생화학개론 | 유전자 발현의 조절

 

 

 

TIP

 

 

유전자 발현의 조절
1. 유전자의 선별적 발현

원핵생물의 유전자 발현 조절
1. 세균의 오페론
2. 원핵생물에 존재하는 오페론
3. 전사 조절 물질
4. 전사조절 단백질들의 활성 조절
5. 테리오파지 람다의 유전자 발현 조절
6. 번역 단계에서의 유전자 발현 조절

진핵생물의 유전자 발현 조절
1. 진핵생물의 전사개시는 박테리아와 네 가지 면에서 다르다.
2. RNA 중합효소와 보편전사인자
3. 유전자 조절단백질의 결합부위
4. 뉴클레오솜에 응축된 프로모터
5. 진핵생물의 유전자는 단백질 조합에 의해 조절된다.
6. 하나의 단백질이 서로 다른 여러 유전자의 발현을 조절한다.
7. 조합조절에 의해 서로 다른 세포유형이 형성될 수 있다.
8. 유전자발현의 양상은 딸세포에 전달된다
9. 진핵생물의 세포분화와 복제

진핵생물의 유전자 조절기구
1. 전사 단계에서의 유전자 발현 조절
2. 수준에서의 유전자 발현 조절
3. 전사후 단계에서의 유전자 발현 조절

§ Regulation of Transcription in Eukaryotes

 

 

 

유전자 발현의 조절

발생이 진행됨에 따라 근육, 신경, 혈구세포 등과 같이 서로 다른 다양한 세포 유형이 많들어 지게 되는데 이 과정을 분화라고 한다. 분화(differentiation)는 세포유형별로 각각 다른 유전자를 발현시켜 서로 다른 다양한 종류의 RNA와 단백질을 만들어 축적하기 때문에 일어난다. 그렇다면 세포들이 어떻게 수천 개의 유전자 중에서 특정 유전자만을 단백질로 발현시키는가?

 

 

똑같은 유전정보를 갖고 있는 세포들도 유전자의 활성을 조절하는 기작에 따라 활성이 조절되어 서로 다른 구조와 기능을 갖는 세포로 발달하게 된다. 예를 들면 초파리의 눈에서 수정체로 발달되는 세포는 렌즈단백질을 생산하는 유전자는 발현되지만 다른 유전자들은 발현되지 않는다. 그래서 유전자 발현(gene expression)이란 유전자가 RNA로 전사되고 다시 단백질로 번역되는 과정을 말한다. 유전자 발현은 정확하게 조절되어 외부조건의 변화에 신속하게 대응하거나 개체 유지에 필요한 발생과정과 분화과정이 조화롭게 일어날 수 있다. 유전자 발현의 조절은 다양한 기작에 의해 일어난다.

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원핵생물의 유전자 발현 조절

DNA와 상호작용하는 단백질이 환경의 변화에 반응하여 원핵생물의 유전자 발현을 조절한다 유전자로부터 단백질로 유전정보가 전달되는 과정을 유전자 발현이라 한다 또한 원핵생물에서 서로 관련된 기능을 가진 효소에 대한 유전자들은 종종 함께 조절되며 이러한 유전자들의 조절단위를 오페론이라 부른다 그래서 조절 단백질들은 환경의 변화에 따라서 DNA의 특정 염기서열에 결합하여 오페론을 작동하거나 중지 시킨다

 

 

 

진핵생물의 유전자 발현 조절

진핵세포에서 각 세포는 다른 조직을 이루는 세포로 분화된다. 이러한 세포분화는 더욱 복잡한 유전자 조절체계를 필요로 한다. 각각의 분화된 세포들은 각기 기능을 수행하기에 적절한 구조를 하고 있으며, 이런 여러 종류의 분화된 세포들이 모여 하나의 개체로서의 기능을 하게 된다. 그래서 진핵세포에서 유전자의 발현을 조절하는 기구는 세균보다 훨씬 복잡하고 다양하며 고등생물에서는 이것을 통해서 생리적 기능이나 생물적 특성이 나타나기 때문에 더욱 복잡하다.

