[유전학] 7.2 : lac operon (젖당 오페론) - 1

 

 

이번 포스트에서는 세균에서 흔히 관찰되는 오페론 중에서도 특히나 많은 연구가 이루어진 lac operon(젖당 오페론)의 발견 과정에서 수행된 역사적인 실험들에 대해 알아보자.

 

 

 

위 그림에는 배양되고 있는 E. coli(대장균)의 모습이 나타나 있음. 참고로 E. coli는 colony(콜로니) 크기가 특정 수준 이상으로 커지지 못하고 위 그림 오른쪽과 같은 상태로 남아있는데, 이는 한 colony 내에서 쓸 수 있는 양분을 다 써버렸기 때문임.

 

 

일반적으로 E. coli는 glucose(포도당)를 제일 좋아함. 따라서 glucose를 만드는 효소는 E. coli 내에 항상 발현되고 있음. 그런데, glucose가 부족한 환경에 처하게 되면 E. coli는 lactose(젖당)를 양분으로 사용하게 됨.

 

 

 

 

 

이 때 lactose를 사용하기 위해서는 위와 같이 lactose를 galactose와 glucose로 깨주는 beta-galactosidase라는 효소가 필요함. 이 때 이 효소를 encoding하는 gene이 바로 lacZ gene임. 그런데 당연히 lacZ gene은 계속 발현되고 있지는 않고 lactose만 공급되는 환경하에서만 발현되게 됨.

 

 

 

위 그림은 E. coli 내에서 lactose가 대사되는 과정을 간략히 나타내주고 있음. 보면 우선 lactose가 세포 막에 있는 galactoside permease에 의해 투과되어 세포 내로 들어오고, 이후 이 녀석이 beta-galactosidase에 의해 glucose와 galactose로 분해되게 됨. 따라서 lactose만 주어지는 환경에서는 galactoside permease와 beta-galactosidase의 발현이 필요한 반면, 나머지 상황에서는 이 녀석들이 발현되지 않고 있는 것이 더 효율적일 것임.

 

 

 

위 그래프에도 표현되어 있는 것처럼 일반적으로 glucose의 농도가 높을 때는 lacZ gene의 expression이 억제되고 있음. 한편 lactose의 농도는 높으며 glucose의 농도가 낮을 때는 lacZ gene의 expression이 촉진되고 있음. (이 때 lactose가 일종의 inducer(촉진자)로 작용하는 것)

 

 

 

그렇다면 어떻게 이러한 조절이 일어날 수 있는것일까. 이와 관련해 가장 먼저 수행된 역사적인 실험이 바로 Lederberg의 실험임. (Lederberg는 이 실험을 바탕으로 1958년에 노벨상을 수상함)

 

 

 

 

우선 Lederberg는 각종 mutant를 만든 후 각 mutant를 glucose만 존재하는 배지에서 배양함. 그리고 일단 이 배지하에서 생존하는 녀석들을 택함. (여기서 죽는다면 lethal mutation, 혹은 glucose 분해와 관련되어 있는 gene에 mutation이 일어난 것이므로 이들을 제외시키기 위해 glucose 선별을 하는 것)

 

이후 위 그림에도 나타나 있듯이 헝겊으로 replica(복제)를 뜬 뒤 같은 colony를 lactose만 존재하는 배지에서 배양한 후 glucose 배지와 비교해서 죽은 colony들을 선택함. 이 때 선택된 colony는 lactose 대사와 관련된 gene에 mutation이 일어난 녀석들일 것임. (glucose가 있는 배지에서는 살아남았지만 lactose가 있는 배지에서 죽었으므로 lactose 대사와 관련한 돌연변이가 발생했을 것이라 결론지을 수 있음) 

 

 

 

이렇게 해서 골라낸 mutant가 바로 lacZ-, lacY-, lacA- mutant들임. 이 중 실제로 lacZ gene은 beta-galactosidase를 encoding하는 gene이고, lacY gene은 galactoside permease를 encoding하는 gene이며, lacA gene은 galactoside transacetylase를 encoding하는 gene이라는것이 이후 밝혀짐.

 

 

 

실제로 이런 발견을 공로로 관련 연구를 수행한 과학자들에게 노벨상이 주어짐.

 

 

 

이 실험을 통해 lactose가 glucose로 깨지는 과정, 그리고 각 과정에서 필요한 효소들, 효소들을 encoding하고 있는 gene에 대한 정체가 밝혀짐. 그러나 이러한 발견은 glucose가 없을 때 일어나는 gene regulation의 구체적인 메커니즘을 설명해주기에는 부족했음.

 

 

 

그러던 중 Jacob와 Monod는 glucose가 있어도 lacZ가 발현되는 mutant를 screening함. 원래대로라면 glucose가 없을 때만 lacZ가 발현되어야 하므로, glucose가 있을 때도 lacZ가 발현되는 돌연변이를 찾을 시 glucose 유무에 따른 lacZ 발현 여부를 결정하는 조절 인자의 정체를 밝혀낼 수 있을 것임.

 

 

 

 

이를 위해 이들은 위 그림에 나타나 있는 것처럼 X-gal을 이용함. X-gal이란 beta-galactosidase에 의해 잘려 푸른색의 물질로 변할 수 있는 물질임. 따라서 glucose 배지에서 배양된 colony 중 푸른색으로 변하는 녀석을 찾아 분석할 시 glucose가 있는 상황에서도 lacZ가 발현되어버리는 mutant를 찾을 수 있음. 

 

 

그리고 이들은 또 IPTG(Isopropyl-\beta-D-thiogalactoside)를 이용함. 이 때 IPTG란 위 그림 오른쪽에도 나와있는 것처럼 lactose analog(lactose 유사체)로,  IPTG를 넣어줄 시 lactose가 없어도 lacZ가 발현되게끔 할 수 있음.

 

 

이런 방식으로 이들은 lacI-, lacOc mutant를 찾아냄. 이 중 원래 lacI는 repressor gene을 encoding하고 있었으며 lacO는 원래 repressor, 혹은 activator가 붙는 서열에 해당하는 DNA 서열로 operator(오퍼레이터)로 불리는 부분임.

 

참고로 이 때 repressor와 같이 protein으로 발현된 채로 특정 gene의 발현에 광범위하고 mobile하게 영향을 미치는 녀석을 trans-acting factor라고 하고 operator와 같이 DNA 서열 자체가 발현에 영향을 끼지며 immobile하게 작용하는 녀석을 cis-acting factor라고 함. 실제로 gene expression regulation 과정을 밝혀내는데 있어서 trans/cis-acting factor를 찾는 것은 매우 중요함.

 

 

 

다음 포스트에서는 본격적으로 lac operon의 구조와 조절 기작에 대해 알아보도록 하자.