[분자생물학] 7.2 : ara operon(arabinose operon, 아라비노스 오페론)

 

이번 포스트에서는 ara operon(arabinose operon)에 대해 알아보도록 하자.

 

 

E. coli의 ara operon은 sugar arabinose를 metabolize하는 enzyme들을 encode하고 있음. (따라서 arabinose를 써야 할 때 이 operon이 turn-on됨) 이 operon도 lac operon과 마찬가지로 catabolite-repressible operon에 해당함.

 

 

 

이 경우 앞서보다 조금 더 복잡한데, 차근차근 알아보자. 일단 ara operon에 존재하는 operator는 araO1, araO2의 두 종류임. 뒤이어 더 자세히 살펴보겠지만 araO1은 araC라는 gene의 전사 조절에 관여하며 araO2는 PBAD라는 promoter로부터 꽤나 먼 upstream에 위치해 있음. 한편 이 operon의 경우에도 CAP-binding site가 존재하며 PBAD로부터 200bp upstream에 위치하고 있음. (이 site의 경우에도 CAP-cAMP complex가 붙어 전사를 촉진하는 활성을 가지고 있음) 또 이 때 작용하는 trans acting factor로 AraC(Ara control protein)라는 녀석이 있는데, 이 녀석은 상황에 따라 repressor로도, activator로도 작용할 수 있는 기묘한 성질을 가지고 있음.

 

 

본격적으로 자세히 살펴보기 전에 하나의 질문에 대한 답을 생각해보자. araO2 operator가 어떻게 250bp만큼 downstream에 있는 promoter의 조절에 관여할 수 있을까. 이에 대한 답은 'loop의 형성'임. 아래 그림을 살펴보자.

 

 

 

위 그림의 (a)는 DNA loop의 형성에 의해 protein들끼리의 상호작용 부위가 딱 만나는 것을 나타내주고 있음. 그런데 무조건 이렇게 되라는 보장은 없음. (b)의 경우 (a) 상황에서 두 protein binding site 사이에 몇 개의 염기들을 첨가해준 것인데, 그럴 경우 (특히 첨가해 준 염기의 개수가 DNA 이중나선의 한 바퀴에 해당하는 10.5bp의 배수가 아닐 경우) DNA 서열이 전체적으로 돌아가게 되고 그 결과 거기에 결합하는 protein도 돌아간 채로 결합하게 됨. 그러면 그림 (b)에서 나타난 것과 같이 DNA loop가 형성되어도 protein끼리의 상호작용이 일어나지 못함. (위 그림에서도 나타나 있듯이 twist는 일어날 수 없으므로 protein끼리 마주보지 못하게 됨)

 

 

한편 앞서 AraC라는 trans acting factor의 존재에 대해 잠시 언급했었는데, 이 녀석은 다양한 site에 결합할 수 있음. 우선 매우 upstream에 존재하고 있는 araO2와 결합 가능함. 다음으로 -106에서 -144 부위에 위치하는 araO1과 결합할 수 있음. 이 밖에도 상황에 따라 araI와 결합 가능함. 이 때 araI는 -56에서 -78까지를 차지하는 araI1과 -35에서 -51까지를 차지하는 araI2로 이루어져 있는데, 이들 각각의 절반씩이 AraC와 결합 가능함.

 

 

그렇다면 지금까지 말로 설명했던 상황이 실제로는 도대체 어떠한지 그림을 통해 살펴보자.

 

 

 

 

(a)는 기본적인 ara operon의 구조를 나타내주고 있음. 이 때 araPBAD의 downstream에 위치하는 B, A, D gene이 모두 arabinose의 대사와 관련된 단백질을 encoding하고 있음. 한편 보라색으로 표현된 araPC의 경우 araPBAD와는 반대방향으로의 전사 개시에 관여하는데, araPC가 활성화될 경우 결국 araC gene이 발현됨.

