원핵생물에 존재하는 오페론 - 1

∙ 원핵생물에서 Lac operon은 다양한 오페론 중의 한 종류일 뿐이다. 다른 종류의 오페론도 역시 프로모터와 오퍼레이터 그리고 여러 개의 인접한 유전자를 갖고 있다.

∙ 오퍼레이터의 스위치가 조절되는 방법은 Lac operon과 다를 수도 있다. 아래 그림은 repressor(억제자)에 의해서 조절되는 두 가지 유형의 오페론을 보여주고 있다.

1) Lac operon : repressor에 lactose가 결합하면 repressor는 불활성화된다. 즉 mRNA의 전사가 일어 난다.

2) Trp operon : 트립오페론으로 repressor자체 만으로는 활성이 없으며, repressor에 Trp(트립토판)이 결합하면 활성화되어 mRNA의 전사를 방해한다.

3) activator(활성자)가 DNA에 결합함으로서 오페론을 작동시킨다. 이 단백질은 RNA중합효소를 프로모터에 쉽게 결합하게 한다.

(1) Lac operon : 1961년 Francois Jacob & Jacques Monod

대장균은 사람의 대장에서 영양분을 공급받으며 살고 있다. 사람의 장내부의 환경이 변하면 대장균도 영향을 받게된다. 즉 밥을 계속 먹을 경우 대장균은 밥이 분해된 포도당을 먹고 살게 된다. 그 후 우유만 계속해서 먹으면 대장균은 우유로부터 영양분을 공급받기 위해서 우유속에 풍부한 당인 락토오즈를 섭취하기 위해 필요한 유전자가 발현되어 특정한 효소를 생산한다.

∙ 대장균은 락토오즈(Latose)를 섭취하고 대사 하는데 세 종류 효소를 이용하고 있으며, 이들 효소를 암호화하고 있는 유전자는 하나의 단위로 조절된다.(락토오즈 이용 효소를 암호화하고 있는 세 개의 유전자는 바로 옆에 나란히 위치하고 있다.)

∙ 락토오즈 효소 유전자 그룹의 바로 앞에는 이들을 조절하는 작은 DNA구역이 있는데, 이 일련의 염기서열을 Promoter라고 하며, 여기에 RNA polymerase가 결합해서 mRNA를 전사하게 된다. 이 경우는 세 개의 락토오즈 효소 유전자를 모두 한꺼번에 전사 한다.

∙ 프로모터와 효소 유전사들 사이에는 Operator라고 하는 염기서열이 있어 스위치 역할을 한다. 이 오퍼레이터는 RNA polymerase가 프로모터에 붙어서 유전자를 따라 이동할지를 결정한다.

∙ 서로 연관된 기능을 가진 유전자들이 하나의 프로모터, 하나의 오퍼레이터와 함께 집합되어 있는 유전자군을 Operon이라한다. 오페론은 원핵생물에만 존재한다. 락토오즈를 이용하기 위한 효소를 통합조절하는 기구를 Lac operon이라 한다. 오페론 내의 모든 유전자들은 Operator라고 하는 하나의 스위치에 의하여 동시에 조절되기 때문에, 대장균이 락토오즈를 만났을 때, 이것을 이용하는데 필요한 모든 효소들이 한꺼번에 만들어지게 된다.

젖당 대사에 관여하는 3효소를 코드하는 유전자로 구성되어 있다.

∙ 베타갈락토시다제 : 젖당분해효소<lacZ>, 베타갈락토시드퍼미아제 : 세포내 젖당이동 세포막 단백질<lacY>

∙ 베타갈락토시드스랜스아세틸라제<lacA> : uncertain

대장균의 Lac Operon

1961년 자콥과 모나드에 의해 밝혀진 음성 조절 단백질 조절 오페론으로 lacI에서형성된 360개 아미노산으로 이루어진 억제인자가 이 오페론의 작동부위인 -3 ～ +21 부위에 결합하여 전사를 억제한다. 이 부위는 RNA 중합효소가 결합하는 프로모터와 중복되는 곳이다. 따라서 mRNA의 합성이 억제되는 이유는 RNA 중합효소의 결합이 차단되어 일어난다고 하기 보다는 전사의 시작이 일어나지 않기 때문이라고 해석할 수 있다.

