[유전학] 7.2 : lac operon (젖당 오페론) - 2

 

이번 포스트에서는 저번 포스트에 이어 젖당 오페론에 대해 본격적으로 알아보자.

 

 

operon은 일종의 세균에서의 유전자 발현 단위로, operon 내부에는 같이 regulation되고 같이 expression되는 gene group들이 다 포함되어 있음. 이 때 gene group 내의 여러 gene들은 한 번에 전사되며 보통 같은 반응에 관여된 gene들이 모여있는 경우가 많음. (이러한 특징을 polycistronic하다고 함) 이러한 operon은 일반적으로 원핵생물에서만 관찰됨.

 

 

 

위 그림은 lac operon의 구조를 보여주고 있음. 이 때 앞쪽에 존재하는 lacI는 repressor gene이며, 이 부분은 항상 발현되고 그 결과 lac repressor도 항상 존재하고 있음. (이 때 lac repressor는 4개의 polypeptide가 모여서 1개의 unit을 이룬 채로 작용함)

 

한편 lacI의 앞쪽에는 promoter와 operator가 모여 만들어진 regulatory region이 존재함. 그 뒤쪽에는 lacZ, lacY, lacA가 연속적으로 존재하고 있는 structural gene part가 존재함.

 

 

 

실제로 lac operon으로부터 gene들이 합성된다면, 위와 같이 하나의 operon unit으로부터 lacZ, lacY, lacA가 다 포함된 polycistronic한 mRNA가 만들어지게 되고, 이후 이 mRNA로부터 3가지의 서로 다른 종류의 protein이 다 합성되어 나오게 됨.

 

 

이제 lac operon에 의한 gene regulation 과정, 그리고 이와 관련된 각종 mutant에서의 상황에 대해 알아보자.

 

우선 위 그림에 나와있는 것은 일반적인 lac operon의 구조이므로 다시한번 참고하자.

 

 

 

그림 (b)에는 wild type(야생형) 상황에서 lactose가 없는 경우에 일어나는 일이 표현되어 있음. 보면 이 경우 repressor가 발현되어서 operator에 붙고, 이러한 결합에 의해 RNA polymerase의 진행이 막힌 결과 structural gene들의 발현이 이루어지지 않게 됨. (즉, 이 상황에서는 lacZ, lacY, lacA의 발현이 repression됨)

 

 

 

다음으로 (c)에는 wild type 상황에서 lactose가 있는 경우가 나타나 있음. 보면 이 경우 repressor가 발현되지만 repressor의 allosteric site(알로스테릭 자리, 즉 효소활성부위와 다른 부분)에 lactose가 결합하고, 그 결과 conformational change(단백질 전반에 걸친 구조 변화)가 유발되게 됨. 그럴 시 결국 repressor는 operator에 붙지 못하게 되고 그 결과 structural gene들이 발현되게 됨. (즉, 이 상황에서는 lacZ, lacY, lacA의 발현이 induction됨)

 

 

 

 

다음으로 (a)에는 lacI- mutant에서의 상황이 나타나 있음. 이 경우 mutation에 의해 repressor의 operator-binding region이 변형되고, 그 결과 repressor가 어떤 상황에서도 operator에 붙지 못함. 그럴 시 lactose의 존재 여부와 관계없이 structural gene들이 항상 induction됨. (constitutive mutant)

 

 

 

다음으로 (b)에는 lacOc mutant가 나타나 있음. 이 경우 operator 서열에 mutation이 일어나서 operator sequence에 repressor가 붙지 못하게 됨. 이럴시에도 lactose의 존재 유무와 관계없이 gene들이 다 발현되게 됨. (constitutive mutant)

 

 

참고로 mutant를 표시할 때 A+, A-와 같은 +/-표시법은 protein을 잘 만들고 못만들고의 차이를 의미하며 O+, Oc와 같은 +/c표시법은 operator 서열 그 자체의 차이를 의미함.

 

 

 

그 밖에, plasmid와 관련된 F factor도 중요한 요소임. 실제로 F+일 경우 plasmid를 다른 cell에 줄 수 있으며, F-일 경우 plasmid를 다른 cell로부터 받을 수 있는 녀석에 해당함.

 

 

 

위 표는 각종 genotype(유전형)에 따라서 lac operon의 발현 유무가 어떻게 달라지는지를 나타내 보여주고 있음.

 

 

특히 이 때 F'I+와 같은 표현법이 등장하는데, 이는 plasmid로부터 I+를 받는다는 의미임. 따라서 B의 첫번째는 I- mutant에게 I+를 전달시킨 것을 의미함. 이 경우 lactose가 있을 때는 lac operon이 발현되고, lactose가 없을 때는 lac operon이 발현되지 않음. (즉, lac operon의 정상 기능이 회복됨)

 

그러나 그 아래를 보면 plasmid로 O- mutant에 O+를 전달시킬 경우에는 넣어준 operator가 정상이더라도 실제 operon에 붙어있는 operator 서열이 비정상이므로 효과가 없음. (이는 operator가 cis-acting factor여서 발생하는 결과임)

 

그리고 D를 보면 IS가 나오는데, IS는 repressor의 lactose 결합 부위를 망가뜨린 mutant에 해당. 이 mutant의 경우 repressor가 어떤 상황에서든 operator에 붙게 되고, 그 결과 lac operon이 계속 발현되지 않음.

 

 

 

실제로 위 그림은 IS mutant에서의 상황을 나타내주고 있으므로 참고할 것.

 

 

이처럼 repressor의 on/off에 의한 transcription control 방식을 negative control이라 함. (repression의 on/off로 발현 여부가 결정되므로 negative인 것)

 

 

 

이제 repressor와 operator 외에 또 다른 trans/cis-acting factor에 대해 알아보자.

 

 

 

만약 glucose와 lactose가 모두 존재한다면, 위와 같은 기작에 의해서 lac operon의 gene들이 발현되지 않음.

 

 

glucose의 농도가 낮을 때는 adenylate cyclase에 의해서 ATP가 cAMP로 바뀜. 한편 glucose의 농도가 높을 때는 glucose가 adenylate cyclase를 억제해서 그 결과 ATP가 cAMP로 바뀌지 못함.

 

 

이를 바탕으로 이제 glucose 농도에 따라 어떤 상황이 발생하는지에 대해 이해해보자.

 

 

 

 

우선 glucose의 양이 많을 경우, catabolite-activating protein(CAP)이라는 녀석이 cAMP와 결합하지 못하고, 그 결과 inactive한 상태로 존재함. (이 때 CAP은 activator이자 trans-acting factor임) 그 결과 RNA polymerase가 붙는 promoter 부위 왼쪽에 있는 CAP-binding site에 CAP이 붙지 못하고, 그 결과 전사 제대로 activation되지 못하게 됨.

 

 

다음으로 glucose의 양이 적을때를 생각해보자. 이 때는 CAP이 cAMP와 결합할 수 있고 그 결과 CAP이 activation됨. 그럴 시 CAP-binding site에 CAP이 붙어서 RNA polymerase를 밀어주는 역할을 하게 됨. (참고로 CAP-binding site는 cis-acting factor의 일종이며 이 영역은 그냥 promoter에 포함되어 있음)

 

 

이렇듯 CAP과 같은 activator에 의해 transcription이 조절되는 것을 positive control이라 함.

 

 

 

다음 포스트에서는 trp operon(트립토판 오페론)에 대해 자세히 알아보도록 하자.