[유전학] 7.3 : trp operon (트립토판 오페론) - 2 (attenuation)

 

 

이번 포스트에서는 지난 포스트에 이어서 trp operon과 관련된 중요한 조절 기작 중 하나 attenuation 기작에 대해 알아보자.

 

 

trpR에 mutation이 생긴 경우, tryptophan의 존재 여부와는 상관없이 repression이 일어나지 않아야 함. 그러나 실제로는 조금 repression이 일어남. 이는 attenuation에 의한 repression의 결과임.

 

 

 

 

실제로 trp operon의 구조를 살펴보면, regulatory region 뒤쪽, 그리고 trpE 앞쪽 부위에 별도의 서열들이 존재함. 이 서열들이 mRNA로 발현되게 되면, leader peptide(trpL로부터 발현)와 그 뒤의 attenuator region(trpA로부터 발현) 1, 2, 3, 4가 5' UTR 부위에 존재하고 있음.

 

이 때 leader peptide의 앞쪽 부위에는 AUG의 개시코돈이 존재하게 되고 그 결과 이 부분은 먼저 translation되게 됨. 한편 쭉 translation이 되다가 주변에 Trp가 부족한 경우, 빨간색 동그라미로 표시된 부분이 translation되지 않은 채로 ribosome이 정체되어있게 됨.

 

 

 

한편 실제로 2-3부위, 3-4부위는 서로 붙어 hairpin(헤어핀)을 형성할 수 있음. 이 때 2-3이 붙어 만들어진 hairpin은 antiterminator이며 사실상 아무런 역할도 하지 못함. 한편 3-4가 붙어 만들어진 hairpin은 attenuator(terminator)여서 RNA polymerase를 때버리게 되고, 그럴 시 뒤쪽의 trp gene들이 mRNA로 transcription되지 못 것임.

 

 

 

실제로 위 그림에는 2:3 pair의 hairpin, 3:4 pair의 hairpin이 나타나 있으므로 참고하자.

 

 

 

우선 tryptophan이 부족할 때는 어떤 일이 일어나는지 자세히 살펴보자.

 

 

 

이 경우 실제로 위 그림과 같이 ribosome이 leader peptide를 합성하는 도중 Trp-Trp 부분에서 번역이 중지된 상태로 존재함. 그럴 시 1 부위가 ribosome에 의해 잡혀있게 되는 효과가 있어서 2-3 hairpin이 형성되게 되고 이렇게 생성된 2-3 hairpin은 아무 영향을 못 줘서 이후 서열의 transcription도 계속 일어나게 됨. (즉, 뒷부분의 mRNA가 계속 합성되게 됨)

 

 

다음으로 tryptophan이 풍부할 때는 어떤 일이 일어나는지 살펴보자.

 

 

 

이 때는 위 그림과 같이 ribosome이 leader peptide를 빠르게 합성하고 넘어가게 되고, 그 결과 3-4 hairpin이 형성됨. 그러면 이렇게 형성된 3-4 hairpin은 RNA polymerase를 DNA에서 떨어지게 하고 그 결과 trpE, trpD, trpC, trpB, trpA가 mRNA로 transcription되지 않음.

 

 

실제로 이러한 attenuation 기작은 transcription과 translation이 동시에 일어나는 원핵생물이기에 가능한 조절기작임.

 

 

 

 

방금 살펴봤던 3-4 hairpin처럼 특정 gene의 발현을 조절할 수 있는 RNA 구조를 riboswitch라 함. (참고로 riboswitch는 특정 화학물질에 의해 구조 형성이 결정되고 activation되기도 함) riboswitch는 세균 유전체 전체의 5%에 해당하며, 드물게 동물에서도 발견되곤 함.

 

 

방금의 경우 leader sequence 내부에 Trp가 2개 있었으므로 tryptophan이 0개, 1개, 2개의 농도로 있는 상황을 구분할 수 있음. (실제로 Trp가 0개 있을 때보다는 Trp가 1개나마 있을 경우 ribosome이 조금 더 전진하는 것이 가능할 것)

 

 

 

한편 실제로는 위와 같이 anabolic enzyme과 관련된 다른 operon들도 비슷한 attenuation 기작을 가짐. 특히 Phe operon의 경우 leader peptide에 Phe가 7개이므로 8단계의 Phe 농도 구분이 가능하고, His operon은 leader peptide에 His가 7개이므로 이 경우에도 마찬가지로 8단계의 Phe 농도 구분이 가능함.

 

 

 

위 그림에는 일반적인 riboswitch와 관련된 모식도가 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

 

이번 포스트를 끝으로 세균에서의 유전자 발현 조절기작에 대한 파트를 마무리하였음.

 

 

다음 포스트부터는 진핵생물에서의 유전자 발현 조절기작에 대해 자세히 알아보도록 하자.