[분자생물학] 7.3 : trp operon(tryptophan operon, 트립토판 오페론), riboswitch(리보스위치)

 

이번 포스트에서는 trp operon(트립토판 오페론)에 대해 알아보자.

 

 

 

E. coli가 가지는 trp operon에는 tryptophan이라는 amino acid를 만들어내는 효소들이 encoding되어있는 gene들이 포함되어 있음. 이 때 앞서와는 달리 trp operon 내의 gene들이 encoding하는 protein들은 anabolic enzyme들임. 그렇기에 이 operon은 tryptophan이 부족할 때 turn-on됨. (앞서 lac operon의 경우 lactose가 많을 때 turn-on되는 것과 대조적)

 

 

trp operon에는 총 trpE, D, C, B, A로 불리는 다섯 종류의 gene들이 포함되어 있으며 이들에 의해 발현되는 단백질들 모두 tryptophan synthesis에 관여함.

 

 

 

한편 이 operon 내의 operator는 매우 흥미롭게도 trp promoter 내부에 존재함. 이 때 고농도의 tryptophan은 trp repressor가 operator에 binding할 수 있게끔 도와줌. (그렇기에 tryptophan이 적게 존재할때가 되어서야 비로소 operon이 turn-on되는 것임)

 

 

 

우선 (a)부터 살펴보자. 이 때는 tryptophan이 거의 존재하지 않는데 그렇게 되면 trpR로부터 발현된 aporepressor(일반적으로 dimer로 존재)가 promoter 내의 operator에 결합하지 못함. (참고로 이 때 operator와 promoter가 동일한 위치에 있으므로 trpO, P로 표현함) 그 결과 repression이 일어나지 않게 되고 결국 trpEDCBA가 순차적으로 다 발현됨.

 

 

다음으로 (b)를 살펴보자. 이 때는 tryptophan이 고농도로 존재하고 있음. 이 경우 aporepressor dimer 각각에 tryptophan이 결합하고 그 결과 conformational change가 유발되어 aporepressor가 operator에 결합할 수 있게 됨. 그러면 RNA polymerase가 promoter에 제대로 결합하지 못하게 되고 그 결과 trpEDCBA의 전사가 일어나지 않게 됨.

 

 

 

 

trp operon는 이 밖에 tryptophan의 농도를 sensing하는 attenuation이라는 기작도 가지고 있음. 이에 대해 살펴보자.

 

 

 

위 그림은 trpO, P보다 downstream, 즉 실제로 전사가 일어나는 부분을 나타내고 있음. 이 때 위 그림 맨 오른쪽에 초록색 화살표로 표시된 부분이 trpEDCBA가 위치해있는 부분임. 그러면 그 앞쪽 5' UTR 부분은 대체 무슨 역할을 하는가. 여기에는 크게 두 가지 성분이 존재하는데, 하나는 trpL(leader sequence)이고 다른 하나는 attenuator임. trpL은 AUG의 start codon과 UGA의 stop codon을 가지고 있으므로 mRNA가 됨과 동시에 ribosome에 의해 번역될 수 있음. (원핵생물의 경우 핵막이 없으므로 전사와 번역이 동시에 일어날 수 있다는 점을 기억하자) 이 때 번역이 다 이루어지게 되면 leader peptide가 만들어짐. 한편 attenuator는 일종의 terminator이며, 그 중에서도 rho independent terminator여서 inverted repeat과 poly T chain을 가지고 있음. (이전 포스트 참조)

 

그런데 이 때 tryptophan 농도가 낮은 경우 이 attenuator가 terminator 역할을 못한 채 skip되어 RNA polymerase가 계속 붙어 전사가 진행되게 되고, tryptophan 농도가 높은 경우 attenuator가 제대로 역할을 수행해서 permature termination이 일어나버림. (후자의 경우 trpEDCBA의 전사가 일어나지 않음)

 

 

그렇다면 도대체 어떤 기작에 의해 이런 일이 가능한 것일까.

