원핵세포의 유전자 활동 조절

원핵세포의 유전자 활동 조절에 대한 고찰

 

 

지난 포스팅에서 염색체 상의 DNA가 유전자를 구성하고 있으며, 또 1차원으로 암호화된 정보가 어떻게 RNA로 먼저 전사된 후 3차원의 정보인 단백질로 번역되는지에 대해 알아보았다. 이 3차원의 정보에 의하여 모든 필수적 또는 보조적 생물 반응이 수행된다. 그러나 생물체의 행동은 발현되는 단백질의 성질뿐만 아니라 그들이 발현되는 정도와 발현을 일으키는 환경조건의 지배를 받는다. 물론 어떤 하우스키핑 단백질들, 예를 들어 세포를 구성하는 구조단백질들은 항상 합성되어야 한다. 만약 모든 단백질들이 항상 합성되고 있다면 세포들의 행동패턴에 어떤 차이도 나타나지 않을 것이다. 생물체가 전사와 번역과정에서 다량의 에너지를 소모한다는 사실을 기억하고 있을 것이다. 물질의 합성능력이 필요한 시기에만 수행될 경우에 경제적이고 또한 적응의 측면에서 타당성을 보이게 된다. 생물체는 단백질을 필요한 시기에 필요한 양만큼 합성이 일어나도록 보장하는 장치를 가지고 있다. 일반적으로 특별한 유전자 산물의 합성은 통상 " 유전자 조절" 이라고 불리는 메커니즘에 의하여 조절된다. 유전자 발현조절이 있기 때문에 세포의 적응, 변이, 분화 및 발생이 가능해진다.

 

원핵생물과 진핵생물의 조절시스템은 약간 다르다. 원핵생물은 대개 자유롭게 생활하는 단세포 생물로 환경조건이 알맞으며 영양분의 공급이 적당할 경우 무한정 성장 분열할 수 있는 능력을 가지고 있다. 따라서 원핵 생물의 조절시스템은 성장이 해로울 경우를 제외하고는 특정한 환경에서 최대 성장율을 나타낼 수 있도록 잘 적응되어 있다.

 

또한 이와 같은 조절시스템은 원핵생물과는 다르다. 예를 들어 발생중의 개체 즉 배(embryo)에서 한개의 세포는 성장과 더불어 많은 딸세포를 생산해야 할 뿐만 아니라 형태적으로나 생화학적으로 상당한 변화를 일으켜야 하며 또 변화상태를 지속시켜야만 한다. 더구나 세포들은 성장기와 분열기동안 박테리아보다 환경의 도전을 적게 받는데, 이는 개체 내의 성장배지가 시기에 따라 크게 변화하지 않기 때문이다. 성장배지는 경우에 따라 혈액, 림프, 다른 종류의 체액, 또는 해양동물의 경우 해수가 된다. 끝으로 성체에서 대부분 종류의 세포들은 성장과 분열을 중단한 상태이며, 각 세포들은 그들의 형태와 특징을 유지하면 된다. 더 많은 예를 들 수 있지만 중요한 점은 전형적인 진핵세포들이 박테리아와는 다른 조건에 처해있는 관계로 조절메커니즘이 원핵세포와 같지 않다는 점이다.

 

 

 

 

 

조절의 원리

 

가장 잘 알려진 조절 메커니즘은 박테리아와 박테리오파지가 사용하는 방법으로 이들 메커니즘이 현재 이해하고 있는 조절에 대한 개념의 기초가 된다. 유전자 발현은 mRNA 또는 단백질의 합성을 통제함으로써 확실하게 조절할 수 있다. 원핵생물에도 mRNA와 단백질의 합성 조절 메커니즘이 존재한다. 대장균에서 한 단백질이 존재할 수 있는 최대 수는 단백질의 성질과 필요성에 의존한다. 예를 들어 한 세포에는 나중에 설명할 lac 억제인자를 단지 20개만 가지고 있지만 폴리펩타이드 합성에 필요한 단백질 요소인 Ef-Tu는 10만개 이상이나 가지고 있다. 전사율 혹은 번역율의 조절을 통하여 각 단백질의 최대량을 결정해 주는 조절 신호가 존재한다. 대장균세포는 독성환경으로부터 자신을 보호하기 위하여 포도당 이외의 다른 화합물을 음식물로 사용하여 유용한 화합물로 합성하는데 필요한 효소를 가지고 있다. 그러나 이와 같은 적응과정에 참여하는 단백질들은 정상상태에서는 존재하지 않으며 오로지 필요성이 생길 경우에만 합성된다. 이때 켜짐-꺼짐 조절 활동은 유전자 산물이 필요할 때 특정 mRNA를 합성 시키고 산물이 불필요할 때 합성을 억제함으로써 이루어진다.

