유전학 레포트 - 유전자 발현 조절의 메커니즘을 정리하여 서술하시오.

I. 서론

분자생물학 실습에서 같은 DNA를 가진 세포들이 왜 서로 전혀 다른 모양과 기능을 갖는지 생각해 본 적이 있다. 피부세포와 신경세포의 유전체가 크게 다르지 않다는 설명은 익숙했지만, 실제로는 어떤 유전자를 언제 얼마나 읽느냐가 세포의 성격을 갈라 놓는다. 유전자는 서랍 속 설계도처럼 가만히 존재하는 정보가 아니다. 주변 신호와 세포 상태에 따라 펼쳐지기도 하고 접힌 채 남기도 하며, 만들어진 RNA와 단백질도 여러 단계에서 양이 조절된다. 그래서 유전자 발현 조절을 이해하려면 하나의 스위치만 찾기보다 DNA가 읽히기 전부터 단백질이 사라질 때까지 이어지는 조절 지점을 함께 봐야 한다.

II. 본론

1) 전사 시작점에서 결정되는 유전자 사용 여부

유전자 발현에서 가장 큰 절약은 필요하지 않은 RNA를 애초에 만들지 않는 데서 시작한다. 전사는 DNA의 염기서열 정보를 RNA로 옮기는 과정이고, RNA 중합효소가 프로모터 부근에 결합하면서 시작된다. 세균에서는 RNA 중합효소가 특정 프로모터를 얼마나 잘 인식하는지가 발현량에 큰 영향을 준다. 조절 단백질은 프로모터 근처 DNA에 붙어 중합효소의 접근을 막거나 돕는다. 세포는 영양분의 종류나 스트레스처럼 바깥 조건이 달라질 때 이런 조절 단백질의 상태를 바꾸어 필요한 유전자 묶음을 빠르게 켜고 끈다.

세균의 오페론은 전사 조절을 이해하기 좋은 구조다. 서로 관련된 기능을 하는 여러 유전자가 하나의 프로모터 아래에서 함께 전사되기 때문에 한 번의 조절로 대사 경로 전체를 맞출 수 있다. lac 오페론은 포도당과 유당의 이용 조건에 따라 억제 단백질과 활성 조절이 함께 작동하는 대표 사례다. 유당이 없을 때 억제 단백질이 작동하면 불필요한 효소 생산을 줄일 수 있다. 유당이 있고 포도당이 적은 조건에서는 유당 대사에 필요한 유전자 발현이 잘 일어난다. 반대로 trp 오페론은 트립토판이 충분할 때 합성 관련 유전자 발현을 낮추는 방식으로 자원을 아낀다. 세포는 환경 정보를 받아 대사에 들어갈 비용을 조정하는 셈이다.

세균은 전사가 시작된 뒤에도 진행 여부를 조절할 수 있다. trp 오페론의 감쇠 조절에서는 리보솜이 선도 펩타이드를 번역하는 속도와 RNA가 만드는 2차 구조가 연결된다. 트립토판이 충분하면 리보솜이 빠르게 진행하고 전사를 일찍 끝내는 구조가 형성되기 쉬워 합성 효소의 생산이 줄어든다. 트립토판이 부족하면 리보솜이 해당 코돈에서 머무르고 다른 RNA 구조가 만들어져 뒤쪽 유전자 전사가 계속될 수 있다. 세균에서는 전사와 번역이 같은 공간에서 거의 동시에 진행되기 때문에 가능한 조절이다. 같은 대사물의 상태를 억제 단백질과 감쇠가 서로 다른 단계에서 읽어 발현량을 세밀하게 맞춘다는 점이 흥미롭다.

전사 조절은 켜짐과 꺼짐 두 상태로만 움직이지 않는다. 같은 유전자도 전사인자가 얼마나 결합하는지, 결합 부위의 배열이 어떤지, 중합효소와 상호작용하는 단백질이 얼마나 있는지에 따라 발현량이 달라진다. 한 종류의 조절 단백질이 여러 유전자에 영향을 주기도 하고, 하나의 유전자가 여러 신호를 동시에 받기도 한다. 그래서 세포의 반응은 전등 스위치보다 믹서의 손잡이에 더 가깝다. 필요한 양을 단계적으로 조절하고, 서로 다른 입력을 합쳐 최종 전사 속도를 정한다.