[생화학개론]원핵생물의 유전자 발현 조절 1부

DNA와 상호작용하는 단백질이 환경의 변화에 반응하여 원핵생물의 유전자 발현을 조절한다 유전자로부터 단백질로 유전정보가 전달되는 과정을 유전자 발현이라 한다.

또한 원핵생물에서 서로 관련된 기능을 가진 효소에 대한 유전자들은 종종 함께 조절되며 이러한 유전자들의 조절단위를 오페론이라 부른다 그래서 조절 단백질들은 환경의 변화에 따라서 DNA의 특정 염기서열에 결합하여 오페론을 작동하거나 중지 시킨다

 

세균의 오페론

대장균은 약 400만개의 DNA 염기쌍으로 이루어진 고리모양으로 된 염색체를 가지고 있다. 이 염색체 상에 유전자들이 아무렇게나 흩어져 있는 것이 아니라 특정대사에 관여하는 효소를 만드는 유전자는 한곳에 뭉쳐 있으며 리보좀을 구성하는 단백질처럼 서로 관계되는 구조단백질의 유전자도 서로 연결되어 있다. 

대장균의 트립토판 대사과정에 관여하는 효소를 암호화하는 유전자는 5개이며 염색체 상에서 하나의 유전자 군을 이루어 배열하고 있다. 이 유전자군은 하나의 프로모터로부터 하나의 mRNA 분자로 전사되고, 이로부터 5개의 단백질이 각각 번역된다. 

세균에서는 인토론이 없기 때문에 이렇게 한곳에 모여 있는 일련의 유전자는 일반적으로 공동으로 조절되며 하나의 프로모터(promoter)에 의해여러 개의 단백질을 만드는 polycystronic mRNA로(단일 mRNA, 단백질 형성) 전사되는데 이 조절단위를 operon이라 한다. Operon은 효소나 구성단백질을 code하는 구조유전자(structural gene)와 조절단백질을 code하고 있는 조절유전자(regulatory gene), 그리고 구조유전자 옆의 DNA 상에 존재하는 조절부위(control site)로 이루어져 있다.

오페론의 종류

∙ 유도성 오페론(inducible operon) : 물질이 존재할 때 이 물질의 대사에 관련된 효소들을 생산키 위해 전사가 일어나는 오페론 예) gal(갈락토스 관련), lac(젓당 관련), ara(아리비노스 관련) ∙ 억제성 오페론(repressible operon) : 물질이 존재할 때 이 물질의 생산에 관련된 효소들을 생산시킬 필요가 없어 억제가 일어나는 오페론 예) trp(트립토판이 있는 경우 트립토판 생산에 관련한 효소들을 코드하는 오페론은 억제가 된다.)

오페론을 구성하는 여러 유전자들은 일반적으로 일련의 대사과정에 관여하는 효소들을 코드하며 이는 경제적인 조절 기작이 가능하게 한다. 그래서 Operon은 조절유전자에 의해 조절되며 조절 유전자는 전사, 번역되어 repressor라는 단백질을 만드는데 이 단백질은 operator와 결합하여 RNA polymerase가 promoter site에 결합하지 못하게 하여 전사를 억제한다. 

그러나 어떤 특정물질이 존재하면 operon 구조유전자의 전사가 증가되는데 이를 유도(induction)라 하며 이런 작용을 하는 물질을 유도물질(inducer)이라 한다. 유도물질이 활성 repressor와 결합하여 불활성화시키면 repressor는 operator에 결합할 수 없게 되므로 operon은 억제되지 않아서 전사가 개시된다.

Inducible operons

Repressible operon

이와 반대로 세포내에서 특정한 대사물질의 농도가 증가하면 효소 합성이 중단되는 경우가 있는데 이 현상을 억제(repression)라 하며 이런 효과를 나타내는 물질을 corepressor라 한다. 이러한 현상을 나타내는 operon의 조절유전자에서 생성된 aporepressor는 operator 부위에 결합할 수 없으나 corepressor가 존재하면 활성형의 repressor가 되어 operator 부위에 결합할 수 있게 되어 구조유전자(operon)의 전사가 억제되고 효소는 합성되지 않는다.

오페론의 유전자 발현 조절 기작은 프로머터에 결합하여 전사를 조절하는 조절단백질에 의한다. 조절 단백질은 조절유전자에 의해 암호화되며 조절 인자의 종류는 억제인자(repressor)와 활성인자(activator)가있다.

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