생명과학 ② 8-3. 유전자 발현, 젖당 오페론

▎생명과학 ② 8-4. 유전자 발현, 젖당 오페론

1) 유전자 발현 조절의 필요성

유전자 중에서는 세포의 생존에 필수적인 물질을 계속 만들어야 하는 것이 있는데, 이러한 유전자는 계속  발현되어야 한다.  그러나 특수한 상황에서만 필요한 물질을 만드는 유전자들은 항상 발현될 필요가 없으므로 유전자 발현을 조절할 수 있는 조절 체계가 필요하다.  대표적인 유전자 발현 조절 체계로는 원핵생물인 대장균의 젖당 오페론을 들 수 있다.

2) 젖당 오페론

① 젖당 이용 관련 유전자

  ⓐ 대장균은 포도당을 영양소로 섭취해 살아가지만, 포도당이 없고 젖당이 있을 경우에는 젖당을 분해해서 그것을 섭취하여 살아간다. 

  ⓑ 대장균이 젖당을 섭취하고 분해하는 과정은 3종류의 효소에 의해 이루어지고, 이 효소들은상에서 인접해 있는 각기 다른 유전자로부터 만들어진다. 효소를 만드는 유전자들은 하나의 조절 부위에 의해 유전자 발현 과정이 동시에 조절된다.

 

 

② 오페론(operon)

  ⓐ 서로 연관된 기능을 가진 유전자들과 유전자 발현 과정을 조절하는 프로모터, 작동 부위, 구조 유전자(암호화 부위)등이 상에 함께 모여 있는 것을 오페론이라고 하며, 원핵생물에만 존재한다.

  ⓑ 젖당 오페론 (락오페론)

   • 프로모터(promoter) : 중합 효소가 결합하여 전사가 시작되는 부위이다.

   • 작동부위(operator) : 억제 물질이 결합하는의 부분이다.  작동 부위는 프로모터와 일부 겹쳐 있어 억제 물질이 작동 부위에 결합하면 중합 효소가 프로모터에 결합하지 못하게 되므로 전사가 일어나지 않는다.

   • 구조유전자(암호화 부위) : 젖당을 세포 내로 분해, 섭취하여 이용하는 데 관련되는 3가지 효소를 합성하는 유전자이다.

   • 조절 유전자 : 억제 물질을 생산하여 작동 부위에 결합하도록 함으로써중합 효소가 구조 유전자를 전사하지 못하게 한다,  오페론 밖에 위치하며 항상 발현된다.

3) 젖당 오페론의 조절

젖당 오페론은 주변 환경에 젖당이 없는 경우에는 전사가 억제되고, 젖당이 있는 경우에는 전사가 촉진되는 방식으로 조절이 이루어진다.

① 젖당이 없는 환경-전사 억제

  ⓐ 조절 유전자에서 만들어진 억제 물질이 작동 부위에 결합하여 중합 효소가 프로모터에 부착하는 것을 방해하므로 전사가 억제된다.

  ⓑ 조절 유전자는 항상 발현되어 억제 물질을 생산하므로 젖당이 없으면 젖당 오페론은 발현되지 않는다.

 

 

② 젖당이 있는 환경-전사 촉진

  ⓐ 젖당은 억제 물질과 결합하여 억제 물질의 모양을 변형시킴으로써 억제 물질이 작동 부위에 부착하는 것을 방해한다.

  ⓑ 따라서 젖당이 있을 경우 작동부위가 비어 있게 되므로 중합효소가 프로모터에 부착되어 전사가 이루어진다.

  ⓒ 전사되어 만들어진는 번역을 거쳐 3가지 효소를 생산하게 된다.

  ⓓ 생산된 효소는 세포 내로 젖당을 섭위하고 분해하는 작용을 하여 대장균의 생존에 필요한 에너지를 얻게 한다.

[진핵 생물의 유전자 발현 조절]

진핵 생물은 원핵생물보다 세포 구조가 복잡하며 유전 물질의 양이 많고,의 일부 중에는 유전 정보를 가지지 않은 부분도 있어서 유전자가 발현되는 방식도 원핵생물과 차이가  많다. 이러한 특성 때문에 진핵 생물에서의 유전자 발현 조절은 원핵생물과 같은 오페론 방식에 의해 이루어지지 않는다.  진핵 생물에서의 유전자 발현 조절은 전사 촉진 인자와 같은 전사를 조절하는 여러 가지 단백질의 작용을 통한 복잡한 과정을 거쳐 일어난다. 전사가 끝난 후의 이동 과정이나 번역 과정을 통해 조절되기도 하며, 염색체의 불활성화 같은 방식을 통해 조절되기도 한다.