[생화학개론]원핵생물의 유전자 발현 조절 4부

원핵생물에 존재하는 오페론 - 2

(2) Trp-operon에 의한 발현조절기작

chorismic acid로부터 트립토판을 합성하는데 관여하는 5개의 효소들을 코드하는 유전자 군이다. 이 오페론은 trpR 유전자가 코드하는 억제인자에 의해 억제되는데 이 억제인자는 자체적으로 작동부위를 인지하지 못하고 트립토판과 결합하였을 때에만 활성을 나타낸다. 즉 트립토 판은 보조억제인자로 작용한다.

Tryptophan은 세균의 성장에 필수적이며 tryptophan을 함유하는 모든 단백질을 합성하는데 필요하므로 tryptophan의 공급이 부족하면 세포는 이것을 합성해야 한다. Tryptophan 생합성은 합성과정을 촉매하는 효소의 합성과 효소의 활성 양쪽에 모두 영향을 주는 기구에 의해 조절된다. 예를 들면 합성과정의 첫 단계를 촉매하는 anthranilate synthetase는 trp operon의 전사적 조절(transcriptional regulation)에 의해서도 조절되고 tryptophan에 의한 feedback 저해에 의해서 효소의 활성도 조절된다. Lac operon은 유도성(inducible)이지만 trp operon은 corepressor에 의해 억제되는 억제성(repressible)이다.

Trp operon의 구조는 tryptophan 생합성에 필요한 효소 단백질을 code하는 구조유전자와 promoter 및 operator로 구성되어 있으며 promoter에 trp R 유전자의 생성물인 repressor 결합부위가 있다.(아래 그림 참조)

대장균 trp operon의 구조

Trp repressor는 100개의 아미노산으로 된 subunit 4개로 구성된 tetramer로 되어 있고 평상시에는 한 세포에 20분자 정도 존재하며 repressor(aporepressor) 단독으로는 operator에 결합할 수 없고 corepressor인 tryptophan과 복합체를 형성하면 활성 repressor가 되어 operator에 결합할 수 있게 되고 이렇게 되면 전사가 일어나지 않는다. Trp repressor는 자신의 유전자인 trp R 유전자의 전사를 조절한다. 즉 trp repressor가 세포내에 축적되면 tryptophan-repressor 복합체를 형성하게 되고 이것은 trp R 유전자 앞에 결합하여 자신의 전사를 조절함으로써 세포내의 repressor 양을 적절하게 유지시킨다. 또한 trp operon은 trp D 유전자를 code하는 염기배열내에 또 하나의 전사 조절요소인 trp P2라는 제2의 promoter를 가지고 있으나 이것이 필요한 이유는 분명하지 않다.

또한 Trp operon에는 lac operon에 없는 전자감쇠(attenuator) 부위라는 조절인자가 있다.(아래 그림 참조) trp mRNA의 5'-말단쪽 trp E 유전부호 앞에 162개의 염기로 된 선도배열(leader sequence)이 있으며, 이 선도배열 내에는 전사 종료(termination)를 조절하는 부위, 즉 attenuator가 있다. 그래서 또 다른 전사 조절 메커니즘이 존재한다. 그래서 attenuator 조절은 전사도중에 중지되거나 또는 전사의 효율이 현저하게 떨어지는 현상을 말한다. 트립토판의 존재량에 따라 다른 조절기작을 나타내는데 트립토판이 충분할 때에는 전사가 감쇠인자가 있는 부위까지만 진행된다. Attenuator는 정상적인 전사 정지신호(stop signal)와 같이 G-C가 풍부한 영역에 이어서 A-T가 풍부한 영역이 있어서 mRNA로 전사되었을 때 자루와 고리(stem and loop) 형태(configuration)의 구조를 나타낸다.(아래 그림 참조)

§ Leader sequence (Leader peptide) 세포막 내 혹은 세포막 밖으로 수송되는 단백질은 일반적으로 세포막의 trans side에서 signal peptidase에 의해 잘려지게 되는 N-terminal sequence를 가지고 있다. 이 특정 N-terminal sequence를 signal sequence(peptide), 혹은 leader sequence(peptide)라 부른다. ∴ 역 할 1. 단백질이 cytosolic chaperone인 SecB와 결합을 하게하여 분비 단백질 의 folding을 방해한다. 2. 세포막을 통한 전달기구에 작용하여 이를 활성화시키는 역할을 한다. 만약 signal sequence를 제거하면 수송 효율이 현저히 줄어든다.