 

 

(b)는 arabinose가 없을 때의 operon 구조를 나타내고 있음. 이 때는 AraC가 O2와 I1에 동시에 결합해 있음. (이 때 AraC가 dimer를 형성하고 있음에 유의) 이렇게 되면 araPBAD에 RNA polymerase가 제대로 결합하지 못하고 그 결과 B, A, D gene의 전사가 일어나지 않게 됨. (이 때 형성되는 DNA loop를 repression loop라고 부르기도 함)

 

 

(c)는 arabinose가 있을 때의 operon 구조를 나타내고 있음. 이 때 검은색으로 표시된 녀석이 arabinose로, 이 녀석이 AraC와 결합하게 되면 AraC의 conformation change가 유발되어서 O2와의 affinity가 떨어짐. 그 대신 AraC는 I1과 I2에 결합한 형태가 됨. 한편 이와 더불어 CAP-cAMP complex(위 그림에서 보라색-노란색 complex)가 CAP binding site, 즉 araPC에 붙게 되면 CAP-cAMP complex, AraC가 모두 activator로 작용해서 araPBAD에 RNA polymerase가 잘 결합하게 되고 그 결과 전사가 잘 일어나게 됨. (이 때에도 CAP-cAMP complex는 앞서와 거의 동일한 방식으로 RNA polymerase를 도와주게 됨)

 

((b)에서는 AraC가 repressor로, (c)에서는 AraC가 activator로 작용했음에 유의할 것)

 

 

 

 

ara operon은 araCBAD operon으로 불리기도 함. 이는 ara operon이 포함하고 있는 gene이 araB, A, D, C의 네 종류이기 때문임. 이 중 B, A, D의 경우 arabinose의 metabolizing enzyme을 encoding하고 있으며 araPBAD의 오른편에 위치해 있음. 한편 C의 경우 control protein인 AraC를 encoding하고 있으며 araPC의 왼편에 위치해 있음.

 

 

 

이제 이와 관련된 실험 결과를 살펴보자.

 

 

 

우선 wild-type부터 살펴보자. AraC가 없을 때와 AraC가 있을 때의 band를 비교해보면 확연한 차이가 나타남. 이는 AraC의 존재에 의해 O2와 I1 부위가 가까워짐에 따라 생기는 loop 때문임. 참고로 이 때 생기는 loop는 앞서 CAP-binding site와는 다르게 linear한 DNA보다 오히려 더 compact해서 gel상에서 더 빨리 내려가게 됨.

 

 

다음으로 araO2 mutant를 살펴보자. 이 mutant의 경우 O2에 문제가 생겨 AraC가 O2에 붙지 못함. 결과를 보면 AraC를 넣어준 초반에는 loop같은 것이 형성되는 것처럼 보이나 시간이 지남에 따라 loop를 대표하는 band가 나타나지 않음을 알 수 있음. (이는 AraC가 O2와 결합하지 못해 안정적인 repression loop가 형성되지 못한 결과로 이해 가능함)

 

 

마지막으로 araI mutant에 대해 살펴보자. 이 경우에도 사실 araO2 mutant에서와 거의 동일한 결과나 타나나게 되는데, 그 이유는 AraC가 mutant I에 결합하지 못해 안정적인 repression loop가 형성되지 않기 때문임.

 

 

 

위 그림에는 또 다른 실험의 결과가 나타나 있음. 이 때 왼쪽 결과는 solution 상에 arabinose를 넣어줄 시 원래 AraC에 의해 형성되어 있던 repression loop이 풀린다는 것을 보여줌. 오른쪽 결과도 동일한 결과를 보여주는데, 다만 차이점은 arabinose를 gel 상에 바로 추가해줬다는 점임. 두 실험 결과 모두 arabinose의 추가에 의해 repression loop이 없어진다는 증거로 작용함.

 

 

 

한편 지금까지 배운 과정과는 별개로 AraC의 양이 과도하게 많아질 시 AraC 자신이 autoregulation을 통해 araC gene의 발현을 저하시키는 조절을 수행하게 됨. (일종의 negative feedback)

 

 

 

 

AraC의 양이 너무 많아지면 AraC는 위 그림과 같이 araO1에 붙게 됨. 그러면 이렇게 결합한 AraC는 araPC에 RNA polymerase가 붙는 것을 block하게 되고 결과적으로 araC gene의 발현이 억제됨. (이 과정에서는 AraC가 repressor로 작용함)

 

 

 

다음 포스트에서는 trp operon(tryptophan operon)에 대해 알아보자.