유전자 발현 조절(오페론 이론)

프로모터는 RNA 중합효소가 특정 유전자의 전사를 시작하기 위해 결합하는 DNA 상의 특정 염기서열 영역이다. 오페론 구조에서 프로모터는 일반적으로 오퍼레이터 영역의 상류에 위치하며, 전사 개시 신호를 제공하는 핵심 부위 역할을 한다.

프로모터의 염기서열은 RNA 중합효소의 결합 강도와 효율을 결정한다. 강력한 프로모터는 효소가 쉽게 결합하여 전사를 활발하게 시작할 수 있게 하는 반면, 약한 프로모터는 상대적으로 낮은 수준의 전사를 유도한다. 대장균의 경우, 프로모터에는 -10 상자(Pribnow 상자)와 -35 상자라는 두 개의 보존된 염기서열 모티프가 일반적으로 존재한다. 이들 사이의 거리와 염기서열 자체의 변이는 전사 효율에 영향을 미친다.

프로모터는 조절 단백질의 표적이 되기도 한다. 예를 들어, 양성 조절 시스템에서 활성화 단백질은 프로모터 부위에 결합하여 RNA 중합효소의 결합을 촉진할 수 있다. 따라서 프로모터는 오페론의 기본적인 전사 기계를 제공하면서도, 더 넓은 조절 네트워크의 영향을 받는 중요한 통제 지점이다.

오퍼레이터는 프로모터와 구조 유전자 사이에 위치한 특정 DNA 서열이다. 이 영역은 조절 유전자에 의해 생성된 리프레서 단백질이 결합하는 부위이다. 리프레서가 오퍼레이터에 결합하면, RNA 중합효소의 진행을 물리적으로 차단하여 하류의 구조 유전자들로의 전사가 억제된다.

오퍼레이터의 뉴클레오타이드 서열은 리프레서 단백질이 특이적으로 인식하고 강하게 결합할 수 있는 구조를 가진다. 리프레서의 결합 여부는 세포 내 신호 분자의 존재에 의해 결정된다. 예를 들어, 락 오페론에서는 유도물인 유당이 리프레서와 결합하여 그 구조를 변화시켜 오퍼레이터에서 떨어지게 한다. 반면 트립 오페론에서는 코리프레서인 트립토판이 리프레서와 결합하여 비로소 오퍼레이터에 붙을 수 있는 활성형을 만든다.

따라서 오퍼레이터는 전사의 스위치 역할을 하는 핵심 조절 요소이다. 리프레서라는 조절 단백질이 이 스위치를 '끄는' 방식으로 작동하여, 오페론 모델에서 음성 조절의 중심 매개체가 된다.

구조 유전자는 오페론을 구성하는 핵심 요소로, 실제 기능성 단백질이나 RNA를 암호화하는 유전자들이다. 이들은 전사 과정을 통해 mRNA로 발현된 후, 번역되어 세포 내에서 특정 생화학적 반응을 수행하는 효소나 구조 단백질이 된다. 하나의 오페론에는 일반적으로 기능적으로 연관된 여러 개의 구조 유전자가 배열되어 있으며, 이들은 하나의 공통 프로모터와 오퍼레이터 영역에 의해 조절받는다. 따라서 이들 유전자는 하나의 다중 유전자 전사 단위로 함께 발현되거나 억제된다.

구조 유전자의 배열 순서는 종종 해당 효소들이 관여하는 대사 경로의 순서와 일치하는 경우가 많다. 예를 들어, 락 오페론에는 락토스를 분해하는 데 필요한 세 가지 효소(β-갈락토시데이스, 퍼미에이스, 트랜스아세틸레이스)를 각각 암호화하는 *lacZ*, *lacY*, *lacA* 유전자가 차례로 위치한다. 이들은 하나의 폴리시스트론 mRNA로 전사된다.

구조 유전자의 발현은 오페론의 조절 체계에 의해 엄격히 통제된다. 조절 유전자에서 생산된 조절 단백질(예: 리프레서)이 오퍼레이터 부위에 결합하면, RNA 중합효소의 전사 시작이 차단되어 하류의 모든 구조 유전자의 발현이 중단된다. 반대로 유도물질이 리프레서와 결합해 오퍼레이터에서 떼어내면, 전사가 개시되어 모든 구조 유전자가 동시에 발현된다. 이 메커니즘을 통해 세포는 필요에 따라 특정 대사 경로에 관여하는 효소군을 효율적으로 한꺼번에 생산하거나 중단할 수 있다.

조절 유전자는 오페론의 발현을 통제하는 단백질을 암호화하는 유전자이다. 이 유전자는 오페론의 구성 요소인 프로모터나 오퍼레이터와는 물리적으로 분리된 위치에 존재하는 경우가 많다. 조절 유전자가 발현되어 생성된 조절 단백질은 오퍼레이터 부위에 특이적으로 결합함으로써, RNA 중합효소의 전사 시작을 방해하거나 촉진하는 역할을 한다.

