오페론은 무엇일까?(억제성,유도성/음성조절,양성조절)

저번 글에서는 유전체사업과 생물정보학에 대해 배웠습니다. 이번 글에서는 유전자 발현 조절에 대해 알아보겠습니다.

1. 세균은 전사 조절 통해 환경 변화에 대응

대장균에서는 세균의 생존에 필요한 트립토판 아미노산이 주변 환경으로부터 제공되지 못하면 다른 물질로부터 트립토판을 합성합니다. 만약 사람이 트립토판이 충분한 음식을 섭취하면 세균은 트립토판을 만드는 것을 중단합니다. 트립토판 합성 대사 경로는 2가지 방식으로 조절됩니다. 첫 번째, 세포는 이미 존재하는 효소의 활성을 조절할 수 있습니다. 트립토판 합성 경로에서 첫 번째 효소의 활성은 트립토판에 의해 억제됩니다. 즉 세포 내에 트립토판이 축적되면 효소의 활성을 억제해 더 이상 트립토판이 합성되지 않게 합니다. 이것을 되먹임 억제(feedback inhibition) 현상이라고 합니다. 두 번째로, 세포는 특정 효소를 암호화하는 유전자의 발현을 조절해 효소의 생산량을 조절할 수 있습니다. 예를 들어 트립토판이 환경에서부터 충분히 공급되면 세포는 트립토판 합성 촉매 효소의 발현, 생산을 중지합니다. 이처럼 트립토판 합성 경로의 조절은 세균이 환경 변화에 따라 자신의 대사를 어떻게 조정하는지를 보여줍니다. 세균의 많은 유전자들은 세포의 대사 상태 변화에 따라 발현이 조절됩니다. 이것을 오페론 모델(operon model)이라고 합니다.

-오페론

 그럼 오페론은 무엇일까요? 대장균은 전구물질에서부터 3단계의 경로를 통해 트립토판 아미노산을 합성합니다. 각 합성 단계는 특정 효소에 의해 촉매되고, 이 효소들의 소단위체를 암호화하는 5개의 유전자는 세균 염색체의 한 곳에 모여 있습니다. 하나의 프로모터가 이 5개의 유전자 모두의 발현에 관여하며 하나의 전사 단위를 이룹니다. 따라서 트립토판 합성에 관여하는 효소를 만드는 5개의 폴리펩타이드는 한 분자의 긴 mRNA에 의해 암호화되어 한 단위로 전사됩니다. 기능적으로 연관된 유전자들을 하나의 전사 단위로 묶어서 일종의 개폐 스위치를 작동해 유전자 발현을 동시에 조절 가능한 것이 오페론 구조입니다. 즉, 대장균이 트립토판을 합성해야 할 경우, 관련 유전자들은 한꺼번에 발현됩니다. 스위치로 작용하는 것은 작동자(operator)라는 DNA 부분입니다. 작동자는 프로모터 내에 있거나 가끔 효소를 암호화하는 유전자와 프로모터 사이에 있어 RNA 중합효소의 접근을 조절합니다.

 오페론(operon)은 작동자, 프로모터 및 이들에 의해 조절되는 유전자를 포함하는 일련의 DNA로 구성됩니다. 그럼 스위치인 작동자는 어떻게 작동할까요? 대장균의 trp 오페론은 스스로 켜집니다. RNA 중합효소가 프로모터에 결합하면 오페론의 유전자들은 전사됩니다. 한편 trp 오페론은 trp 억제자 단백질에 의해 꺼질 수 있습니다. 억제자(repressor)는 작동자에 결합해 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하는 것을 막고, 유전자들의 전사를 억제하는 특화된 단백질입니다. trp 억제자 단백질은 trpR이라는 조절유전자(regulatory gene)로부터 만들어집니다. 이 유전자는 trp 오페론과 떨어져 있고 독자적인 프로모터가 이습니다. 조절유전자는 지속적으로 발현되어 trp 억제자는 항상 있습니다.

 그럼 왜 trp 오페론은 항상 꺼져 있는 것은 아닐까요? 첫 번째로 억제자는 가역적으로 작동자에 결합합니다. 세포 내에 화성화된 억제자가 많으면, 억제자가 결합한 상태의 작동자가 더 많습니다. 두 번째로, trp 억제자는 활성, 불활성의 두 모양이 있는 다른 자리 입체성(allosteric) 단백질입니다. 새로 합성된 trp 억제자는 trp 작동자에 결합 못하는 불활성 형태입니다. 트립토판이 trp 억제자의 다른 자리 입체성 부위에 결합할 때만 trp 억제자는 활성 형태로 바뀌어 오페론의 발현을 중단합니다. 트립토판은 억제자와 함께 오페론을 멈추는 공동억제자(corepressor)로 작용합니다. 트립토판이 세포에 많을수록 더 많은 trp 억제자와 결합하고 이들은 trp 작동자에 결합해 트립토판 합성 효소 생산을 중단합니다. 만약 세포 내 트립토판 양이 적으면 대부분의 trp 억제자는 트립토판과 결합하지 못한 불활성 형태가 되어 작동자로부터 분리되고, 오페론은 전사를 합니다. 

