[유전학] 8.1 : programmed DNA arrangement

 

 

이번 포스트부터는 진핵생물에서 일어나는 유전자 조절 기작에 대해 알아보자.

 

 

eukaryote의 경우 특정 시간, 특정 공간, 심지어 특정 환경 하에서만 특정 gene이 발현됨. 이 밖에, gene size가 prokaryote에 비해 일반적으로 크다는 특징도 있음.

 

 

 

 

위 그림에는 eukaryote에서의 gene expression 과정이 나타나 있음. 일단 prokaryote와는 달리 eukaryote에서는 chromatin 구조가 관찰되며, prokaryote는 polycistronic한 반면 eukaryote는 monocistronic하다는 특징이 있음.

 

이 밖에 prokaryote는 exon, intron system이 존재하지 않는 반면 eukaryote에서는 존재하고, RNA processing또한 eukaryote에서는 일어나게 됨.

 

그 밖에, prokaryote의 경우 대부분의 경우 transcription level에서 gene expression이 regulation되었다면, eukaryote의 경우 여러 level에서 조절됨. (그리고 흥미롭게도, eukaryote의 경우 regulation 과정에서 repressor를 거의 쓰지 않음)

 

 

 

programmed DNA arrangement

 

 

진핵생물의 유전자발현과 관련한 예로 B cell(lymphocyte)의 development, differentiation 과정에 대해 살펴보자.

 

 

 

 

 

위 그림은 antibody, 혹은 immunoglobulin(Ig)으로 불리는 녀석의 구조를 보여주고 있으며, 보면 이 녀석은 2개의 light chain과 2개의 heavy chain이 서로 disulfide bond로 연결되어 Y자 모양으로 형성된 protein임을 알 수 있음.

 

이 때 1개의 antibody는 1개의 epitope만을 인식 가능함. 그러나 세상에는 셀수없이 많은 항원이 존재하고, 그러므로 이들 항원을 인식 가능한 수많은 항체들이 필요함. (실제로 20,000,000개정도의 항체가 존재) 그리고, 성숙한 B cell은 한 종류의 항체만 만들기 때문에 이 말은 곧 수많은 종류의 B cell이 존재한다는 뜻임.

 

 

 

 

 

위 그림은 bone marrow에서 일어나는 B cell development 과정을 나타내주고 있음. 이 때 pro-B cell은 모든 antibody를 만들 수 있는 정보를 다 가진 cell에 해당하고, B cell은 하나의 antibody를 생성 가능한 정보만을 가지고 있는 cell에 해당함.

 

 

 

 

 

 

위 그림은 실제로 pro B cell과 B cell의 gene 구조를 비교해 보여주고 있음.

 

 

우선 pro B cell 내부의 gene 구조부터 살펴보자. 보면 앞쪽에 70-100개의 LV segment가 존재하고, 그 뒤에 여러개의 J region, enhancer, C region이 존재하고 있음.

 

 

그런데 pro B cell이 B cell로 성숙되어가는 과정에서, LV segment, J region 각각에서 하나씩의 조각만이 선택되게 되고, 그 결과 B cell에 나타나 있는 것과 같은 gene 형태가 얻어지게 됨.

 

 

 

 

 

실제로는 위와 같이 pro B cell에서 B cell이 될 때 일어나는 somatic recombination에 의해서 일차적으로 segment 중 일부만 random하게 선별되게 되고, 이후 위 그림 가운데에 나와있는 B cell 내 DNA가 전사된 뒤 splicing되는 과정에서 alternative splicing에 의해서 위 그림 맨 아래와 같은 mature mRNA가 형성되게 됨.

 

 

이러한 성숙 과정을 본다면, DNA의 소실 부위가 너무나도 많으므로 B cell에서 pro B cell로 다시 역분화하는 것은 절대 불가능하다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

다음으로 olfactory system에서 하나의 neuron이 한 종류의 olfactory receptor만 가지게 되는 과정에 대해 알아보자. 실제로 사람은 700-800종류의 receptor를, 쥐는 1,500종류의 receptor를 가지게 되고 그 결과 여러 receptor들의 combination에 의해 수많은 냄새가 인식될 수 있음.

 

그렇다면 이러한 일도 앞서 B cell 성숙과정에서와 마찬가지로 irreversible DNA rearrangement에 의해 일어나는 것일까. 결과적으로 그렇지 않은데, 후각세포의 핵을 꺼내 역분화시켜서 쥐를 만들어봤더니 여전히 수천개의 냄새를 맡는것이 가능함을 확인함. (즉, DNA rearrangement는 일어나지 않은 것)

 

 

 

 

 

실제로는 위와 같은 일이 일어남. 이 때 H로 표기된 부분은 enhancer이며, enhancer는 DNA 서열이기 때문에 cis-acting factor의 일종임. 여기에 특정 protein이 붙을 시 promoter 일부에 붙은 RNA polymerase를 push해주게 됨.

 

그런데 이 때 enhancer가 위 그림 오른쪽 아래와 같이 수많은 olfactory receptor gene 중 어떤 gene의 promoter에 붙을지는 random임. 참고로 이 때 enhancer, promoter간에 생기는 loop 구조의 안정성 등에 대해서는 아직 자세히 밝혀져 있지 않음.

 

 

 

다음 포스트에서는 chromatin remodeling에 대해 알아보도록 하자.