조절 단백질의 기능에 따라 조절 방식은 크게 음성 조절과 양성 조절로 나뉜다. 음성 조절에서는 조절 단백질이 리프레서로서 작동하여 오퍼레이터에 결합하면 전사를 억제한다. 반대로 양성 조절에서는 조절 단백질이 활성제로서 작동하여 RNA 중합효소의 프로모터 결합을 도와 전사를 촉진한다. 조절 유전자의 활성은 세포 내 특정 물질(유도물질 또는 코리프레서)의 농도에 의해 결정된다.

따라서 조절 유전자는 환경 신호를 받아 해당 오페론의 구조 유전자들이 필요한 시기에만 발현되도록 하는 '스위치 조절자'와 같은 역할을 담당한다. 이 메커니즘을 통해 세포는 에너지와 물질을 효율적으로 사용할 수 있다.

락 오페론은 대장균이 젖당을 에너지원으로 활용할 때 관련된 효소들의 생산을 조절하는 유전자 발현 시스템이다. 이는 프랑수아 자코브와 자크 모노에 의해 규명된 대표적인 유도 오페론 모델이다. 젖당이 존재하지 않을 때는 해당 유전자들이 억제되다가, 젖당이 환경에 존재하면 그 발현이 유도되는 메커니즘을 보여준다.

락 오페론은 주로 세 가지 구조 유전자(lacZ, lacY, lacA)로 구성된다. lacZ는 베타-갈락토시데이스를 암호화하여 젖당을 글루코스와 갈락토스로 분해한다. lacY는 젖당 투과효소를 만들어 젖당이 세포 내로 유입되도록 한다. lacA는 티오갈락토사이드 트랜스아세틸레이스의 기능을 담당하지만, 젖당 대사에 필수적이지는 않다. 이들 구조 유전자의 전사는 단일한 프로모터와 오퍼레이터 지역에 의해 함께 조절된다.

조절의 핵심은 조절 유전자(lacI)에서 생산되는 억제 단백질이다. 이 단백질은 기본적으로 활성 상태로, 오페론의 오퍼레이터 부위에 결합하여 RNA 중합효소의 전사를 물리적으로 차단한다. 그러나 환경에 젖당이 존재하면, 젖당의 대사 산물인 알로락토스가 억제 단백질에 결합하여 그 구조를 변화시킨다. 이 변화로 인해 억제 단백질은 오퍼레이터에서 떨어져 나가고, 전사가 가능해지며 구조 유전자들이 발현된다.

이러한 조절은 효율적인 에너지 사용의 원리를 잘 보여준다. 대장균은 필요하지 않은 효소를 만드는 데 에너지를 낭비하지 않는다. 젖당이 유일한 탄소원일 때는 락 오페론이 최대한 활성화되지만, 더 선호되는 글루코스가 함께 존재하면 카타볼라이트 억제 현상에 의해 발현 수준이 추가로 조절된다[2].

트립 오페론은 대장균에서 트립토판 합성을 담당하는 유전자군의 발현을 조절하는 억제 오페론의 대표적 모델이다. 이 오페론은 세포 내 트립토판 농도가 높을 때 자신의 발현을 억제하는 음성 피드백 메커니즘을 가진다.

트립 오페론은 하나의 프로모터와 오퍼레이터 뒤에 5개의 구조 유전자(trpE, trpD, trpC, trpB, trpA)가 배열되어 있다. 이 유전자들은 트립토판 생합성 경로에 필요한 효소들을 암호화한다. 별도의 조절 유전자(trpR)는 트립토판이 결합할 수 있는 억제 단백질을 생성한다. 세포 내 트립토판 농도가 충분히 높으면, 트립토판 분자가 억제 단백질에 결합하여 활성형으로 변환한다. 이 활성화된 억제 단백질은 오페론의 오퍼레이터 부위에 강하게 결합하여 RNA 중합효소의 전사를 물리적으로 차단한다.

트립 오페론은 이 기본적인 전사 억제 외에도 아테뉴에이션이라는 2차 조절 메커니즘을 추가로 사용한다. 이는 선도 서열 내에서 일어나는 전사 종결 조절로, 세포 내 트립토판 농도가 중간 수준일 때 효율적으로 작동한다. 따라서 트립 오페론은 억제 단백질에 의한 스위치 오프 방식과 아테뉴에이션에 의한 미세 조절 방식을 함께 활용하여 에너지를 절약한다.

음성 조절은 전사가 억제 단백질에 의해 차단되는 방식으로, 오페론의 기본적인 조절 메커니즘 중 하나이다. 이 방식에서는 조절 유전자가 암호화하는 억제 단백질이 오퍼레이터 부위에 결합하여 RNA 중합효소의 진행을 물리적으로 막는다. 결과적으로 하류에 위치한 구조 유전자들의 전사가 억제된다.

