3-7. 진핵생물의 유전자 발현 조절 Feat. 전사인자, 조절요소, 조절유전자, 엑손, 인트론, RNA 스플라이싱
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
사람을 비롯한 진핵생물들은 체세포분열로 모든 세포들이 갖는 유전자 정보가 같습니다. 그런데 유전자 정보가 모두 같음에도 불구하고 어떤 세포는 근육세포로, 어떤 세포는 피부세포가 되는데요. 구체적인 예로 위에서는 펩신 유전자를 발현하고, 췌장에서는 인슐린 유전자를 발현합니다.
체 내 모든 세포에는 펩신 유전자, 인슐린 유전자를 암호화하고 있는데, 어떻게 위에서만 펩신 유전자가 발현하고 췌장에서만 인슐린 유전자를 발현하는 걸까요? 이는 각 세포마다 유전자 발현을 조절하기 때문입니다.
이번 포스트에서는, 사람과 같은 진핵생물에서 일어나는 '유전자 발현 조절' 과정을 쉽고 자세하게 설명드리겠습니다.
체 내의 모든 세포는 같은 유전자 정보를 갖는다.
그럼에도 불구하고 세포마다 발현하는 유전자 정보가 다르다
Why? 유전자 발현 조절 때문!!!
● 진핵생물의 유전자발현 조절
유전자는 DNA를 의미하고, 발현은 단백질 합성을 의미합니다. 즉, DNA에서 어떤 단백질을 합성할지를 조절한다는 것이 유전자 발현 조절인데요. DNA -> 단백질 합성 과정은 이전 포스트에서 자세히 설명했으니 한 번 보시는 것을 추천드립니다.
우선 핵 속에서 DNA -> mRNA 과정인 '전사'가 일어납니다. 하지만 전사가 무조건 다 일어나는 것은 아닙니다. 일어날 수도, 일어나지 않을 수도 있는 것이죠. 이를 '전사 조절' 이라고 합니다.
전사가 되었다고 하더라도, 그 mRNA는 완전한 것이 아닙니다. 핵에서 세포질로 나가기 전에 가공단계를 거쳐야 하는데요. 이처럼 가공전 mRNA를 성숙한 mRNA로 가공하는 과정을 '전사 후 조절' 이라고 합니다.
가공된 mRNA는 핵에서 세포질로 빠져 나와 '번역' 을 진행하기 위해 리보솜으로 갑니다. 리보솜에서는 단백질 합성과정인 '번역'의 양과 속도를 조절합니다. 이 과정을 '번역 조절' 이라고 합니다.
마지막으로, 번역이 완료되어 합성된 단백질을 가공하는 과정이 필요한데요. 이 과정을 '번역 후 조절' 이라고 합니다. 이제부터 각 과정에 대한 상세 내용을 설명드리겠습니다.
전사조절 -> 전사 후 조절 -> 번역 조절 -> 번역 후 조절
핵 속 : 전사조절, 전사 후 조절
세포질 : 번역 조절, 번역 후 조절
● 1. 전사조절
'전사조절' 단계에서는 뭉친 염색질을 풀어주는 과정으로 시작합니다. 염색질은 히스톤단백질과 DNA가 전기적 인력으로 결합한 상태로 존재합니다. 이 때문에, 위 그림처럼 응축되어 RNA 중합효소가 결합하지 못해 전사를 시작하지 못하는데요.
이 히스톤단백질에 아세틸기를 붙혀 전기적 중성으로 만들어 서로 풀어지게 만듭니다. 이를 '염색질 탈응축' 이라고 하는데요. 염색질이 탈응축되면 RNA 중합효소가 염색질에 결합해 전사를 시작하게 됩니다. 이것이 전사를 조절하는 첫 번째 방법입니다.
염색질 탈응축 -> RNA 중합효소가 결합해 전사 개시
두 번째 방법은 '전사 개시 조절' 입니다. DNA가 전사되기 위해서는 DNA의 프로모터에 RNA 중합효소가 결합해야 하는데요. 사실 RNA 중합효소가 전사를 개시하기 위해서는 '전사인자' 를 비롯해 '전사개시복합체' 라는 것이 필요합니다.
우선 '프로모터' 는 RNA 중합효소가 결합하는 DNA 부위를 말합니다. 프로모터에 RNA 중합효소가 결합하기 위해서는 '전사인자' 라는 것이 필요한데요. 전사인자는 전사를 조절하는 '단백질' 입니다. 단백질이기 때문에 아미노산으로 이뤄져있고, DNA가 아니기 때문에 염기는 없습니다.
'매개단백질' 은 전사인자와 RNA 중합효소를 연결해주는 역할을 합니다. 위 그림의 초록색 부위는 프로모터에서 가까이 위치한 전사인자와 결합하는 DNA 부위, '근거리 조절요소' 입니다. 여기서 중요한 점은 근거리 조절요소는 DNA 부위 라는 것입니다.
전사인자는 단백질, 조절요소는 DNA!!! 헷갈리지 않으시길 바랍니다.
또 프로모터와 멀리 떨어져 있는 전사인자 결합부위가 있는데요. 이를 '원거리 조절요소' 라고 합니다. 이 역시 DNA 입니다.
전사인자는 단백질 이라고 앞에 설명드렸는데요. 이 전사인자 단백질을 암호화하는 유전자를 '조절유전자' 라고 합니다. 그리고 전사인자, 매개단백질, RNA 중합효소가 합쳐진 복합체를 '전사개시복합체' 라고 합니다. 이것이 형성되어야만 전사가 진행되는 것이죠.
이 부분은 내용은 어려운 것이 없지만 용어를 헷갈리기 쉬운데요. 잘 기억하시기 바랍니다.