Trp operon attenuator의 구조

반면에 트립토판이 불충분할 때에는 전사가 감쇠인자부위를 지나 trpE, D, C, B, A유전자 부위까지 진행된다. 이러한 특이한 기작은 trp오페론 이외에 루신 오페론, 히스티딘 오페론 등의 아미노산 합성 오페론들에서도 발견된다.

감쇠인자는 작동유전자와 첫번째 구조유전자 사이인 115번 염기부터 141번 염기사이에 위치하고 있다. 따라서 이 감쇠인자를 포함하는 선도 염기배열로부터 선도 전사체가 형성된다. 선도전사체로부터 14개의 아미노산으로 구성된 선도 펩티드가 생성되는데 이 중 4개의 특징적인 부위가 존재하며 이들 염기는 상보적 결합에 의해 stem-loop구조가 형성된다. 선도 펩티드내에는 인접한 2개의 트립토판 코돈이 존재한다. 트립토판이 다량 존재시에는 전사가 종결된다. (stem-loop구조에 의해) 트립토판이 충분히 존재하지 않으면 stem-loop구조가 형성되지 않아 전사가 계속 일어난다. 전사가 계속 진행되면 전체 trp오페론의 전사와 번역이 일어나며 트립토판의 합성도 증가한다. 이러한 작용은 대장균 세포에서 다른 아미노산의 고갈 시에도 트립토판의 생합성이 필요하다는 것을 의미하며 아미노산의 생성은 대장균 세포내에서 서로 연관되어 높은 효율성을 가지며 조절됨을 알 수 있다.

Attenuation이 일어나기 위해서는 전사와 번역이 동시에 일어나야 한다. Attenuator가 기능을 나타내기 위해서는 선도배열의 번역과 선도 peptide의 14개 아미노산 중 10, 11번째에 tryptophan이 위치하는 것은 매우 중요한 의미를 가진다.

Tryptophan leader는 염기가 짝짓기를 할 수 있는 4개의 segments를 갖고 있으며 그림 ⒜는 유리된 mRNA의 2차구조를 표시한 것으로 segment 1과 2 그리고 segment 3과 4가 염기쌍을 이루어 수소결합을 하고 있다. 이와 같은 선도배열의 2차구조는 선도배열내의 리보좀의 위치에 의해 변형된다. 세포내에 tryptophan이 부족하면 trp-tRNA도 부족하여 리보좀이 tryptophan 유전부호를 번역할 수 없게 되어 RNA 선도배열에 있는 trp 유전부호에서 리보좀이 멈추게 되므로 segment 1과 2 사이의 수소결합은 떨어지고 2와 3 사이에 새로운 염기결합이 형성되면 segment 3과 4 사이의 염기쌍에 의해 형성된 전사종료신호(transcription termination signal) 구조가 제거되어 전사는 계속될 수 있다.(그림 ⒝ 참조)

Trp operon의 attenuation 기구

그러나 tryptophan이 부족하지 않으면 리보좀이 tryptophan 유전부호를 지나가게 되므로 segment 2와 3 사이의 수소결합은 떨어지고 3과 4 사이에 염기 짝짓기가 형성되면 RNA polymerase는 이것을 종료신호로 인식하게 되므로 전사가 종료된다.(그림 ⒞ 참조) 따라서 세포내에 tryptophan이 부족하지 않으면 앞쪽 130 nucleotide로 된 mRNA가 만들어지고 tryptophan이 부족하면 7,000 nucleotide로 된 mRNA가 만들어진다. 이러한 attenuation은 trp operon 이외에도 histidine operon, phenylalanine operon, threonine operon에서도 발견되었으며 특히 histidine operon에서는 전사가 모두 attenuation에 의해서 조절된다.

