[분자생물학] 7.1 : lac operon(젖당 오페론) - 4

 

이번 포스트에서는 glucose 유무에 따른 lac operon 조절 기작에 대해 알아보자.

 

 

glucose가 있을 때는 glucose로부터 유래되는 byproduct(breakdown product)에 의해 lac operon에 대한 catabolite repression이 일어날 수도 있음.

 

 

lac operon의 positive control에는 아래 그림에서 나타나 있는 것과 같은 cyclic-AMP가 매우 중요하게 작용함.

 

 

이 cAMP는 glucose의 농도가 감소할 시 농도가 증가하게 됨. (따라서 glucose의 농도가 높을 때는 cAMP의 농도가 적어서 positive control이 제대로 일어나지 않을 것이고 그 결과 operon의 전사가 제대로 일어나지 않을 것임)

 

 

cAMP와 함께 positive control에 작용하는 또 다른 중요한 단백질이 있는데, catabolite activator protein(CAP) 혹은 cyclic-AMP receptor protein(CRP)가 바로 그것임. (이 녀석은 crp gene에 의해 encoding되고 있음) 이 CAP과 cAMP가 결합하게 되면 비로소 이들 복합체는 promoter에 결합해 activator로 작용하게 됨. (만약 glucose가 많은 상황이라면 cAMP가 적을 것이고, CAP 혼자만으로는 activator로 작용할 수 없으므로 positive control이 일어나지 않을 것임) 이 때 cAMP-CAP 복합체가 lac promoter 자체에 결합함에 유의하자.

 

 

 

그렇다면 CAP-cAMP가 lac operon에서 activator 역할을 한다는 사실은 어떻게 알게 되었을까.

 

 

 

이 때 x축은 cAMP의 농도, y축은 lac operon이 activation될 시 발현되는 효소 중 하나인 beta-galactosidase의 활성도를 나타내고 있음. 보면 wild-type CAP이 주어진 경우 CAP-cAMP 복합체가 activator로 작용해서 beta-galactosidase의 활성도가 높아짐. (이 때 지나치게 많은 양의 cAMP를 넣어주면 다시 beta-galactosidase의 활성도가 떨어지는 경향이 있음을 알 수 있는데, 이는 어떤 효소의 경우 기질의 양이 너무 과하면 오히려 효소 활성이 떨어질 수 있음을 보여주는 한 예임) 한편 mutant CAP를 넣어준 경우 CAP이 cAMP와 결합하지 못하고 그 결과 activator의 부재로 beta-galactosidase의 활성도가 현격히 낮은 것을 알 수 있음.

 

 

앞서서도 언급했듯 CAP-cAMP complex는 lac promoter에 결합하며, RNA polymerase 바로 옆에 붙음. 이 때 CAP-cAMP complex는 RNA polymerase가 open promoter complex를 형성하는 것을 도와줌. 이에 대해 아래 그림을 바탕으로 더 자세히 논해보자.

 

 

 

 

위 그림에서 (a)는 Rifampicin을 처리해 줄 시 전사의 개시가 일어나지 않는 모습을 보여줌. 이 때 사실 Rifampicin은 closed promoter complex가 open promoter complex로 변하는 것을 block해줌. 그런데 (b)와 같이 동일한 조건에 CAP-cAMP complex만 더 첨가해 주게 되면 Rifampicin이 있음에도 불구하고 전사가 제대로 일어난다는 것을 알 수 있음. 이는 CAP-cAMP가 Rifampicin의 효과를 이기고 closed promoter complex를 open promoter complex로 바꿔준다는 것을 의미함. 이 현상에 대한 이유는 Rifampicin이 작용하기도 전에 빠른 속도로 cAMP-CAP complex가 DNA 가닥을 open시켜버리기 때문임.