전사인자 : 전사를 조절하는 단백질
조절요소 : 전사인자가 결합하는 DNA 부위
조절유전자 : 전사인자를 암호화하는 유전자
전사인자에는 전사를 억제하는 '전사 억제인자' 와 전사를 촉진하는 '전사 촉진인자' 가 있습니다. 사실 전사 억제인자는 이전 포스트에 업로드한 오페론에서 이미 언급을 했는데요.
오페론의 '억제단백질' 이 전사 억제인자라고 할 수 있습니다. 오페론에서의 조절유전자 역시 전사 억제인자인 억제단백질을 암호화하는 유전자 부위라는 것도 진핵생물과 똑같습니다. 전사인자 결합부위인 조절요소는 작동 부위가 되는 것이죠.
오페론의 억제단백질 = 전사 억제인자
오페론의 작동부위 = 조절요소(전사인자 결합부위)
위 예시를 통해 전사 촉진인자를 설명드리겠습니다. 다시 한 번 설명드리지만, 조절요소는 DNA, 전사인자는 단백질입니다. DNA는 보통 소문자로, 단백질은 대문자로 표기하는데요. 위 그림에서 조절요소 a, b, c 에 대응하는 전사인자를 A, B, C 라고 표기한 것을 볼 수 있습니다
간세포에서는 알부민 유전자만 발현하고 크리스탈린 유전자는 발현하지 않는데요. 그 이유는 간세포는 조절요소인 a, b, c에 해당하는 전사촉진인자 A, B ,C 는 갖지만 크리스탈린 유전자의 조절요소 d, e 에 해당하는 전사촉진인자 D, E 는 없기 때문입니다.
수정체세포에서 크리스탈린 유전자만 발현하고 알부민 유전자를 발현하지 않는 이유는 A, C 전사촉진인자를 갖지 않기 때문입니다. 이러한 이유때문에 모든 세포들이 같은 유전정보를 갖음에도 불구하고 서로 다른 유전자를 발현하는 것입니다.
모든 세포들은 동일한 유전정보를 갖는다. -> 모든 세포들에는 동일한 조절요소(DNA)가 존재한다.
-> 하지만 조절요소에 해당하는 전사인자가 세포들마다 다르게 들어있어 유전자 발현이 동일하지 않다.
● 2. 전사 후 조절
'전사 후 조절' 역시 전사조절과 마찬가지로 핵 속에서 일어납니다. DNA -> mRNA로의 전사가 일어나면, mRNA는 아직 가공되지 않은 상태인데요. 전사 후 조절에서는 미성숙 mRNA를 가공하는 'RNA 스플라이싱' 과 '5`cap - 3`tail' 과정이 일어납니다.
DNA의 모든 부위에 유전정보가 암호화된 것은 아닙니다. 아미노산을 암호화하는 부위를 '엑손(Axon)', 아미노산을 암호화하지 않는 부위를 '인트론(Intron)' 이라고 하는데요. DNA에서 RNA로 전사될 때, 인트론 부위도 포함되어 mRNA가 됩니다. 이 '인트론' 을 제거하고 '엑손' 만을 붙히는 과정이 'RNA 스플라이싱' 입니다.
RNA 스플라이싱은 하나의 DNA에서 다양한 단백질을 합성할 수 있다는 장점이 있습니다. 전사 후 가공을 할 때, 엑손이 순서대로 붙는 것이 아니라 무작위로 붙는 것인데요. 위 사진처럼 엑손 4개가 붙는 경우 4! 가지, 즉 4 X 3 X 2 X 1 가지인 24가지의 단백질을 합성할 수 있습니다.
동일한 DNA 정보에서 다양한 단백질을 합성할 수 있는 것이죠.
'5`cap - 3`tail' 과정은 가공된 mRNA가 핵 밖으로 나오게 해주는 과정입니다. 또한 세포질 내에서 RNA 분해효소로 인해 mRNA가 분해되는 것을 막고, 리보솜이 효율적으로 단백질을 합성할 수 있도록 번역을 촉진시키는 역할을 하는데요.
자세히 알 필요는 없고 이런게 있다 정도만 이해하고 넘어가시면 됩니다.
● 3. 번역조절, 번역 후 조절
'번역조절'과 '번역 후 조절'은 내용이 간단합니다. '번역조절'은 번역 속도를 걸정해 유전자 발현에 영향을 주는 것인데요. 위 사진과 같이 번역 속도를 빠르게 할 수도 있고 늦출 수도 있습니다.
'번역 후 조절'은 번역 후 합성된 폴리펩타이드를 가공해 활성화시키는 것을 의미합니다. 예를 들어, 인슐린은 처음에는 하나의 긴 폴리펩타이드로 만들어지지만, 이 상태로는 기능을 할 수 없습니다. 번역 후 조절 과정에서 긴 폴리펩타이드를 두 개의 짧은 폴리펩타이드로 자르고 연결해 활성화시키는 것이죠.
● 마무리
이번 포스트에서는 진핵생물의 유전자 발현 조절에 대해 설명드렸습니다. 전사조절, 전사 후 조절, 번역조절, 번역 후 조절 각 과정들에 대해 이해하시면 됩니다. 그리고 조절요소, 조절유전자, 전사인자를 헷갈리지 않는 것이 중요합니다.
이 블로그에서는 텔로미어(Telomere)와 텔로머라제(Telomerase)에 대해 중점적으로 다루고 있습니다. 텔로미어는 염색체 양 끝에 위치한 DNA구조인데요. 세포가 분열할 때마다 염색체 양 끝단인 텔로미어 길이가 짧아집니다. 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: 계숙 샘
동영상제목: [생명과학2] 진핵생물 유전자 발현 조절(전사인자, 엑손, 인트론, RNA스플라이싱-엑손, 인트론 , 5'cap-3'tail