 

포유동물의 각 체세포는 동일한 genome을 갖고 있지만 이들이 어떤 조직을 구성하는 세포인가에 따라서 생산되는 단백질이 다르고 세포의 분화과정에 따라서 특정 단백질의 합성이 엄격히 통제되고 있다. 예를 들면 인체의 모든 체세포는 insulin 유전자를 가지고 있으나 오직 췌장의 β 세포에서만 insulin이 합성된다. 진핵세포에서는 유전자 발현을 위해 핵질에서 mRNA 일차 전사물을 합성한 후 가공하여 성숙한 mRNA를 세포질로 운반하여 번역하는 점 등에서 원핵세포 mRNA의 생산과는 큰 차이가 있다. 따라서 이러한 과정들이 유전자 발현을 조절하는 단계가 될 수 있다.

 

진핵세포에 있어서 전사를 개시하는 과정을 조절하는 기구는 원핵세포에서보다 더 복잡하다. mRNA를 전사하기 위해서는 촉진유전자 영역에 DNA-directed RNA polymerase Ⅱ의 부착, 단백질 전사인자(transcription factor), 그리고 유전자 발현에 영향을 주는 다른 조절 DNA 배열이 필요하다. 촉진유전자영역에서 약 25 염기쌍 앞쪽에 Hogness box 또는 TATA라는 영역이 있으며 여기에 전사인자가 결합하여야 다음에 RNA polymerase가 부착하여 전사가 개시될 수 있다. 또 약 75 염기쌍 앞쪽에 CAAT box(consensus sequence; GG(T/C)CAATCT)라는 배열이 있으며 여기에도 전사인자가 결합한다.

 

 

또 촉진유전자로부터 수백 염기쌍 떨어진 위치에 upstream 활성화부위(upstream activation site)가 있으며 이 부위에 전사인자가 결합하여 전사속도를 조절한다. 이러한 배열들이 없으면 전사가 일어나지 않거나 매우 감소된다. 한편 enhancer(촉진구조, ∼90부터 100 염기쌍의 염기배열)라는 조절배열도 전사 속도를 증가시키는데 이 영역을 제거하면 그것에 영향을 받는 유전자의 전사활성이 약 100배정도 감소된다.

 

Enhancer는 genome 내의 어떤 위치에 존재하더라도 인접한 유전자에 영향을 미치므로 유전자 특이성을 갖지 않는 반면에 종과 세포의 종류에 따라 특이성을 나타낸다. Enhancer 배열은 별다른 활성의 손실없이 그것이 영향을 주는 유전자로부터 1,000 염기쌍 앞쪽 또는 뒷쪽으로 움직일 수 있는 특별한 성질이 있다. Enhancer의 기능에 대해서 확실하게 밝혀진 것은 없지만 이것은 DNA 주형의 구조적 변화를 유발하여 전사가 잘 일어나도록 하는 것으로 알려져 있다.

 

 

세균에서는 어떤 단백질의 유전자가 연속되어 있지만 대부분의 진핵세포 유전자는 연속되어 있지 않고 유전정보가 없는 삽입배열(noncoding intervening sequence)에 의해 유전자가 분리되어 있다. 이 때 유전자를 code하고 있는 부위를 exon, code하고 있지 않은 부위를 intron이라 한다. 윗 그림 에 나타낸 것처럼 이런 유전자도 일차적으로는 암호화하거나 하지 않는 배열이 모두 전사되어 전사물에 포함된다.

 

1차 전사물(premessenger RNA)은 이어서 mRNA의 번역을 촉진하는 capping과 분해를 방지하고 또 핵에서 세포질로 이동하는데 작용하는 polyadenylate(poly A) 꼬리의 첨가를 거쳐 삽입배열(intron)은 제거되고 암호배열(exon)은 연결되는 재연결(splicing)을 거치면 성숙한 mRNA를 생성하게 된다.("RNA의 가공" 참조)

 

Intron이 제거되는 기구는 확실하지 않으나 작은 RNA와 단백질로 구성된 spliceosome에 의해 일어나는 것으로 추정되고 있다. Intron은 일반적으로 GU로 시작해서 pyrimidine이 풍부한 부위에 이어서 AG로 끝나는데 이러한 배열은 재연결에 대한 신호의 일부라고 생각된다.(그림 참조) 이러한 유전자의 재연결은 하등의 진핵세포생물에서는 적고 고등동물에서는 많다. 전사와 가공과정은 핵에서 일어나고 성숙한 mRNA만이 세포질로 수송되어 polypeptide로 번역된다.

