으로, 또는 같은 엑손(exon)을 복제해 새로운 엑손-intron 구조를 만들 수 있는 과정이다.^[1] 엑손 셰플링이 발생하는 메커니즘은 서로 다르다: 트랜스포존 매개 엑손 셰플링, 부모의 게놈의 성적인 재결합 중 크로스오버, 불법 재결합.

엑손 셔플링은 특정한 이음새 틀 규칙을 따른다. 인트론은 연속된 두 개의 코돈 사이에, 코돈의 첫 번째와 두 번째 뉴클레오티드 사이에, 또는 코돈의 두 번째와 세 번째 뉴클레오티드 사이에 시퀀스를 삽입하여 유전자의 판독 프레임을 방해할 수 있다. 추가적으로 엑손은 옆구리 인트론(대칭: 0-0, 1-1, 2-2, 비대칭: 0–1, 0–2, 1–0, 1–2 등)의 단계에 따라 9개의 다른 그룹으로 분류할 수 있다. 대칭 exon은 판독 프레임을 변경하지 않고 intron에 삽입하거나 중복을 입거나 삭제할 수 있는 유일한 것이다.^[2]

역사

엑손 셔플링은 1978년 월터 길버트가 인트론의 존재가 단백질의 진화에 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 발견하면서 처음 도입되었다. 인트론 내 재조합은 엑소들을 독립적으로 구할 수 있고 인트론 중간에서 반복적인 부분들은 외적인 순서를 섞기 위해 재조합을 위한 핫스팟을 만들 수 있다는 점에 주목했다. 그러나 진핵생물에 이러한 인트론의 존재와 원핵생물에 대한 부재는 이러한 인트론이 나타난 시기에 대한 논쟁을 불러일으켰다. 두 가지 이론이 생겨났다: "인턴 초기" 이론과 "인턴 후기" 이론이다. '인트론 초기 이론'의 지지자들은 인트론과 RNA 스플리싱이 RNA 세계의 유물이라고 믿었고 따라서 원핵생물들과 진핵생물들 모두 초기에는 인트론을 가지고 있었다. 그러나 원핵생물들은 더 높은 효율성을 얻기 위해 그들의 인트론을 제거했고, 진핵생물들은 조상들의 인트론과 유전적 소성성을 유지했다. 반면 '늦은 인트론'의 지지자들은 친핵 유전자가 조상 유전자와 닮아 나중에 진핵생물 유전자에 인트론이 삽입됐다고 믿는다. 지금 분명한 것은 진핵 엑손 인트론 구조가 정적이 아니고, 인트론이 유전자에서 지속적으로 삽입되고 제거되며 인트론의 진화가 엑손 셔플링과 평행하게 진화한다는 것이다.^{[citation needed]}

엑손 셔플링이 단백질 진화에 중요한 역할을 하기 시작하려면 이음절 인트론의 외형이 이루어져야 했다. 이것은 RNA 세계의 자기 분열 인트론이 전자적 재조합에 의한 엑손 셔플링에 적합하지 않다는 사실 때문이었다. 이 인트론은 필수적인 기능을 가지고 있어서 재조합될 수 없었다. 게다가, 이설 인트론이 상당히 최근에 진화했고 진화적인 분포에 제한을 받고 있다는 강력한 증거가 있다. 따라서 엑손 슈플링은 젊은 단백질의 구성에서 주요한 역할을 하게 되었다.^{[citation needed]}

더욱이 eukaryotes에서 exon shuffling이 유의미하게 된 시기를 보다 정확하게 정의하기 위해, 이 메커니즘을 통해 진화한 모듈형 단백질의 진화적 분포를 다른 유기체(즉, Eschericia, Saccharomyces serebis, Arabidopsis thaliana 등)에서 검사했다. 이러한 연구는 게놈의 압축성과 전자적 및 반복적 시퀀스의 비율 사이에 역적 관계가 있음을 시사했다. 또한 엑손 셔플링이 메타조안 방사능 이후 의미심장해진 것도 사실이다.^[3]

메커니즘

부모 게놈의 성적 재조합 시 교차

진화는 부모 게놈의 성적 재조합에 의해 매개되며, 인트론이 외부자보다 길기 때문에 대부분의 크로싱은 부호화되지 않는 지역에서 발생한다. 이러한 인트론에는 많은 수의 전이 가능한 원소들과 비호몰로지 유전자의 재조합을 촉진하는 반복적인 시퀀스가 있다. 게다가 모자이크 단백질은 진화 과정에서 다른 유전자로 퍼져 스스로 접을 수 있는 이동 영역으로 구성되어 있다는 사실도 밝혀졌다.^{[citation needed]}