Lactose operon에는 β-galactosidase를 code하는 lac Z, 당이 세포막을 통과하는데 작용하는 permease를 code하는 lac Y, 그리고 acetyl-CoA로부터 β-galactoside transacetylase를 code하는 lac A 등 3개의 구조유전자가 있다.(아래 그림 참조)

Lactose operon의 구조그림

Lactose operon의 3개의 구조유전자는 lac Z 유전자 바로 앞쪽에 있는 promoter로부터 전사가 개시되는데 유도물질이 없으면 거의 전사되지 않지만 lactose와 같은 유도물질이 존재하면 급속히 전사가 증가하여 lac A 바로 뒷쪽에 있는 terminator에서 끝난다. 세균세포에서 mRNA는 반감기가 몇 분정도로 수명이 매우 짧고 대단히 불안정하기 때문에 operon의 발현은 극히 짧은 시간에 변화되는데 유도물질이 없으면 전사는 즉시 중단되고 mRNA는 수분이내에 세포내에서 없어지며 단백질 합성은 중지된다.

Lac I 유전자는 lac 구조유전자의 전사를 조절하는 단백질을 code하는데 이 유전자의 산물을 lac repressor라 한다. Lac I 유전자는 lac Z, Y, A 유전자의 조절부위 앞쪽에 위치하고 있다. Lac I 유전자의 전사는 조절되지 않고 세포의 상태와는 무관하게 자체의 promoter로부터 항상 일정하게 낮은 비율로 전사된다.

Lac repressor는 360개의 아미노산으로 이루어진 monomer로 합성된 다음 회합하여 활성형인 tetramer로 전환된다. Repressor 단백질은 lac P와 lac Z 사이에 존재하는 operator(lac O)라는 특정 염기배열에 강한 친화력을 갖고 있는데 이 염기배열은 promoter 부분과 겹쳐 있기 때문에 operator에 repressor가 결합하면 RNA polymerase가 promoter와 결합하는 것을 방해한다.

Repressor는 또한 lac operon의 유도물질과도 강한 친화력이 있는데 유도물질과 결합하면 allosteric 변화가 일어나 operator와의 친화력이 극도로 감소되므로 repressor는 더 이상 operator에 결합할 수 없게 된다. 또한 유도물질은 이미 operator에 결합되어 있는 repressor와도 결합할 수 있어서 repressor-inducer complex를 형성하면 operator로부터 즉시 분리된다.(아래 그림 참조)

Lactose operator의 염기배열에서 일부분은 palindrome 구조를 가지고 있으며 이 부위를 repressor가 인식하여 결합한다. 그리고 lac operon의 앞부분에 있는 promoter 배열에는 RNA polymerase와 catabolite activator protein(CAP)가 인식하고 결합할 수 있는 부위가 있다. RNA polymerase의 결합부위는 operator 부위와 같은 palindrome 구조는 없으나 CAP 결합부위는 어느 정도 palindrome 구조를 가지고 있다.(아래 그림 참조)

대장균은 배지내에 glucose와 lactose가 같은 양으로 존재하면 glucose만 선택적으로 이용하고 glucose가 고갈되면 비로소 lactose를 이용하므로 glucose는 lactose operon의 유도를 억제하는 효과를 나타내는 결과가 된다. 이러한 효과는 glucose 자체보다는 glucose 대사산물에 의한 영향이기 때문에 catabolite repression이라 하며 arabinose나 galactose operon과 같은 유도성 operon에서도 이런 현상이 나타난다.

CAP 활성자에 의한 lac 오페론의 positive regulation.

Catabolite repression은 정확한 기구는 밝혀져 있지 않으나 glucose가 세포내 cyclic AMP(cAMP)의 농도를 저하시키기 때문에 일어나는 것으로 알려져 있다. CAP라는 allosteric protein이 cAMP와 결합하여 복합체가 되면 lac promoter 부근에 있는 CAP 결합부위에 결합할 수 있게 된다. CRP(cAMP receptor protein)는 유전자의 promoter에 있는 specific target site에 결합해서 생명체에 있는 많은 유전자의 전사개시를 조절하는 유전자 개시 단백질이다.

CAP-cAMP 복합체가 CAP 결합부위에 결합하면 RNA polymerase가 promoter에 결합하는 것을 촉진하여 전사가 일어나게 한다. 한편 glucose가 존재하면 cAMP 농도가 낮아져서 CAP-cAMP 복합체를 형성하지 못하게 되고 CAP 결합부위에 CAP-cAMP 복합체가 없으면 RNA polymerase가 promoter를 인식할 수 없어 전사가 일어나지 않게 된다.