6. 유전자 발현조절 > (1) Lac Operon(젖당 오페론)

lactose operon에 대한 개략도 (Copyright 2023. 이규현 all rights reserved.)

  원핵세포, 진핵세포 모두 유전자 발현을 조절하는 기전을 갖고있다. 원핵세포의 유전자 발현기구로는 Operon이 있다. 오페론 설은 자콥과 모나드에 의해 밝혀졌다. Operon은 Lac Operon(lactose Operon)과 Trp Operon(tryptophan Operon)이 있으며, Lac Operon을 먼저 다루겠다.

 

  오페론은 유전자의 발현(전사, 번역 모두)을 자동으로 조절하는 기구이며, operator를 갖는다. 이것이 어디에 있는지, 왜 필요한지를 알아보자. E.coli(대장균)은 Lac Operon과 Trp Operon을 모두 가지고 있다. 특히, lactose를 이용하는 세균은 흔치 않으며 젖산균, 유산균, 대장균 정도가 있다. 대장균은 glucose(포도당)을 선호하며, 이를 우선적으로 이용한다. 그리고 대부분의 환경에서는 포도당이 풍부하므로 lactose(젖당)을 이용하는 일은 E.coli에게는 일생에 한 번 있을까 말까한 사건이다. 그러나, lactose는 이당류이므로 바로 에너지원으로 사용할 수 없다. lactose를 이용하기 위해서는 베타-galactosidase(베타-갈락토시다제)라는 가수분해효소가 필요하며, 잘 쓰이지도 않는 lactose를 이용하기 위해 가수분해효소를 상시 전사, 번역하는 것은 에너지를 낭비하는 행위이다. 전사와 번역에는 에너지가 쓰이기 때문이다. 따라서 평소에 E.coli는 포도당을 선호하며, 효소의 발현을 자동으로 조절하는 기구가 필요한 것이다.

 

  lactose operon의 구성은 이러하다. 일단 유전자를 promoter(프로모터), operator(오퍼레이터), structure gene(구조 유전자)로 나누어서 살펴보자. promoter는 RNA polymerase가 결합하는 부위이다. structure gene은 실제 전사가 일어나는 전사부위로, z, y, a로 나누는데, z는 베타-galactosidase(줄여서 베타-gal), y는 lactose permease(젖당 투과효소), a는 transacetylase라는 효소에 대한 DNA이다. 이렇게 나누어져 있는 것은 원핵세포가 polycistron을 갖기 때문이다. transacetylase는 이당류인 lactose가 쉽게 가수분해될 수 있도록 결합을 꺾어주는 역할을 한다. 그리고 promoter와 structure gene사이에 operator가 있는데, 이것을 조절해서 발현을 조절할 수 있다. 이를 위해 promoter와 regulatory gene(조절 유전자)이 있다. regulatory gene이 발현되면 repressor(조절 단백질)이 만들어진다. repressor는 operator에 결합하여 RNA polymerase의 진행을 방해하여 전사를 억제한다. 그리고 repressor의 발현은 매 순간 조금씩 계속 이뤄지므로 평상시에 Lac Operon은 close(폐쇄) 돼있다.

 

  그러나, glucose(포도당)이 부족하고 lactose(젖당)이 많은 경우, lactose는 repressor의 구조를 변형시켜 operator에 결합하지 못하게 하여 operon은 open되고 structure gene에 있는 효소들이 발현된다. 따라서, lactose는 inducer(유도자)의 역할을, repressor는 inhibitor의 역할을 한다. 그래서 lactose operon은 유도성 오페론이라고 한다.

 

  하지만, RNA polymerase는 오랜시간 structure gene을 전사해보지 못했다. 따라서 CAP(catabolate activator protein, 대사 활성화 단백질)은 RNA polymerase와 promoter를 강하게 부착시켜서 전사를 촉진한다. cAMP(cyclic AMP)는 ribose의 3' OH와 인산의 OH가 ester 결합을 하여 고리 구조를 갖는다. cAMP는 CAP을 활성화하고, 젖당 투과효소도 활성화한다. cAMP는 동물학에서도 다룰 신호전달물질인데, 인산이 두 개나 떨어져나온 AMP이므로, 포도당이 부족한 상태일 때 많아진다.

 

  regulatory gene은 R로 표기하지만, inhibitor로 작용한다고하여 I로 표기하기도 한다. operator는 O, structure gene은 S로 표기하며, structure gene의 Z를 이용해 표기하기도 한다.

 

 

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