해당 도메인의 형성과 분리를 위한 메커니즘이 있는데, 이것이 모듈화 가설이다. 이 메커니즘은 세 단계로 나뉜다. 첫 번째 단계는 단백질 영역의 경계에 해당하는 위치에 인트론을 삽입하는 것이다. 두 번째 단계는 "프로토모듈"이 삽입된 인트론 내에서 재결합하여 탠덤 복제를 겪는 것이다. 세 번째 단계는 하나 이상의 프로토모듈이 전자 재조합에 의해 다른 비호몰로지 유전자로 전이되는 것이다. 모듈화의 모든 상태는 지혈성 단백질과 같은 다른 영역에서 관찰되었다.^[2]

트랜스폰 매개

긴 간격 요소(LINE)-1

Exon Shuffling의 잠재적 메커니즘은 긴 변위 원소(LINE) -1 매개 3' 전도로 이루어진다. 그러나 먼저 LINE이 무엇인지 이해하는 것이 중요하다. LINE은 진핵 게놈에서 풍부한 양으로 발견되는 유전 원소의 그룹이다.^[4] LINE-1은 인간에게서 발견되는 가장 흔한 LINE이다. 그것은 RNA 중합효소 II에 의해 필사되어, 전환에 필요한 ORF1과 ORF2라는 두 가지 단백질을 암호화하는 mRNA를 준다.^[5]

전환 시 L1은 3' 옆구리 DNA와 연관되며, 비 L1 시퀀스를 새로운 게놈 위치에 전달한다. 이 새로운 위치는 균질 시퀀스에 있거나 기증자 DNA 시퀀스에 근접할 필요가 없다. 기증자 DNA 염기서열은 RNA 매개체를 통해 복사-붙여넣기 방식으로 기능하기 때문에 이 과정 내내 변하지 않지만, L1의 3' 영역에 위치한 부위만 중복 대상인 것으로 입증되었다.^{[citation needed]}

그럼에도 불구하고, 다음과 같은 예에서 보여지듯이 이것이 매번 사실이 아닐 수도 있다고 믿는 이유가 있다. 인간 ATM 유전자는 인간의 자가역진 장애 아탁시아-텔랑게릭타시아를 담당하며 11번 염색체에 위치한다. 그러나 부분 ATM 시퀀스는 7번 염색체에서 발견된다. 분자 특성은 이러한 복제가 L1 역변환에 의해 매개되었음을 시사한다: 파생된 시퀀스는 15bp 표적측복제(TSD)로 옆을 이루었고, 5' 끝 주변의 시퀀스는 L1 엔도누세균 분할 부위에 대한 컨센서스 시퀀스와 일치했으며, 3' TSD 이전에 폴리(A) 꼬리와 일치했다. 그러나 L1 요소는 역트랜스포트된 부분이나 원래의 순서에 존재하지 않았기 때문에, 그 부분의 동원은 3의 전도로 설명될 수 없다. 추가 정보는 DNA 서열의 전이-이동화가 exons를 섞기 위한 L1의 또 다른 메커니즘이라는 믿음으로 이어졌지만, 그 주제에 대한 더 많은 연구가 이루어져야 한다.^[6]

헬리트론

엑손 셔플링이 발생하는 또 다른 메커니즘은 헬리콥터 사용이다. 헬리트론 트랜스포존은 쌀, 웜, 탈레스트 게놈의 반복적인 DNA 조각에 대한 연구 중에 처음 발견되었다. 헬리트론은 모든 진핵 왕국에서 확인되었지만 복제의 수는 종마다 다르다.^{[citation needed]}

헬리트로 인코딩된 단백질은 RC(Rolling-Circle) 복제 이니시에이터(Rep)와 DNA 헬리코아제(Hel) 도메인으로 구성된다. Rep 영역은 내핵 분열, DNA 전달 및 결찰에 대한 촉매 반응에 관여한다. 게다가 이 영역에는 세 가지 모티브가 있다. 첫 번째 모티브는 DNA 결합에 필요하다. 두 번째 모티브는 두 개의 히스티딘을 가지고 있으며 금속 이온 결합에 관여한다. 마지막으로 세 번째 모티브는 두 개의 티로인을 가지고 있으며 DNA 갈라짐과 레깅을 촉진한다.^{[citation needed]}