 

 

 

위 그림의 (a)는 tryptophan이 많은 경우 형성되는 attenuator의 구조, (b)는 tryptophan이 적은 경우 형성되는 attenuator의 구조임. 이 때 신기하게도 (a)에서 나타난 것과 같이 1-2, 3-4도 일종의 inverted repeat으로 이루어져 있어 서로 상보적인 결합이 가능하고, (b)에서 나타난 것과 같이 2-3 사이에도 상보적 결합이 가능함. 이 때 (a), (b) 중 어떤 서열이 형성될지는 전적으로 leader sequence에서의 UGGUGG 서열에 달려있음. UGG는 trp을 coding하는 codon이며 (a)와 (b)에 각각 분홍색 글자로 나타나 있음. 그런데 leader sequence를 ribosome이 번역하는 과정에서 UGGUGG부분을 만나게 되면 tryptophan의 농도 수준에 따라 아래 그림과 같은 두 가지 상황이 일어나게 됨.

 

 

 

 

(a)는 tryptophan이 모자란 상황인데, 이 때는 ribosome이 UGGUGG부분을 지나가다가 모자란 tryptophan 때문에 잠시 정지한 상태로 있게 됨. 이 상황이 지속되게 되면 결국 ribosome이 1의 일부분을 붙잡고 있는 모양이 되므로 그 사이에 자연스레 서로 상보적인 2-3사이의 결합이 일어나버림. 그 결과 UUUUUUUU 앞쪽에 제대로 된 hairpin 구조가 형성되지 않아서 termination이 일어나지 않게 됨.

 

 

(b)는 tryptophan이 충분한 상황인데, 이 때는 ribosome이 UGGUGG부분을 빠르게 번역하고 UGA의 종결코돈을 만나 번역을 종료하게 될 것임. 그러면 결국 1, 2, 3, 4 서열이 모두 자유로운 모양새이므로 1-2, 3-4 사이의 상보적인 결합이 일어나게 됨. 그 결과 UUUUUUUU 앞쪽에 제대로 된 hairpin 구조가 형성되어서 termination이 일어나게 됨.

 

 

이러한 attenuation은 전사와 번역이 동시에 일어나는 원핵생물이기에 가능한 독특한 조절체계임.

 

 

 

 

 

이제 마지막으로 방금 살펴봤던 attenuator를 포함한 흥미로운 개념인 riboswitch(리보스위치)에 대해 살펴보자.

 

riboswitch는 5'-UTR에 존재하며 뒷부분 gene의 전사를 조절할 수 있는 모든 녀석들을 의미함. 당연히 riboswitch에 방금 배운 leader sequence + attenuator도 포함됨.

 

 

riboswitch로 작동할 수 있는 녀석들에는 terminator, ribosome-binding site, 그 밖의 gene expression에 영향을 줄 수 있는 RNA element들이 있음. (어떤 riboswitch는 transcriptional level에서, 어떤 riboswitch는 translational level에서 작동할 수 있음)

 

 

 

위 그림은 riboswitch의 한 가지 general한 예시를 보여주고 있음. 보면 어떤 ligand과 결합가능한 aptamer(일반적으로 이런 상황에서 ligand와 붙는 DNA element를 aptamer라 불러줌)가 5'-UTR에 존재하고, aptamer에 ligand가 결합할 경우 terminator 혹은 ribosome-binding site 혹은 그 밖의 gene expression 등이 작용해 coding region에서의 전사가 일어나지 않게 됨.

 

 

 

그렇다면 riboswitch는 도대체 어디서 유래된 것일까. (즉, 진화적 유래는 어디일까) 아주 먼 옛날에는 DNA와 protein이 없었고 RNA만이 존재했었다는 가설이 RNA world 가설이며 현재 꽤나 신빙성있게 받아들여지고 있음. RNA world에서는 RNA가 스스로의 활성을 조절하거나, 효소 역할을 수행했었음. 이 때의 RNA 기능 일부가 지금까지 물려져내려온 것이 riboswitch가 아닐까 하는 가설이 riboswitch에 대한 진화적 기원 가설 중 가장 가능성이 높다고 여겨지고 있음.

 

 

 

 

다음 포스트부터는 원핵생물에서 일어나는 보다 큰 규모의 유전자 발현 조절 기작들에 대해 알아보자.