젖당 오페론의 발현 조절

핵심 정리

젖당 오페론은 젖당을 이용하는 데 필요한 구조 유전자와 그 유전자의 전사를 조절하는 DNA 부위로 이루어진다. 오페론에는 프로모터, 작동 부위, 구조 유전자가 포함되며, 조절 유전자는 오페론에 포함되지 않고 억제 단백질을 만든다. 프로모터는 RNA 중합 효소가 결합하는 부위이고, 작동 부위는 억제 단백질이 결합하는 부위다. 작동 부위는 프로모터와 구조 유전자 사이에 있다. 구조 유전자는 젖당 분해 효소의 아미노산 서열을 암호화한다.

조절 유전자는 젖당의 유무와 관계없이 발현되어 억제 단백질을 만든다. 젖당이 없을 때는 억제 단백질이 작동 부위에 결합하여 구조 유전자의 전사를 막는다. 젖당 오페론에서 리프레서가 작동 부위에 결합하면 구조 유전자의 전사가 억제된다. 젖당이 있으면 젖당 또는 젖당 유도체가 억제 단백질과 결합하고, 억제 단백질은 작동 부위에서 떨어진다. 그 결과 구조 유전자의 전사가 일어나 젖당 분해 효소가 만들어진다.

돌연변이는 결실된 부위가 맡던 기능에 따라 발현 결과가 달라진다. 조절 유전자가 결실되면 억제 단백질이 만들어지지 않아 작동 부위에 결합할 수 없고, 젖당 분해 효소는 젖당 유무와 관계없이 생성된다. 프로모터가 결실되면 RNA 중합효소가 결합하지 못해 구조 유전자가 전사되지 않는다. 반면 작동 부위가 결실되면 억제 단백질이 결합하지 못하므로 억제 작용이 일어나지 않는다. 조절 유전자 결실과 프로모터 결실을 같은 결과로 취급하지 말고, 억제 단백질 생성 여부와 RNA 중합 효소 결합 여부를 각각 확인해야 한다.

자세히

오페론은 기능적으로 관련된 유전자들을 함께 조절하는 단위다. 젖당 오페론의 구조 유전자는 젖당 분해에 필요한 효소의 정보를 담고, 프로모터와 작동 부위는 그 유전자들의 전사 여부를 조절한다. 이때 오페론의 구성 요소와 조절 유전자를 구별하는 일이 중요하다. 프로모터·작동 부위·구조 유전자는 오페론에 속하지만, 억제 단백질을 암호화하는 조절 유전자는 오페론 바깥에 있다. 따라서 그림에서 오페론을 표시하는 괄호나 범위를 확인한 뒤 각 부위의 기능을 대응해야 한다. 젖당 분해 효소의 아미노산 서열은 조절 부위가 아니라 구조 유전자에 암호화되어 있다.

조절은 억제 단백질이 작동 부위에 붙을 수 있는지에 따라 설명할 수 있다. 먼저 조절 유전자가 발현되어 억제 단백질이 만들어진다. 조절 유전자는 젖당 유무에 따라 켜졌다 꺼지는 유전자가 아니므로, 젖당이 없는 조건에서도 억제 단백질이 존재한다. 젖당이 없을 때 억제 단백질은 작동 부위에 결합한다. 작동 부위에 결합한 억제 단백질은 RNA 중합 효소가 구조 유전자를 전사하지 못하게 하므로 젖당 분해 효소가 생성되지 않는다. 이때 전사를 억제하는 직접적인 원인은 억제 단백질의 작동 부위 결합이다. 억제 단백질이 전사를 촉진한다고 해석하거나, 작동 부위와 프로모터를 같은 결합 부위로 보는 것은 잘못이다. 억제 단백질은 작동 부위에 결합하여 RNA 중합 효소의 전사를 억제한다.

젖당이 세포에 들어오면 젖당 또는 젖당 유도체가 억제 단백질과 결합한다. 결합한 억제 단백질은 작동 부위에서 떨어지거나 작동 부위에 결합하지 못하는 상태가 된다. 작동 부위가 비어 있으면 RNA 중합 효소가 프로모터에 결합해 구조 유전자를 전사할 수 있다. 전사된 정보는 단백질 합성에 이용되고, 구조 유전자가 암호화한 젖당 분해 효소가 생성된다. 따라서 젖당은 오페론의 전사를 유도하는 물질이며, 억제 단백질 자체를 만들어 내거나 프로모터에 결합하는 물질이 아니다. 젖당이 존재할 때 구조 유전자 전사가 유도되어 mRNA가 많아진다.