제11장 유전자발현의 조절
* 기본적으로 전사와 번역의 두단계를 거쳐 유전자가 발현한다.
* 원핵생물: 전사와 번역이 동시에 일어난다.(전사조절)
* 진핵생물: 전사는 핵에서 번역은 세포질
1절 원핵생물의 유전자발현
1. 유도성 효소의 조절
* 효소생산 배지환경변화에 따라 조절됨(glucose이용하고 lactose는 이용하지 않는다 lactose를
배지에 글루코오스와 갈락토오스로 변화시킨다)
* 유도물질(효소생산유도하는 물질), 유도성효소
(1) 락토오스 오페론의 음성조절
* B-갈락토시다아제(락토오스분해효소), lac Z
* B-galactoside permiase(락토오스를 세포내로이동시킴), lac Y galactoside transacetylase
(아세틸화 시키는 효소), lac A의 3종류의 효소가 관련됨
* Jacob와 Monod는 3유전자를 하나의 발현단위로 보아 오페론(lac operon)
* 비조절성돌연변이체(constitutive mutant): 락토스유무에 관계없이 B-갈락토시다아제를 생산
하는 돌연변이체--->lac operon 발현조절유전자(regulatory gene) lac I(i)로명명
* Z,Y,A-->구조유전자(structural gene)
* lac O; 억제물질의 작용을 받아 구조유전자의 발현을 조절하는 뜻(operator)
1961년 Jacob과 Monod는 오페론설을 제창함.
* 유전자에는 직접 형질발현에 관여하는 구조유전자와 그작용을 조절하는 조절유전자가 존재하며
기능적으로 연관된 구조유전자들은 염색체 상에 나란히 위치하여 오페론을 형성한다. 조절유
전자는 억제 물질을 생산하고 그억제물질은 오페레이터에 특이적으로 결합하여 오페론의 작
용을 억제한다. 세포에 ?도물질을 첨가하면 유도물질은 억제물질과 결합하여 억제물질이 작
용하지 못하도록한다. 따라서 오페론의 유전자가발현된다.
* 조절유전자가 생산하는 억제물질에 의해 전사가 이루어 지지않아서 유전자의 발현이 조절되는
메키니즘을 음성조절(negative control)이라고 한다.
(2) 분자수준에서 오페론의 조절메커니즘
* lac operon I=분자량 39,000인 단백질 생산, 4량체형성, 억제물질로 작용.
* 조절유전자의 프로모터는 RNA중합효소와의 결합력이 아주 약해서 단백질을 조금 밖에 생산
하지 못한다. 실제로 이 단백질은 세포내에 10개 정도 존재하나 이단백질과 오퍼레이터와의
결합력이 매우 강하기 때문에 이정도의 분자수로도 충분히 lac 오페론의 발현을 억제할수있다.
* 오퍼레이터는 약35개의 염기쌍으로 된 DNA영역으로 조절유전자의 일종으로 보며 오퍼레이터
유전자라고 부른다. 그런데 억제물질이 결합하는 오퍼레이터 자리의끝부분은 RNA중합효소가
결합하는 프로모터 자리와 서로 중첩되어있다.
* 오퍼레이터에 억제물질이 결합하면 RNA중합효소가 프로모터에 결합할수없게 되어 구조유전
자의 전사가 억제되므로 효소를 생산하지 못하는 것이다. 락토오스와 같은 유도물질이 있으면
유도물질이 억제물질과 결합하기 때문에 RNA중합효소가 프로모터에 결합하여 전사가 이루
어지므로 효소가 생산된다.
(3) 락토오스 오페론 양성조절
* CAP=catabolite activator protein
* cAMP=cyclic adenosine 3',5'-monophosphate
* RNA중합효소작용을 촉진하여 전사를 조절하는 메카니즘을 양성조절(positive control)
2. 억제성효소의 조절
* 자신의 생성물에 의하여 그생산이 조절되는 효소
(1) 트립토판 오페론의 보조억제물질에 의한 조절
* 조절유전자-->억제물질을 주억제물질
* 주억제물질과 결합하여 그 기능을 높이는것 보조억제물질
(2) 트립토판오페론의 전사감쇠 조절
* 전사도중에서 중지되거나 또는 전사의 효율이 현저하게 떨어지는 현상
3. 비조절성 효소
* 세균이 가지고 있는 환경에 적응하여 효소발현을 조절 --> 효소적응(enzyme adaptation)
비조절성효소(constitutive enzyme): 환경에 관게없이 언제나 필요한 효소-->오퍼레이터와
같은 조절유전자는 필요하지않다.
4. 유전자발현의 총괄조절
* 세균배양시 환경스트레스가 있을 때에는 특정한 많은 단백질이 동시에 생산된다.
환경스트레스에 반응하기 위해서 많은 유전자들이 세트로 존재하며 동시에 발현된다.
SOS 수선: DNA손상을 수선하는 세균내 능력
* regulon(레귤론): 단일조절 유전자에 의해 공동으로 조절되는 유전자집단
* SOS regulon의 조절유전자는 Lex A단백질을 생산-->정상적인 DNA에서 DNA수선유전자들의
전사를 억제, DNA가분해되면 DNA의 신호에 의하여 Lex A가 분해되고 SOS regulon의
유전자들은 전사를 시작한다.