 

박테리아에서 완전히 꺼져있는 조절시스템이 몇가지 알려져 있다. 꺼진 상태에서도 세포주기 당 단지 1회 혹은 2회의 전사 겨로가 극소량의 유전자 산물이 생산되는 기본수준의 유전자 발현이 거의 모든 경우에 일어나고 있다. 따라서 전사가 "꺼진 상태"라고 말할 때는 전사가 없다기 보다는 아주 낮은 수준이라는 뜻임을 알아야 한다. 박테리아의 포자는 대부분의 유전자 활동이 완전히 꺼진 유일하게 알려진 경우이다. 진핵세포에서 한 유전자 활동이 완전히 꺼진 경우는 아주 흔하다.

 

박테리아에 한 대사과정에서 수개의 효소가 연속적으로 작용할 경우 이들 효소들은 실무율의 법칙에 따라 동시에 합성되거나 아니면 합성되지 않는다. 이와 같은 현상을 연합 조절이라고 하는데 연합 조절은 이들 모든 유전자 산물을 암호하고 있는 한개의 폴리시스트로닉 mRNA 합성의 조절 결과이다. 이런 종류의 조절은 진핵세포에서 일어나지 않는데, 그 이유는 진핵세포의 mRNA가 일반적으로 모노시스트로닉이기 때문이다.

 

 

 

 

전사단계의 조절

 

전사조절의 몇 가지 메커니즘은 공통점을 지닌다. 특히 대사과정의 합성 또는 분해에 관계하는 효소의 조절에서는 그러하다. 즉 문제의 효소작용이 한 물질을 보다 유용한 화합물질로 분해시키는지 또는 요구되는 분자를 합성하는지이다. 다단계 분해시스템에서 분해될 분자들의 이용가능성이 종종 분해과정에 관련된 효소들의 합성 여부를 결정한다. 이와는 반대로 생합성 과정에서는 최종산물이 흔히 조절분자가 된다. 두 조절 양상을 위한 각각의 분자적 메커니즘은 상당히 다르지만 일반적으로 음성조절 또는 양성조절의 두 가지 범주 중 어느 하나에 속한다.

 

음성조절시스템에서 어떤 특정 단백질의 전사를 막는 억제 단백질이라고 불리는 특수한 단백질이 세포 내에 존재하는 경우가 있다. 어떤 경우에는 억제단백질 단독으로 전사를 중단시키며, 또 전사를 허용하기 위해서는 억제제에 길항작용을 하는 유도체라고 불리는 분자가 필요하다. 음성조절의 또 다른 예에서는 억제제 단독으로 전사를 중단시키지 못하고 특별한 신호분자와 복합체를 이룰 경우에만 억제작용을 할 수 있다. 양성조절 시스템에서 활성제라 불리는 단백질이 오페론의 전사율을 종종 증가시킨다. 효과적인 유독체가 되기 위하여 어떤 활성분자들은 신호분자와 먼저 결합해야만 한다. 양성 또는 음성이라는 용어가 조절작용에 적용될 때 이들 단백질의 작용이 유전자의 조절부위와 결합할 수 있는 능력을 뜻하고 있음을 명심해야 한다. 만약 단백질이 결합하여 전사를 허용할 경우 이시스템은 양성적으로 조절된다고 말한다. 반대로 결합된 단백질이 전사를 방해할 경우 이 시스템은 음성적으로 조절된다고 한다.

 

억제제와 활성제는 그들의 작용과 성질이 언제나 서로 배타적인 것은 아니다. 어떤 시스템에서는 양성과 음성적 조절이 모두 일어나는데 이런 시스템은 세포 내의 상이 한 조건에 대하여 아주 민감하게 반응할 수 있다. 더구나 동일한 조절 단백질이 어떤 환경에서는 억제제로 또 다른 환경에서는 활성제로 작용하는 시스템이 존재한다.

 

한 분해 시스템은 양성적 또는 음성적의 어느 하나에 의하여 조절되기도 한다. 생합성 과정에서 일반적으로 최종산물의 부재가 그들의 합성을 증가시키는 반면 최종산물의 존재는 그들의 합성을 저하시킨다.

 

원핵과 진핵시스템 모두에서 효소의 합성보다는 효소의 작용이 조절되기도 한다. 즉 효소가 존재하더라도 활성도가 켜진 상태이거나 꺼진 상태일 수 있다. 이 경우 효소반응의 산물이 보통 효소활성도를 억제시킨다. 이와 같은 조절양상을  되먹임 억제라고 부른다. 반응산물이 아닌 작은 분자들도 종종 특정 효소를 활서오하시키거나 억제시키는데 사용된다. 이와 같은 분자를 알로스테릭 효과 분자라고 부르는데 이들에 대하여는 다음 포스팅에서 다루도록 하겠다.