헬리트론에 의한 유전자 포획의 모델은 '읽기-쓰루' 모델 1(RTM1)과 '읽기-쓰루' 모델 2(RTM2)와 필러 DNA 모델(FDNA) 등 3가지다. RTM1 모델에 따르면, 헬리트론 3의 끝에서 복제 터미네이터의 우발적인 "오작동"은 유전체 DNA의 전치를 이끈다. 읽기-쓰루 헬리트론 원소와 그 하류 게놈 영역으로 구성되어 있으며, 임의의 DNA 사이트 옆에 "de novo" RC 터미네이터 역할을 한다. RTM2 모델에 따르면, 다른 헬릿론의 3' 종단부는 전치의 RC 종단기 역할을 한다. 이는 RC 터미네이터의 오작동 이후에 발생한다. 마지막으로 FDNA 모델에서 유전자 또는 부호화되지 않은 부위의 일부는 헬리트론에서 발생하는 ds DNA 균열의 수리 중에 우연히 템플릿 역할을 할 수 있다.^[7] 헬리트론이 매우 중요한 진화 도구라는 것이 입증되었음에도 불구하고, 그들의 전환 메커니즘에 대한 구체적인 세부 사항은 아직 정의되지 않았다.^{[citation needed]}

헬리트론을 이용한 진화의 한 예는 옥수수에서 흔히 발견되는 다양성이다. maize에 헬리트론은 전이성 원소를 사용함으로써 유전적, 비위생적 영역의 지속적인 변화를 유발하여 서로 다른 maize 라인 사이에 다양성을 유도한다.^{[citation needed]}

장단기 반복(LTR) 역트랜스포존스

장단기 반복(LTR) 역트랜스포존은 Exon Shuffling이 일어나는 또 다른 메커니즘의 일부다. 이들은 대개 두 개의 개방형 판독 프레임(ORF)을 인코딩한다. 최초의 ORF라는 이름의 개그는 바이러스성 구조 단백질과 관련이 있다. The second ORF named pol is a polyprotein composed of an aspartic protease (AP)which cleaves the polyprotein, an Rnase H (RH) which splits the DNR-RNA hybrid, a reverse transcriptase (RT) which produces a cDNA copy of the transposons RNA and a DDE integrase which inserts cDNA into the host's genome. 또한 LTR 역트랜스폰은 5개의 하위 패밀리로 분류된다. Ty1/코피아, Ty3/집시, Bel/Pao, 레트로바이러스와 내생성 레트로바이러스가 있다.^[8]

LTR 역트랜스폰은 그들의 전이 사이클 메커니즘에 RNA 중간이 필요하다. 레트로트랜스폰슨은 레트로바이러스 RT와 관련된 역반사효소를 사용하여 RNA 가닥을 기반으로 cDNA 사본을 합성한다. 그런 다음 cDNA 복사를 새로운 게놈 위치에 삽입하여 레트로겐을 형성한다.^[9] 이 메커니즘은 엑손 셔플링을 통해 쌀과 다른 풀종의 유전자 진화에 중요한 것으로 입증되었다.^{[citation needed]}

TIR(단자 반전 반복측정)이 있는 트랜스폰스

TIR(Terminal invert repeat, Terminal reflection)이 있는 DNA 트랜스포존도 유전자 변이를 일으키는 원인이 될 수 있다. 식물에서는, Pack-TYPE이라고 불리는 몇몇 비자율 원소들이 동원되는 동안 유전자 파편을 포착할 수 있다.^[10] 이 과정은 인접한 Pack-TYPE 트랜스포존 사이에 존재하는 유전 DNA의 획득과 그 이후의 동원에 의해 매개되는 것으로 보인다.^[11]

부정 재조합

마지막으로, 불법 재조합(IR)은 Exon Shuffling이 발생하는 또 다른 메커니즘이다. IR은 짧은 동질 시퀀스 또는 비동질 시퀀스 간의 재결합이다.^[12]

IR에는 두 가지 등급이 있다: 첫 번째 등급은 DNA를 자르고 결합하는 효소의 오류에 해당한다(즉, DNAS). 이 과정은 DNA 합성을 위한 프라이머 생성을 돕는 복제 단백질에 의해 시작된다. 한 DNA 가닥이 합성되는 동안 다른 DNA 가닥은 대체되고 있다. 이 과정은 이동된 가닥이 동일한 복제 단백질에 의해 그 끝과 결합될 때 끝난다. IR의 두 번째 등급은 앞에서 언급한 효소에 의해 인식되지 않는 짧은 동음이의 시퀀스의 재조합에 해당한다. 그러나 그것들은 반복 사이에 절단을 도입하는 비특정 효소에 의해 인식될 수 있다. 그리고 나서 그 끝은 반복을 드러내기 위해 엑소누클레이즈에 의해 제거된다. 그리고 나서 반복적인 안네알과 결과 분자는 중합효소와 리게아제를 사용하여 수리된다.^[13]

참고 항목

• 드 노보 유전자 탄생
• 유전자 융합
• 유전자중복제
• 게놈 진화
• 수평유전자전달
• 이동유전자원소

참조