* 오페론-->한종류의 대사작용에 관여, 조절되는 한세트의 유전자들로 연관되어있다.
* 레귤론-->여러개의 유전자 세트로 여러 염색체위에 분산되어있다.
* 스티뮬론(stimulon): 환경스트레스에 반응하여 그 발현이 촉진되는 유전자세트들
이들 같은 조절유전자에 의해 조절되는 유전자세트들이 레귤론
* 총괄조절메카니즘: 스트뮬론과 레귤론의 조절메카니즘
5. 유전자발현의 on-off시스템
* 유전자가 기능을 발휘하거나 중지하는 일련의 조화된 현상
* 유도성효소의 조절에서는 조절유전자가 생산한 억제물질
* 억제성효소의 경우 보조억제물질의 도움이 필요
* 전사감쇠는RNA전사물의 구조변화를 통해서 유전자발현을 ON-OFF하는 조절메커니즘
제2절 진핵생물의 유전자 발현 조절
1. 염색체(유전자)수준의 조절,
* 염색질이 응축된 상태에서는 RNA종합효소가 DNA분자에 결합할수없어서 전사가 이루워지
지않는다.-->응축된 DNA가 풀려야 한다.
(1) 염색체 구성분의 역활
* 히스톤계 단백질--> 염색체의 응축이나 풀림등 일반적인 조절기능에 관여함.(아미노산배열이
비슷함, 생물간에도 차이가없다)
* 비히스톤계 산성 단백질-->유전자조절기능
(2) 염색체구조의 변화와 유전자발현
<1> 진정염색질과 이질염색질(DNA에 결합하는 염기성 히스톤단백질의 종류와 양에 차이가있다)
* 진정염색질(euchromatin): 염기성 색소로 염색하면 다소 연하게 염색, 활성화된 유전자
* 이질염색질(heterochromatin): 진하게 염색이되며 뷸활성화 된 유전자가 포함, 이상응축된상태
<2> 솔염색체와 퍼프
* 양서류의 난세포전사시에 lampbrush chromosome(램프솔모양)의 수많은 루프
* 루프부분은 깃털모양의 RNA가 넓게분포(RNA합성이 효율적으로 이루워지도록 최대한의 노
출면적을 이룬다)
* 초파리의 침염색체의 염색체의 일부분만이 마디 처럼 돌출되는 경우가 있것을 Puff라하고 이
곳에서 활발한 전사가 이루워 진다.
<3> 유전자증폭에 의한 조절
* 양서류의 체세포 염색체에는 rRNA를 만드는 유전자가 900여개가 중복되어 있으나 이것으로는
난세포에 필요한 rRNA를 충분히 공급할 수 없다. 따라서 난세포는 rRNA 유전자를 대량으로
복제하여 인에 저장해놓고 배발생에 필요한 rRNA유전자를 대량으로 생산하는것을 유전자증
폭이라고한다.
* 양서류의 경우 900개가 2,000배 이상 증폭이 되어 200만개, 인의 수도 2개에서 1,000개이상으로증폭
<4> 유전자재배치에 의한 조절
* 진핵세포에서 미생물등의 침입을 방어하는 항체는 면역글로블린단백질로 되어 있으며, 동일한
유전자로 부터 유전자 재배열과정을 통해 여러가지 항원에 대해 특이성을 가진 항체단백질을
만들어 낸다.
2. 전사과정의 조절
<1> 인핸서
* 프로모터의 활성을 촉진하는 요소로서 인헨서가 있으며 이것은 프로모터의 앞뒤로 이동할수
있다. 염기서열이 활성을 조절, 특이적 단백질이 결합하며 조직특이성이있다.
<2> 호르몬에 의한 전사조절
* 각종호르몬은 보통 표적세포(target cell)에만 선택적으로 작용하여 특정한 물질의 합성을 조절.
* 초파리 유충에 곤충의 탈피호르몬인 엑디손을 처리하면 퍼프의 위치가 변화되고 이홀몬을 제
거하면 퍼프가 원상태로 되올아 간다--> 유전자 활성이 홀몬에 의해 조절되는 증거
3. 전사후 조절
(1) 스를라이싱에 의한 조절
* 진핵세포의 유전자는 엑숀과 인트론으로 구성 되어있는데 RNA전구체(전사물)은 스플라싱을
거쳐서 인트론이 제거 되고 액숀만 연결되어 기능이 있는 한 분자의 RNA가 된다.
* 스프라싱을 행하는효소는 RNA전구체에 있는 인트론의 5'쪽 GU에서 시작하여 3'쪽 AG로 끝남
(2) 번역조절
* 리보?에서도 조절이 이루워짐.
(3) 번역후 조절
* mRNA의 수명을 조절하기도 한다. mRNA의 수명은 원핵세포에서 몇초에서 몇분정도, 진핵
세포에서는 보통 수시간이다.
* 진핵세포에서는 합성된 단백질에도 여러가지 조절이 가해진다. 소화효소는 합성된 폴리펩티드
가닥의 일부분이 분해효소에 의하여 제거 됨으로써 활성이 있는 효소로 된다.