[분자생물학] 7.1 : lac operon(젖당 오페론) - 3

 

이번 포스트에서는 lac operon과 관련된 분자생물학적인 실험결과들에 대해 조금 더 알아보자.

 

 

우리가 지금까지 계속 당연하게 생각해왔던 사실 중 하나가 repressor와 operator가 결합한다는 것임. 그러나 처음에 과학자들은 이 사실을 몰랐었을 것임. 그렇다면 어떤 실험을 통해 repressor-operator의 interaction에 대해 알게 되었을까.

 

 

 

 

위 그림에 나타난 graph는 nitrocellulose filter binding assay의 결과임. 우선 왼쪽 graph부터 살펴보자. (참고로 이 때 IPTG는 인공적으로 합성한 화합물이며 lac operon에서 inducer로 작용할 수 있음) IPTG가 없는 조건에서는 repressor의 농도를 높여줄수록 repressor와 operator간의 결합이 더 많이 일어나게 됨. 한편 IPTG가 있는 조건에서는 IPTG가 inducer로 작용해 repressor와 operator의 결합이 일어나지 않음.

 

 

다음으로 오른쪽 graph를 살펴보자. 이번에는 동일한 실험을 operator의 종류에 따라 수행한 것인데, 이 때 O+, Oc의 saturation graph를 보면 O+가 존재할 때보다 Oc가 존재할 때 repressor와 operator간의 binding affinity가 낮음을 알 수 있음. (기본적으로 graph의 개형을 통해 Oc가 조금 더 완만하게 상승하는 경향이 있으므로 이를 추정할 수 있는데, 이 때 언뜻 보기에는 Oc의 graph가 O+ graph보다 최종적으로 더 많이 올라가는 것처럼 보이지만 이를 크게 신경쓸 필요는 없음. 기본적으로 아직 붉은 graph의 경우 saturation이 일어나지 않았을 가능성이 크기 때문임) 한편 operator가 아예 없는 경우 녹색과 같이 ratioactivity가 filter상에서 거의 검출되지 않는다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

그렇다면 repressor에 의한 repression은 구체적으로 어떤 기작에 의해 일어나는 것일까. 처음에 과학자들은 polymerase와 repressor가 lac promoter에 동시에 binding해 있을 수 있으며 단지 repressor가 붙을 시 polymerase의 전사를 막기만 할 뿐이라고 생각함. (즉, repressor가 polymerase의 promoter 결합 자체를 방해하지는 않는다고 생각함) 이렇게 생각하게 된 이유는 아래와 같은 gel electrophoresis data를 얻었기 때문임.

 

 

 

(LacR은 Lac repressor를 의미함)

 

 

우선 1의 경우 repressor와 IPTG를 둘 다 처리해주지 않았으므로 전사의 결과물에 의한 band가 나타남. 2의 경우 repressor를 처리해주었는데, 이 경우 repressor에 의해 전사가 block되어 band가 나타나지 않음. 이 2번 sample에 heparin을 넣어준 후(heparin은 한 번 떨어진 RNA polymerase를 다시 붙지 못하게 해줌) IPTG(kind of inducer)를 처리해준 것이 3번인데, 이 경우 전사가 다시 일어나 band가 관찰됨. 이 결과를 표면적으로 해석하자면 heparin을 처리했음에도 IPTG 처리 후 전사가 일어났으므로 repressor가 붙어있던 시점(즉 2번 시점)에도 RNA polymerase가 붙어있었다고 생각할 수 있음.

 

 

그러나 이 실험은 근본적으로 in vitro상에서 수행한 실험이며, in vivo에서 일어나는 일과 완전히 동일하다는 보장이 없음.

 

 

 

따라서 조금 더 in vivo스러운 실험이 수행됨.

 

 

 

위 그림에 나타난 graph는 세포 내 유전자 발현이 일어날 경우 형광이 나타나도록 처리한 cell을 이용해 시간에 따라 형광 방출 정도를 측정한 결과임. 보면 (1)과 같이 DNA만 넣어준 경우 전사가 아주 잘 일어남. 다음으로 (b)와 같이 Heparin을 넣어주면 한 번 떨어진 RNA polymerase가 다시 붙을 수 없으므로 (1)에 비해 전사의 정도가 꽤나 떨어진다는 것을 알 수 있음. 그런데 흥미롭게도 (3)과 같이 repressor를 첨가해 준 경우에도 Heparin을 첨가해주었을 때와 유사한 개형이 관찰됨. 이를 통해 repressor가 마치 Heparin과 유사한 작용을 해 RNA polymerase를 다시 와서 붙지 못하게 만들어준다는 것을 알 수 있음.

 

 

결론적으로 현재는 repressor가 operator에 결합할 시 RNA polymerase의 promoter 부위 결합 자체를 억제해줄 것이라는 이론이 정설로 받아들여지고 있음.

 

 

 

다음으로 lac operator에 대해 조금 더 자세히 알아보자. 지금까지 봤던 그림에서는 마치 operator가 하나인 것처럼 묘사되어 있지만, 사실 operator는 아래 그림과 같이 3개 종류로 구성되어 있음.

 

 

 

 

이 때 O1이 major lac operator이며 promoter 주변부에 위치하고 있음. 한편 O3와 O2는 auxiliary lac operator이며 major operator의 upstream과 downstream에 각각 위치하고 있음. 이 세 operator가 다 정상적으로 존재해야만 repressor에 의한 repression이 제대로 일어날 수 있음.

 

 

 

위 그림은 3종류의 operator 중 하나, 혹은 여러개를 없애보았을 때 repression이 일어나는 정도가 어떻게 달라지는지를 나타내주고 있음. 보면 셋 중 하나만 없어져도 repression의 효율이 급감하는 것을 알 수 있음. (이 때 그나마 O1만 남아있을 때가 O2, O3만 남아있을 때보다 repression 효율이 나은 것을 알 수 있는데, 이를 통해 그나마 조금 더 major한 역할을 하는 operator는 O1임을 알 수 있음)

 

 

 

다음 포스트에서는 glucose와 관련된 lac operon의 조절 기작에 대해 살펴보자.