[분자생물학] 9.2 : prokaryote에서의 원거리 DNA, 단백질 상호작용

 

 

이번 포스트에서는 원거리에 떨어져 있는 DNA-binding protein들끼리 어떻게 상호작용하는지에 대해 알아보자. 사실 이런 원거리 상호작용은 eukaryote에서 매우 흔하게 일어나며, 앞서 살펴본 것과 같이 prokaryote에서도 종종 일어남. (DNA looping)

 

 

 

 

 

위 그림은 gal operon에서 OE와 OI에 붙은 단백질들끼리 서로 어떻게 상호작용하는지를 나타내주고 있음. 보면 앞서 살펴본 것과 유사하게 loop를 형성하여 transcription initiation에 도움을 주게 됨.

 

 

 

 

위 그림은 이 때의 loop 구조를 조금 더 자세하게 나타내고 있음. 보면 protein들이 C domain을 바탕으로 cooperative binding을 하고 있음을 알 수 있음. 이 때 이전 chapter에서도 언급했듯 만약 두 protein binding DNA 사이의 DNA 개수가 딱 10.5의 배수여서 DNA의 double-helical turn이 정수번 일어나는 경우라면 위 그림과 같이 단백질들끼리 cooperative binding을 할 수 있음. 한편 만약 DNA의 double-helical turn이 정수번 일어나지 않으면 일시적인 DNA loop는 형성될 수 있을지 몰라도 protein끼리의 cooperative binding은 일어나지 않음. 이와 관련된 실험 결과를 살펴보자.

 

 

 

이 실험 결과를 이해하기 위해서는 우선 DNase를 처리했을 때 어떤 일이 일어나는지에 대해서부터 확실히 이해해야 함. 우선 당연히 DNA footprinting의 원리에 의해 DNA와 protein이 binding하는 부분에 해당하는 영역에서는 DNase가 DNA를 자르지 못할 것임. (이전 포스트 참조) 이 뿐 아니라 사실 위 그림과 같이 loop가 형성되면 loop의 바깥 부분(위 그림 (b)에서 +로 표시된 부분)은 DNase에 의해 아주 잘 잘리는 반면 loop의 안쪽 부분(위 그림 (b)에서 -로 표시된 부분)은 DNase에 의해 덜 잘림. (이에 대한 구체적인 이유는 위 그림 (a)에 나타나 있음. 간단히 말하자면 DNase에 노출되는 넓이의 차이에 의한 것임)

 

 

 

 

이제 이를 바탕으로 위에 제시되어 있는 실험결과를 분석해보자.

 

 

 

우선 (a)부터 살펴보자. 이 때는 OR1과 OR1m 사이에 정확히 6개의 DNA helical turn이 일어난 경우임. 그리고 오른쪽 lane으로 갈수록 점차 OR1과 OR1m에 붙는 protein들을 많이 넣어주었음. 이 때 당연히 DNA footprinting의 원리에 의해 OR1과 OR1m부분에서는 band가 나타나지 않음.

 

한편 OR1과 OR1m 사이 부분의 band를 보았을 때 어떤 band는 왼쪽(protein이 없는 조건)보다 오른쪽(protein이 있는 조건)에서 더 진해지고, 어떤 band는 왼쪽보다 오른쪽에서 더 연해짐. 이 때 band가 오른쪽으로 갈수록 진해지는 것은 앞서 살펴봤던 loop의 바깥쪽 부분(+)에 의한 결과이고, band가 오른쪽으로 갈수록 연해지는 것은 앞서 살펴봤던 loop의 안쪽 부분(-)에 의한 결과임. (위 그림 (a)에서는 loop의 +부분에 의한 결과를 검은 삼각형, loop의 -부분에 의한 결과를 하얀 삼각형으로 표시함)

 

따라서 이를 통해 특정 단백질 binding site 사이에 helical turn이 정수번만큼 나타나면 이 때는 DNA loop가 형성되고 cooperative binding이 일어난다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

다음으로 (b)를 살펴보자. 이 때는 OR1과 OR1^m 사이의 helical turn이 정수번 일어나지 않음. 이 때의 결과를 보면 일단 OR1과 OR1m에 단백질이 붙어 OR1과 OR1m 부분에서는 footprint가 나타났지만, (a)와는 다르게 OR1과 OR1m 사이의 band에 있어서 어떤 진하기 변화도 나타나지 않음. 즉, loop가 제대로 형성되지 않았으며 cooperative binding이 일어나지 않았음을 의미함.

 

 

따라서 이 실험을 통해 OR1과 OR1m 사이의 helical turn이 딱 정수번만큼 일어나야 비로소 DNA loop이 안정적으로 형성되고 단백질간의 cooperative binding이 일어난다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

 

 

한편 고해상도의 전자현미경(EM)을 이용하게 되면, DNA의 loop 형성 여부, 모양 등을 실제로 관찰할 수도 있음. 보면 I, III의 경우 EM으로 관찰할 시 loop이 형성되지만 II의 경우 loop이 형성되지 않음을 확인 가능함. (당연히 II의 상황에서 제대로 된 loop가 형성되지 않는 것은 protein-binding DNA들 사이에 위치한 DNA의 helical turn이 10.5의 정수번 일어나지 않았기 때문)

 

 

 

다음 포스트부터는 진핵생물에서 관찰되는 RNA polymerase들과 promoter에 대해 알아보도록 하자.