 

☞ 오퍼레이터 스위치를 켜고 꺼는 것을 결정하는 것은 무엇인가? • 오른쪽 그림은 락토오즈가 없는 환경에서 전사가 일어나지 않는 상태의 Lac operon을 보여주고 있다. • Repressor라고하는억제자단백질이 operator에 붙어서 RNA 중합효소가 프로모터에 붙는 것을 방해하므로 전사는 일어나지 않는다. • repressor를 암호하하고 있는 조절유전자(reguratory gene)는 오페론밖에 위치하고 있으며, 항상 발현되어 억제자를 제공한다.

 

☞ 억제자가 항상 존재한다면 어떻게 오페론이 전사될 수 있는가? • 락토오즈가 억제자와 결합하여 억제자의 모양을 변화시켜 억제자가 프로모터에 붙는 것을 방해한다. 즉 억제자의 형태가 변형되면 오퍼레이터에 결합할 수 없고, 오퍼레이터 스위치는 켜지게 된다. 그러면 RNA중합효소가 프로모터에 결합하게 되고, 오페론 내의 유전자를 전사하여 mRNA를 합성한다. • mRNA는 락토오즈 이용에 필요한 효소 세 가지를 모두 가지고 있으며, 세 가지 효소 모두를 합성하게 한다.

§ 요점 정리 1) 프로모터 내부에 유전자 조절단백질이 인식할 수 있는 15개 정도의 뉴클레오티드로 구성된 짧은 DNA 염기 서열이 위치하는데 이를 작동자(operator)라고 한다. 2) 작동자에 단백질이 결합하면 RNA 중합효소는 프로모터를 인지할 수 없으므로 오페론 전사가 중지되어 트립토판 생합성에 관련된 효소는 합성되지 못한다. 이러한 유전자 조절단백질을 트립토판 억제인자(repressor)라 하며, 몇 분자의 트립토판과 결합한 후에만 작동자에 결합할 수 있다. 3) 트립토판 억제인자는 트립토판이 결합하면 단백질 3차 구조에 변화를 일으켜 작동자 DNA를 인지하는 알로스테릭 단백질이다. 4) 세포내 트립토판 농도가 낮아지면 억제인자는 더 이상 트립토판과 결합할 수 없게 되며, 이에 따라 DNA와도 더 이상 결합하지 못한다. 그 결과 트립토판 오페론은 전사억제에서 풀려 트립토판 생합성효소를 다시 생산하게 된다. 5) 억제인자는 효소가 촉매하는 대사과정의 마지막 산물의 세포내 농도에 따라 생합성효소의 발현을 조절하는 간단한 도구로 작용한다. 6) 트립토판 억제인자는 항상 세포내에 존재하므로 박테리아는 트립토판 농도증가를 빠르게 감지할 수 있다. 낮은 수준의 지속적인 유전자전사에 의해 억제인자 단백질은 항상 만들어 진다.

(3) Ara Operon

아라비노스를 자일루로스-5-인산으로 전환시키는 3 종류의 효소를 합성하는 오페론. 전화된 x-5-p는 에너지원으로 사용된다. 3종류의 효소는 이성질화효소, 인산화효소, 에피머라제이며 각각 araB, araA, araD 유전자가 코드하고 있다. lac 오페론과의 큰 차이점은 araC에서 생성된 AraC 단백질이 양성활성인자로 작용한다.

araC 유전자는 프로모터C(Pc)에서 전사되어 araC 단백질을 생성하여 아라비노가 없을 때 araC 이량체들이 araO1, araO2, araI1 자리에 결합하고 araO2와 araI1 사이에서 상호작용이 일어나 DNA 상에서 약 190bp의 고리가 형성된다. 이 때문에 araB, A, D의 전사가 일어나지 않는다. 하지만 아라비노가 있은 경우에는 아라비노스가 araC 이량체와 복합체를 형성하고 이 복합체는 araI1, I2와 결합하여 raB, A, D의 전사가 일어날 수 있게 된다. 또한 araO1과 araO2 자리에도 결합하여 고리를 형성하게 되고 이 고리에 의해 araC 유전자의 전사도 증가하게 된다.

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