 

 

한편 CAP-cAMP complex가 binding하는 site는 위 그림의 노란색 영역임. 이 때 이러한 CAP-binding site는 lac operon 뿐만 아니라 gal, ara operon 등도 가지고 있음. 그리고 이들 모두 binding site에 TGTGA라는 서열이 보존적으로 존재함. 이 서열이 CAP binding에 특별히 중요함. (다만 trp operon은 이 site를 가지고 있지 않음)

 

 

일반적으로 CAP-cAMP에 의해 activation되는 operon들은 weak promoter를 가지고 있는 경우가 많음. 그 이유는 대부분 cue 사인이 떨어지기 전까지는 발현되지 않아야 하는 system이기 때문임. 이 때 weak promoter가 도대체 무엇인지에 대해 의문을 가질 수도 있는데, 앞서 살펴본 것처럼 promoter의 보존서열 부위가 다른 염기로 치환되는 등의 일이 발생하면서(특히 -35 box 내 염기의 치환) promoter와 전사개시인자들 사이의 결합력이 약해진 상태의 promoter를 weak promoter라 할 수 있음. 한편 당연히 strong promoter도 있는데, 만약 lac operon 앞에 붙어있는 promoter가 strong promoter였다면 glucose가 있는 환경에서도 gene expression이 일어났을 것임.

 

 

 

방금은 CAP-cAMP가 open promoter complex의 형성에만 관여하는 것처럼 설명했지만, 사실은 closed promoter complex의 형성에도 관여함.

 

 

이 때 위 그림의 R, P는 각각 RNA polymerase와 promoter를 나타내며, 이들 각각이 만나 closed promoter complex, open promoter complex를 형성하는 과정을 위와 같은 화학식으로 표현할 수도 있음.

 

 

한편 CAP-cAMP의 결합은 DNA를 위그림과 같이 100도 정도의 각도로 굽게 만들어서 RNA polymerase가 더 잘 작용할 수 있는 모양을 만들어줌. (참고로 위 그림의 초록색 부분에는 RNA polymerase의 C terminal이 포함되어 있음)

 

 

그렇다면 이 때 CAP-binding site가 휜다는 사실은 어떻게 확인했을까.

 

 

 

위 그림의 (a)에는 CAP-binding site가 포함된 DNA 서열이 주어져 있고, 이 때 1, 2, 3, 4 제한효소에 의해 잘릴 수 있는 절단자리가 존재함. (b)에서는 각각의 제한효소 절단자리에 의해 잘린 조각들을 나타나 있음. 이 때 3 위치가 잘린 경우를 제외하고는 모두 온전한 CAP-binding site를 가지고 있음. 이 때 이 네 종류의 조각들을 전기영동으로 분리해주게 되면 CAP-binding site의 휨 여부를 판단할 수 있음. 만약 이 site가 휘지 않는다면 (b)에 나타난 네 종류의 조각들의 길이가 모두 같으므로 한 종류의 band만 나타날 것임. 그러나 이 site가 휜다면 휜 가닥이 직선 가닥에 비해 gel에서 더 느리게 내려감. (이와는 전혀 다른 이야기이지만, DNA가 만약 supercoiling된다면 DNA가 더 compact해지므로 gel을 더 빠르게 내려감) (c)는 CAP-binding site가 휜다는 가정하에 예상되는 결과를 나타낸 것이고, (d)는 실제 실험 결과임. 보면 (c)와 (d)의 개형이 거의 일치함을 알 수 있음. 이 결과를 통해 CAP-binding site가 휜다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

위 그림은 CAP-cAMP complex(일반적으로 이들은 dimer로 존재함)가 실제로 RNA polymerase와 어떻게 상호작용하는지를 나타내주고 있음. 앞서 배운 것처럼 RNA polymerase의 alpha subunit은 protein과 결합하는 alpha NTD 부위와 UP element와 결합하는 alphaCTD로 이루어져 있는데, 이 때 alphaCTD는 CAP-cAMP dimer와도 결합할 수 있으며, 이 결합을 통해 서로 상호작용하게 됨. 그 결과 promoter와 polymerase 간의 결합이 더 강화됨.

 

 

 

다음 포스트에서는 이제 ara operon(arabinose operon)에 대해 알아보도록 하자.