유전자 스위치란 무엇일까?

유전자 스위치의 작동 방식에 대해 알아보자!!!!

 

 

안녕하세요 이번에는 유전자 스위치의 기본 구성 요소인 유전자 조절 단백질과 이러한 단백질이 인식하는 특정 DNA 서열에 대해 설명하겠습니다. 지금 부터는 이러한 신호들이 어떻게 다양한 신호에 반응하여 유전자를켜고 끄는지 그 방법에 대해 함께 알아보도록 하겠습니다.

 

40년 전만 해도 유전자를 켜고 끌 수 있다는 아이디어는 혁명적이었습니다. 이 개념은 주요한 진보였으며, 대장균 박테리아가 성장 배지 구성의 변화에 어떻게 적응하는지에 대한 연구에서 비롯되었습니다. 라다 박테리오파지에 관한 병렬 연구는 많은 같은 결론을 이끌어 내고 기본 메커니즘을 확립하는데 도움이 되었습니다. 같은 원리의 많은 것이 진핵세포에 적용됩니다. 그러나 DNA를 염색질에 포장하는 것과 결합하여 더 높은 유기체에서 유전자 조절이 엄청나게 복잡해지면 특별한 도전과 새로운 통제 기회가 생길 것입니다. 우리는 가장 간단한 예, 단일 신호에 반응하는 박테리아의 온 -오프 스위치로 시작합니다.

 

 

 

트립토판 억제기는 박테리아에서 유전자를 켜고 끄는 간단한 스위치입니다.

 

단일 세포 유기체인 박테리아 대장균의 염색체는 약 4.6 × 10, 6 뉴클레오타이드 쌍의 단일 원형 DNA 분자로 구성됩니다. 이 DNA는 한 번에 일부만 만들어 지지만 대략 4300개의 단백질을 암호화합니다. 표현 그들 중 많은 사람들의 이 환경에서 사용할 수 있는 음식에 따라 조절됩니다. 이것은 아미노산 트립토판을 제조하는 효소를 코딩하는 5개의 대장균 유전자에 의해 설명됩니다. 이 유전자들은 단일 오펠론으로 배열되어 있습니다. 즉, 그들은 염색체에서 서로 인접하며 단일에서 전사됩니다. 하나의 긴 MRSA 분자로서의 프로모터, 그러나 트립토판이 성장 배지에 존재하여 세포에 들어가면 (예를 들어 박테리아가 단백질을 섭취한 포유류의 내장에 있을 때) 세포는 더는 이러한 효소가 필요하지 않으며 생산을 중단합니다.

 

이 스위치의 분자 기준은 상당히 상세하게 이해됩니다. 프로모터는 RNA 중합 효소가 DNA에 결합하고 DNA 이중 나선을 열고 RNA 분자의 합성을 시작하는 특정 DNA 서열입니다. 트립토판 생합성 유전자의 전사를 지시하는 프로모터 내에는 오퍼레이터라 불리는 조절 요소가 있습니다. 이것은 단순히 억제 단백질 ,이 경우 트립토판 억제에 의해 인식되는 정의 된 뉴클레오타이드 서열의 조절 DNA의 짧은 영역입니다. 헬릭스-턴-헬릭스 제품군의 구성원, 프로모터와 오퍼레이터 는 트립토판 리프래서가 오퍼레이터를 점유할 때, RNA 중합체 아제에 의해 프로모터에 대한 접근을 차단함으로써 트립토판-생성 효소의 발현을 방지하도록 배열됩니다.

 

유전자 발현에 대한  차단은 독창적인 방식으로 조절됩니다. 조작가 DNA에 결합하기 위해, 억제 단백질은 그것에 결합된 아미노산 트립토판의 두 분자를 가져야 한다. 트립토판 결합은 나선회전 나선모티브를 기울이며, DNA 주요 홈에 적절하게 제시되도록 억제기와 결합합니다. 트립토판이 없으면 모티피가 안쪽으로 흔들리고 단백질이 조작자와 결합할 수 없습니다. 따라서 트립토판 리프래서 및 조작자는 유리트립토판의 이용 가능성에 따라 트립토판 생합성 효소의 생산을 켜고 끄는 간단한 장치를 형성합니다. 단백질의 활성 DNA 결합 형태가 유전자를 끄는 역할을 하기때문에 이러한 유전자 조절 상태를 음성 대조군이라고하며, 이런 방식으로 기능하는 유전자 조절 단백질을 전사 억제기 또는 유전자 억제기 단백질이라고 합니다. 

 

 

 

전사 활성화제는 유전자를 작동시킵니다.

