[분자생물학] 7.1 : lac operon(젖당 오페론) - 2

 

 

이번 포스트에서는 lac operon의 발견 과정에서 활발히 이루어진 mutant 연구들에 대해 조금 더 알아보도록 하자.

 

 

 

constitutive mutant(inducer가 없이도 늘 gene이 turn-on)나 각종 merodiploid(or partial diploid) mutant(한 가닥은 정상, 나머지 한 가닥은 mutant)의 표현형을 관찰하는 것이 operon 발견까지의 주요 실험기법이라 할 수 있음. (더불어 merodiploid를 사용할 경우 특정 mutation이 dominant(우성)한지 recessive(열성)한지를 알 수 있음)

 

한편 여기서 중요한 개념이 등장하는데, 바로 trans-acting gene과 cis-acting gene임. trans-acting gene의 경우 만들어지는 단백질 산물이 다양하게 이동할 수 있어서 다른 allele의 유전자 발현에 영향을 미치기도 하고 심지어 핵 밖으로 빠져나갈 수도 있음. cis-acting gene의 경우 이동이 자유롭지 않다 보니 자신이 속해있는 한 종류의 operon의 발현에만 영향을 미칠 수 있음. 그러다 보니 cis-acting factor는 대체로 DNA 상태인 경우가 많음.

 

 

지금부터 merodiploid mutant 중 operon의 정체를 밝히는 데 핵심적이었던 녀석들에 대해 살펴보자.

 

 

 

위 그림에서는 merodiploid I^- mutant가 나타나 있음. 이 때 I- gene의 경우 repressor를 생산해내지 못함. 그러나 이 경우 merodiploid이므로 두 allele 중 한 가닥은 정상적인 I+ gene을 가지고 있어 repressor를 만들어낼 수 있음. 이 때 repressor는 trans-acting factor이므로 이 녀석이 두 allele에 모두 작용할 수 있어서 결과적으로 두 allele의 operator 모두에 repressor가 붙게 되므로 결국 lactose 결핍 조건에서 lac product가 전혀 만들어지지 않게 됨. 이 결과를 통해 I- mutation은 recessive하다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

다음으로 merodiploid Oc mutant에 대해 살펴보자. 이 때 돌연변이가 생긴 Oc 부위에는 repressor가 결합할 수 없음. 이 경우 일단 lacI는 정상적으로 발현되므로 repressor는 잘 생산될 것임. 그런데 repressor가 O+에는 붙을 수 있지만 Oc에는 붙지 못하게 되고, 그 결과 Oc가 있는 allele에서는 lactose가 없을 때도 lac product가 만들어지게 됨. 따라서 이 때 Oc mutation은 cis-dominant하다는 것을 알 수 있음. (cis dominant의 의미는 mutation이 일어난 allele과 동일한 곳에 대해 dominant하게 영향을 미친다는 뜻임)

 

 

 

다음으로 merodiploid IS mutant에 대해 알아보자. 이 때 IS에 의해서도 repressor가 만들어질 수는 있으나 만들어진 repressor에는 inducer가 붙지 못해 어떤 조건 하에서도 repression만 일어나게끔 되어버림. 한편 repressor는 trans acting factor이므로 allele 이곳저곳에 다 관여할 수 있게 되고, tetramer를 형성하는 과정에서 정상 repressor와 mutant repressor가 위 그림과 같이 섞이게 될 것임. 이 때 mutant repressor가 섞여들어가게 되면 아무리 정상 repressor가 inducer에 의해 conformational change를 하더라도 결국 mutant repressor에 의해 tetramer가 operator에 계속 붙어있게 될 것임. 그 결과 두 allele 모두에서 lactose 존재 유무에 상관없이 lac product가 생산되지 않을 것임. 따라서 IS mutation은 cis & trans-dominant하다는 것을 알 수 있음. (cis & trans-dominant의 의미는 mutation이 일어난 allele과 동일한 곳 + 다른 allele 모두에 대해 dominant하게 영향을 미친다는 뜻임)

 

 

 

마지막으로 merodiploid I-d mutant에 대해 알아보자. 이 때 I-d에 의해서도 repressor가 만들어질 수는 있으나 만들어진 repressor가 이번에는 아예 operator에 붙지 못함. 이 때도 repressor간의 tetramer 형성 과정에서 정상 repressor와 mutant repressor가 섞여들어가게 될 것이고, 이 때 tetramer 안에 mutant repressor가 하나라도 섞여들어가게 되면 그 repressor는 operator에 결합하지 못하게 됨. 그 결과 두 allele 모두에서 lactose가 없을 때에도 lac product가 만들어짐. 따라서 I-d mutation은 dominant-negative하다는 것을 알 수 있음. (dominant-negative는 mutation이 dominant하게 작동함과 동시에, wildtype의 작동(위 그림상에서는 위쪽 allele로부터 유래한 초록색 repressor의 작동)조차 제대로 일어나지 못하도록 고장내버린다는 의미임) 참고로 dominant-negative mutation은 매우 치명적일 수 있기 때문에 자연 상태에서 자주 발견되지는 않음.

 

 

 

다음 포스트에서는 repressor(억제자)와 operator에 대한 분자생물학적 실험결과들에 대해 알아보자.