 

 

이러한 mRNA 1차 전사물의 성숙과정은 재연결과 poly A 꼬리의 첨가에 의해 조절되며 이것은 mRNA의 수명과 밀접한 관계가 있다. 원핵세포에서 유전자 산물을 조절할 필요가 있을 때는 즉시 합성을 중단 또는 재개할 수 있기 때문에 mRNA의 수명을 조절할 필요가 거의 없으나 진핵세포에서 특정 단백질이 대량으로 필요할 때는 mRNA의 수명을 연장시켜 생산하는 경우가 많다.

 

또 원핵세포는 환경변화에 대응하여 유전자 발현을 비교적 쉽게 변화시킬 수 있지만 분화된 진핵세포에서는 특정 유전자가 영구적으로 전환(switching)되어 있는 경우가 많다. 이러한 영구적인 전환은 유전자 소실(gene loss), 유전자 불활성화(gene inactivation), 유전자 증폭(gene amplification) 및 유전자 재배치(gene rearrangement) 등에 의해 일어난다. 또 세포내에서 특정 단백질이 일정한 양이나 비율로 요구될 때 원핵세포에서는 polycistronic mRNA를 생산하여 조절하지만 진핵세포는 monocistronic mRNA를 생산하므로 원핵세포와는 다른 조절방법이 있어야 하는데 커다란 전구체 단백질을 절단해서 활성형 단백질을 생성하는 것이 그 방법 중 하나일 것이다.

 

 

진핵생물의 유전자 조절기구

원핵생물과의 차이점으로는 다음과 같은 것들이 있다. 첫 번째로 외부환경 변화에 즉각 대응을 하는 원핵생물과는 달리 진핵생물은 비교적 안정된 외부환경을 가지고 있기 때문에 그에 따른 조절보다는 분화발생 과정에서 유전자가 정확한 시기에 적절한 양이 발현되도록 조절되어야 한다. 두 번째로 원핵생물은 지속적으로 증식하는 경향을 가지기 때문에 자신이 가지고 있는 모든 유전자들을 적절히 발현시켜 생존하는 것에 비해 진핵생물은 분화 단계에 필요한 특정 유전자의 발현과 세포들 사이의 정보전달, 상호작용에 의해 밀접하고 유기적인 연관성에 의해 유전자 발현도 세포사이에 연결되어 상호 영향을 미친다.

 

원핵생물과 마찬가지로 진핵생물도 전사단계의 조절이 빈번하고 높은 비중으로 일어나지만 진핵생물의 유전자 발현은 염색체의 유전자로부터 세포질에서의 단백질 합성까지 많은 단계를 거치기 때문에 여러 종류의 조절 작용이 일어난다.

 

진핵생물의 염색체는 DNA 이중가닥에 히스톤 단백질이 결합되어 뉴클레오솜을 형성하며 이들이 응축되어 30nm의 염색질 섬유(chromatin fiber)가 되어 다시 응축되어 염색체를 만들 게 된다. DNA와 히스톤, 그리고 기타 단백질이 전사과정에서 하는 기능은 아직 완전하게 규명되지 못했다.

 

 

진핵생물의 유전자에서 합성된 RNA는 5'말단에 캡형성이 일어나고 3'말단에 폴리 A가 첨가되어 1차 RNA 전사체로 된다. 이 후 인트론이 제거되는 RNA 스플라이싱을 거쳐 mRNA가 형성된다. 이 mRNA는 핵공을 통해 세포질로 이동되어 리보솜과 결합하여 단백질이 합성되는 것이다. 형성된 단백질에 의해 효소, 구조 단백질, 호르몬, 성장인자로써의 기능이 일어나며 정상적인 분화와 발생과정, 세포 기능과 세포소멸 현상이 나타나게 된다.

 

전기영동 결과에 의하면 진핵세포는 약 5,000종류의 서로 다른 폴리펩티드를 합성하는데 세포크기, 형태, 내부구조들은 공통적으로 가지고 있는 단백질의 양적인 차이로 결정되고 약 100 종류의 폴리펩티드가 조직 또는 세포 특유의 단백질에 의해 각 세포의 고유한 특성을 나타내게 된다. 이들 소수의 특징적인 단백질들이 분화와 발생과정과 같은 단계에서 매우 중요하다.

 

 

 

 

[생화학]유전자 발현의 조절 레포트