음성 조절은 다시 유도성과 억제성으로 나뉜다. 유도성 음성 조절의 대표적인 예는 락 오페론이다. 락 오페론에서 억제 단백질은 평소에는 활성 상태로 오퍼레이터에 결합하여 전사를 억제한다. 그러나 환경에 유도물인 락토스가 존재하면, 락토스가 억제 단백질에 결합하여 그 구조를 변화시킨다. 이로 인해 억제 단백질은 오퍼레이터에서 떨어져 나가고, 전사가 가능해진다.

반면, 억제성 음성 조절의 모델은 트립 오페론이다. 이 시스템에서는 코리프레서라고 불리는 물질이 핵심 역할을 한다. 트립토판이 풍부한 환경에서, 트립토판 자체가 코리프레서로 작용하여 비활성 상태의 억제 단백질과 결합한다. 이 복합체가 오퍼레이터에 결합하면 전사가 억제된다. 즉, 최종 생성물이 그 자신의 합성을 중단시키는 피드백 억제 메커니즘이다.

이 두 모델을 비교하면 다음과 같다.

이러한 음성 조절 메커니즘은 세포가 환경 변화에 효율적으로 대응하고, 에너지와 물질을 낭비하지 않도록 정교하게 조절하는 데 기여한다.

양성 조절은 전사를 활성화시키는 조절 단백질이 존재할 때만 유전자 발현이 일어나는 방식이다. 이는 조절 단백질이 결합하지 않으면 전사가 일어나지 않는 음성 조절과 대비되는 개념이다. 양성 조절에서 조절 단백질은 활성제(activator)라고 불리며, 일반적으로 프로모터 인근의 특정 DNA 서열에 결합하여 RNA 중합효소의 전사 시작 효율을 높인다.

가장 잘 알려진 예는 락 오페론의 CAP-cAMP 복합체에 의한 조절이다. 포도당이 부족한 환경에서 세포 내 cAMP 농도가 증가하면, cAMP는 CAP(Catabolite Activator Protein) 단백질과 결합한다. 이 복합체는 락 오페론의 프로모터 상류에 결합하여 DNA를 구부림으로써 RNA 중합효소의 결합을 용이하게 하고 전사를 강력히 촉진한다[3]. 따라서 락 오페론은 락토스에 의한 유도(음성 조절)와 포도당 결핍에 의한 활성화(양성 조절)라는 두 가지 조절 계층을 통해 정교하게 통제받는다.

양성 조절은 특정 대사 경로나 환경 신호에 반응하여 필요한 유전자군을 적시에 강력하게 발현시키는 데 유용한 전략이다. 이 메커니즘은 세균의 다양한 오페론 시스템에서 발견되며, 영양분 이용 효율을 극대화하는 데 기여한다.

아테뉴에이션은 전사가 종결되기 전에 조기에 중단되는 현상으로, 트립 오페론과 같은 일부 아미노산 합성 관련 오페론에서 발견되는 전사 수준의 조절 기작이다. 이는 주로 리보솜의 단백질 합성 속도와 전령 RNA의 2차 구조 변화를 연결하여 작동한다.

아테뉴에이션의 핵심은 선도 서열이라고 불리는 mRNA의 5' 말단 부위에 있다. 이 영역에는 해당 오페론이 코딩하는 아미노산의 연속적인 코돈이 포함되어 있다. 예를 들어, 트립토판 합성 유전자군을 조절하는 트립 오페론의 선도 서열에는 두 개의 트립토판 코돈이 연속적으로 존재한다. 세포 내 트립토판 농도가 높으면, 리보솜은 이 코돈을 빠르게 번역하며 선도 펩타이드를 완성한다. 이렇게 빠르게 진행되는 번역은 mRNA가 특정한 2차 구조(종결자 구조)를 형성하도록 유도하여, RNA 중합효소가 조기에 전사를 중단하게 만든다.

반대로, 세포 내 트립토판 농도가 낮으면, 리보솜은 트립토판 코돈에서 번역이 지체된다. 이 지체는 mRNA가 대체적인 2차 구조(항종결자 구조)를 형성하게 하여, 종결자 구조의 형성을 방지한다. 결과적으로 RNA 중합효소는 전사를 계속 진행하여 하류의 구조 유전자들을 완전히 전사한다. 따라서 아테뉴에이션은 세포의 아미노산 공급 상태에 대한 실시간 피드백을 통해, 불필요한 유전자 발현을 효율적으로 억제하는 정교한 조절 시스템이다.

이 메커니즘은 오퍼레이터 부위를 통한 전사 개시의 억제와는 독립적으로 작동하며, 전사가 시작된 후에도 추가적인 조절이 가능하게 한다. 아테뉴에이션은 주로 세균의 아미노산 생합성 경로 관련 오페론에서 관찰되지만, 그 기본 원리는 유전자 발현의 전사 후 조절을 이해하는 중요한 모델을 제공한다.