-억제성, 유도성 오페론: 두 종류의 음성 조절

 trp 오페론은 트립토판이 조절 단백질인 trp 억제자에 의해 다른 자리 입체성으로 결합 시 전사가 억제되므로 억제성 오페론(repressible operon)이라고 합니다. 유도성 오페론(inducible operon)은 특정 분자가 조절 단백질에 결합할 때만 전사가 유도되며, lac 오페론이 대표적입니다. 사람이 유제품을 먹으면 숙주의 대장의 대장균은 젖당을 이용할 수 있습니다. 젖당의 물질대사는 베타-갈락토스 가수분해효소가 젖당을 포도당과 갈락토스로 가수분해하면서 시작됩니다. 젖당이 없을 때는 소량의 갈락토스 가수분해효소가 대장균 세포 내에 있씁니다. 그러나 젖당이 투입되면 이 가수분해효소는 1000배 정도 증가합니다. 왜 그럴까요?

이 가수분해효소의 유전자(lacZ)는 lac 오페론의 일부로, lac 오페론은 젖당의 이용에 관여하는 다른 두 개의 유전자도 포함하고 있습니다. lac 오페론의 전사 단위는 하나의 작동자와 프로모터에 의해 통제됩니다. 조절유전자인 lacI는 오페론의 외부에 있고, 작동자에 결합해 lac 오페론의 발현을 중단시킬 수 있는 다른 자리 입체성 억제자 단백질을 암호화합니다. trp 오페론에서는 trp 억제자 자체가 불활성 상태이며, 작동자에 결합하려면 공동억제자인 트립토판이 필요합니다. 그러나 lac 억제자는 자체적으로 활성 상태라 작동자에 결합해 lac 오페론을 발현 못하게 합니다. 이 경우에는 유도자(inducer)라는 작은 분자가 억제자의 기능을 불활성화합니다. lac 오페론의 유도자는 알로락토스로, 세포 내로 들어간 젖당으로부터 만들어지는 이성질체입니다. 젖당이 없으면 알로락토스도 없어 lac 억제자는 활성 형태로 작용하여 작동자에 결합합니다. 따라서 lac 오페론의 유전자는 발현되지 않습니다. 반대로 젖당이 있다면 알로락토스는 lac 억제자에 결합하고 형태를 바꿔 작동자에 결합하지 못하게 합니다. lac 오페론에 억제자가 결합하지 않으면 젖당 이용에 필요한 효소들을 암호화하는 mRNA를 전사합니다.

 젖당 대사경로 효소들은 화학적 신호에 의해 유도되어 유도성 효소(inducible enzyme)라 불립니다. 주로 이화작용경로에서 영양물질을 분해합니다. 억제성 효소(repressible enzyme)은 트립토판 합성에 관여하며, 동화작용경로에서 최종산물을 만듭니다. trp 오페론와 lac 오페론은 활성 상태의 특정 억제자 단백질에 의해 발현이 억제되므로 유전자의 음성 조절입니다.

-양성 유전자 조절

 대장균은 포도당과 젖당 중에서는 포도당을 더 선호합니다. 근데 포도당이 없고 젖당만 있다면, 젖당을 에너지원으로 사용합니다. 대장균은 어떻게 포도당의 농도를 파악할 수 있을까요? 이것도 다른 자리 입체성 조절 단백질과 고리형 AMP(cyclic AMP, cAMP)와의 상호작용에 의존합니다. 포도당의 농도가 적으면 cAMP의 농도는 증가합니다. cAMP 수용체 단백질(cAMP receptor protein, CRP)라는 조절 단백질이 DNA에 결합해 전사를 촉진하는 활성자(activator)입니다. cAMP가 CRP에 결합하면 CRP는 활성 형태를 띄어 lac 프로모터 상부의 특정 부위에 결합 가능합니다. lac 오페론에서 RNA 중합효소와 프로모터의 결합은 매우 약한데, CRP가 프로모터에 결합함으로써 이 결합을 촉진하고 전사 빈도를 높입니다. 따라서 이것은 양성 조절입니다.

 세포 내 포도당 농도가 증가하면 cAMP 농도는 감소하고, CRP는 lac 오페론에서 분리됩니다. CRP가 불활성 상태여서 RNA 중합효소는 lac 프로모터에 결합하지 못하고, 전사도 아주 조금 진행됩니다. 즉 lac 오페론은 lac 억제자에 의한 음성조절과 CRP에 의한 양성 조절 둘 다 받습니다. 그리고 CRP는 lac 오페론 외에도 이화 반응경로에 작용하는 효소들을 암호화하는 오페론도 조절합니다. 이렇듯 이번 글에서는 오페론과 양성조절, 음성조절에 대해 알아보았습니다. 다음 글에서는 이어서 진핵생물의 유전자 발현 조절에 대해 알아보겠습니다.