 

앞에서 말했듯이 정제된 대장균 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하여 DNA 전사를 개시할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 일부 박테리아 프로모터는 RNA 중합효소에 의해 잘 인식되지 않거나 중합효소가 DNA 나선을 열고 전사를 시작하기가 어렵기 때문에 자체적으로 한계 기능만 하게됩니다. 어느 경우에나, 이들 기능이 좋지 않은 프로모터는 DNA 상의 근처 부위에 결합하고 전사체가 개시될 확률을 극적으로 증가시키는 방식으로 RNA 중합체와 접촉하는 유전자 조절 단백질에 의해 구제될 수 있습니다. 그러한 DNA의 활성, DNA결합 형태 때문에 단백질은 유전자를 켜고, 이 상태의 유전자 조절을 양성 대조군이라고하며, 이러한 방식으로 기능하는 유전자 조절 단백질을 전사 활성화제 또는 유전자 활성화제 단백질이라고 합니다. 일부 경우에, 박테리아 유전자 활성화제 단백질은 중합체에 대한 추가 접촉 표면을 제공함으로써 RNA 중합체가 프로모터에 결합하는 것을 돕습니다. 다른 경우에, 이들은 아마도 전이 상태를 안정화함으로써 중합 효소의 초기 DNA- 결합 형태로부터 활성 전자 형태로의 전이를 촉진합니다.

 

전사 억제기에 의한 음성 제어에서와 같이, 전사 활성화제는 간단한 온-오프 유전자 스위치의 일부로서 작동할 수 있습니다. 박테리아 활성화제 단백질 CAP (catabolite activator protein)은, 예를 들어, 바람직한 탄소권인 포도당을 이용할 수 없을 때 대장균이 다른 탄소권을 사용할 수 있게 하는 유전자를 활성화시킨다. 포도당 수준이 떨어지면 세포 내 신호 전달 분자 사이 클릭 AMP가 증가하여 CAP 단백질에 결합하여 표적 프로모터 근처의 특정 DNA 서열에 결합하여 적절한 유전자를 켤 수 있습니다. 이런 식으로 표현 세포에서 사이 클릭 AMP 수준이 각각 높은지 또는 낮은지에 따라, 표적 유전자의 A1이 켜지거나 꺼집니다.

 

많은 측면에서 전사 활성화제 및 전사 억제제는 설계 면에서 유사합니다. 예를 들어, 트립토판 리프래서 및 전사 활성화 제 CAP는 둘 다 나선 회전 나선 모티프를 사용하고 DNA에 결합하기 위해 작은 보조인자가 필요합니다. 실제로, 일부 박테리아 단백질 (CAP 및 박테리오파지 라다 리프래 서 포함)은 프로모터와 관련하여 이들이 인식하는 DNA 서열의 정확한 배치에 따라 활성화 제 또는 리프래 서로서 작용할 수 있습니다. 단백질에 대한 결합 부위가 프로모터와 겹치는 경우 , 중합체 아제는 결합할 수 없고 단백질은 억제제로 작용합니다.

 

 

 

 

Transcriptional Activator 및 Transcriptional Depressor lac Oberon을 제어

 

보다 복잡한 유형의 유전자 스위치는 양성 및 음성 대조군을 결합합니다. 대장균의 lac 오펠론은 예를 들어 트립토판 오펠론과 달리 lac 엑제 단백질 및 CAP에 의해 각각 음성 및 양성 전사 조절하에 있습니다. 록 단백질을 암호화하는 오펠론을 운반하는데 필요한 이당류 세포로 유당하고 분해, CAP가 유도하는 것은 낭비입니다. 표현의 록을 록토스가 존재하지 않는 경우 오펠론, 및 lac 이프래서는 lac토스가 없을 때 lac 오펠론이 차단되도록 보장합니다. 이러한 배열은 lac 오펠론의 제어 영역이 2개의 다른 신호에 반응하고 이를 통합할 수 있게하여, 오펠론은 2가지 조건이 충족될 때에만 표현됩니다. 유당이 존재하고 포도당이 없어야 하며, 다른 세 가지 가능한 신호 조합은 유전자 클러스터를 꺼진 상태로 유지합니다.

 

이 유전 스위치의 간단한 논리는 50년 전에 생물학자들의 관심을 끌었습니다. 위에서 설명한 바와 같이, 스위치의 분자적 기초는 유전자와 생화학의 조합에 의해 밝혀져 유전자 발현이 어떻게 제어되는지에 대한 첫 번째 통찰력을 제공합니다. 더 높은 유기체에서 유전자 발현을 제어하기 위해 같은 기본 전략이 사용되지만, 사용되는 유전자 스위치는 일반적으로 훨씬 더 복잡합니다.