젖당 오페론(Lac Operon) 완벽 이해!! 유전자 조절 메커니즘
안녕하세요. 텔로머라제의 모든 것을 알려드리는 텔로머라제 홍보대사입니다.
텔로미어란?
염색체 끝 부분에 붙어있는 반복 염기서열로,
염색체의 손상을 막아주는 역할을 함
텔로머라제란?
텔로미어가 손상되면 복구, 생성해주는 효소
노화를 방지하는 효소
우리 몸에 있는 위장 세포와 눈 세포, 그 외의 모든 세포들은 같은 DNA 유전정보를 갖습니다. 하지만 위장세포에서 발현하는 소화효소는 우리 눈에서 발현하지 않는데요. 어떻게 같은 DNA 유전정보를 갖는데도 불구하고 각 기관마다 발현하는 형질이 다른 것 일까요?
그것은 우리 몸에서 각 기관마다 발현하는 유전자를 조절하기 때문이죠. 이 덕에 우리 눈에서 소화효소가 나오지 않는 것입니다. 이번 포스트에서는 이런 유전자 조절을 어떻게 수행하는지 '젖당 오페론(Lac operon)' 을 통해 설명드리겠습니다.
● 오페론(Operon)
젖당 오페론이 무엇이고 어떤 식으로 작용하는지 설명드리기 전에, 젖당 오페론이 포함되어 있는 '오페론(Operon)'이라는 것부터 먼저 알려드리겠습니다.
오페론은 '기능적으로 연관된 단백질' 발현을 조절하는 유전자 시스템을 의미합니다. 쉽게 말해서 한 형질을 발현하기 위해 그 형질과 관련된 여러 유전자들이 모여있는 구조를 의미하는 것이죠.
오페론은 프로모터(Promoter), 작동자 부위(Operator), 그리고 단백질을 발현하는 구조 유전자로 이루어져 있습니다. 프로모터에는 RNA 중합효소가 부착하고, 작동자 부위에는 억제제(Repressor)가 부착합니다.
오페론 : 프로모터(Promoter) + 작동자(Operator) + 구조 유전자
프로모터(Promoter) : RNA 중합효소 부착 부위
작동자 부위(Repressor) : 억제제 부착 부위
DNA가 복제될 때 DNA중합효소는 프라이머(Primer)라는 부위에 부착하는데요. RNA 중합효소가 부착하는 프로모터(Promoter)와 헷갈리지 않으시길 바랍니다. 또한 전사(Translation)와 번역(Transcription)이라는 용어를 계속 언급할 것인데요.
이 내용과 관련된 DNA 복제과정과 단백질 합성과정은 이전에 포스트 한 내용이 있어 맨 밑에 링크 걸어두겠습니다. 지금부터 설명할 내용을 이해하는데 도움이 될테니, 한 번 보시는 것을 추천드립니다.
오페론은 주로 원핵생물에 존재하는데요. 대표적인 원핵생물인 박테리아(세균)는 한 개의 mRNA에 여러 개의 번역 정보가 담겨있어, 같은 대사 과정에 관여하는 단백질들이 한 번의 전사로 함께 발현할 수 있습니다.
이 때문에, 굳이 발현이 필요하지 않은 단백질도 만들어지는 경우가 생깁니다. 이런 불필요한 전사가 일어나지 않도록 오페론이 존재한다고 이해하시면 됩니다.
진핵생물의 경우 하나의 유전자에 한 개의 번역 정보만을 담고 있기 때문에 오페론과 같은 조절기작이 필요하지 않지만, 최근 연구 결과에 따르면 소수의 진핵생물 중에도 오페론을 갖는 경우가 있다는 것이 밝혀졌습니다.
오페론 : 불필요한 단백질 합성이 일어나지 않도록 조절 역할
● 젖당 오페론(Lac Operon)
이제 젖당 오페론에 대해 설명드리겠습니다. 젖당 오페론은 프로모터, 작동자 부위, 그리고 구조 유전자로 lac Z, lac Y, lac A를 갖습니다.
대표적으로, 포도당을 주 영양분으로 섭취하는 대장균이 이 젖당 오페론을 사용하는데요. 포도당은 없고 젖당만 있는 경우에는 젖당분해효소로 젖당을 포도당으로 만들어 영양분을 섭취합니다.
반대로 포도당이 이미 많이 존재하는 경우에는, 굳이 젖당을 포도당으로 분해할 필요가 없어 젖당분해효소를 분비하지 않는데요. Iac1에서 생성된 억제자(Repressor)가 작동자 부위에 결합해 RNA 중합효소가 전사되는 것을 막는 것이죠.
젖당이 없는 경우에도 젖당 분해효소가 굳이 발현할 필요가 없는데요. 이 때 역시 억제자가 작동자부위에 결합해 RNA 중합효소의 전사를 막습니다. 즉 젖당분해효소 발현을 막는 것이죠.
위에서 포도당이 없고 젖당만 있는 경우에 젖당분해효소를 분비한다고 언급했는데요. 이에 대한 더 자세한 기작은 젖당이 억제자에 결합해 구조를 변형시키고, 이로 인해 억제자가 작동자 부위에 결합하지 못하게 됩니다. 그래서 RNA 중합효소가 전사와 번역을 거쳐 젖당분해효소를 발현할 수 있는 것이죠.
이와 같이, 젖당 오페론은 젖당의 유무에 따라 젖당분해효소 분비를 조절하는 역할을 합니다. 즉 젖당 분해효소를 굳이 발현할 필요가 없는 경우에는, 젖당 분해효소를 발현하는 불필요한 과정을 거치지 않는 것이죠.
● 마무리
이번 포스트에서는 젖당 오페론을 예시로 유전자 조절을 설명드렸는데요. 물론 젖당 오페론은 원핵생물에 주로 존재하지만, 진핵생물에서도 유전자 조절을 할 수 있으면 여러 질병들을 치료할 수 있는 열쇠가 될 수 있을 것입니다.
이 블로그에서 중점적으로 다루는 텔로머라제(Telomerase) 역시 잘 활용하면 여러 질병을 치료할 수 있는 열쇠가 되는 효소인데요. 텔로머라제는 텔로미어(Telomere)의 길이를 유지, 연장시켜주는 효소입니다.
텔로미어는 염색체 양 끝에 위치한 DNA구조입니다. 세포가 분열할 때마다 염색체 양 끝단인 텔로미어 길이가 짧아지는데요. 텔로미어가 더 이상 분열할 수 없을 정도로 짧아지면 분열을 멈춥니다. 세포의 노화가 시작되는 것이죠.
텔로머라제는 이를 방지해 세포 노화를 억제하는 역할을 합니다. 최근 논문들에서는 텔로머라제가 텔로미어 길이 연장 뿐 아니라 다양한 면역 반응에도 관여한다고 하는데요.
텔로머라제에 대한 자세한 내용은 '관련 논문 카테고리'에 올릴 예정이니, 한 번 보시길 바랍니다.
글 마지막 부분에 전체 영상 보실 수 있게 링크 걸어두었으니 더 관심있으시면 한번 보시는 것을 추천드립니다.
※동영상 출처
채널명: Amoeba Sisters
동영상제목: Gene Regulation and the Order of the Operon
