[왓슨 분자생물학] 18장 원핵생물의 전사조절-3
18.3 박테리오파지 λ 의 예
- 박테리오파지는 세균에서 용균,용원 중 1가지 방식으로 증식
- 용균성 성장 : 파지 DNA 의 복제와 새 외피 단백질의 합성이 필요. 이 성분이 결합하여 새파지를 만들고 숙주세포의 용해에 의해 방출
- 용원성 성장 : 파지 DNA가 세균에 삽입되어 복제
- 용원균은 휴면중인 프로파지가 DNA 를 손상시키는 인자에 노출되어 숙주세포 존재가 위협받으면 용균성으로 전환
- 용원성 유도 : 용원성 성장 → 용균성 성장으로의 유도
1. 선택적 유전자 발현 양상
- 박테리오파지 λ는 외피단백질, DNA 복제, 재조합, 용해 관련된 단백질을 암호화
- PL, PR : 항상 발현되는 프로모터. RNA pol 과 결합하여 활성인자 도움 없이도 전사 가능
- PRM : CI 유전자만 전사하는 약한 프로모터. 활성인자가 있어야 전사 가능 (lac 프로모터와 유사)
- 용균성 성장 : PR , PL 발현. PRM 억제
- 용원성 성장 : PR , PL 억제. PRM 발현 (활성인자 부착) → CI 유전자 전사 (λ억제인자)
2. 조절단백질과 결합자리
- CI 유전자 : 두 영역으로 이루어진 λ억제인자 암호화
- λ억제인자 아미노말단은 DNA 결합자리를 가지고, λ억제인자는 DNA와 2량체로 결합
- λ억제인자는 전사활성과 억제를 모두 일으킬 수 있다.
- λ억제인자 작용 : lac 억제인자처럼 프로모터에 부착하여 RNA pol-프로모터 결합을 차단.
활성인자로서 CAP 처럼 유인에 의한 활성(아미노말단이 활성화 부위)
- RNA pol 에 대한 표적은 프로모터의 -35자리를 인지하는 σ 에 인접한 σ소단위체 부위
- Cro 단백질 : lac 처럼 전사억제. 17bp DNA 서열에 2량체로 결합
- λ억제인자와 Cro 단백질은 6개 Operator 중 어느 곳이든 결합가능. 친화력은 각각 다름
- OR1,OR2,OR3 : 오른쪽 Operator 에 있는 3개 결합자리, 억제인자 2량체, Cro 2량체 결합가능
λ억제인자가 OR1 결합시, OR2 결합보다 10배 친화력. OR2,OR3 은 거의 같음
Cro는 OR3 과 가장 친화력 높다. 10배 높은 농도의 Cro 에만 OR1,OR2과 결합
3. λ억제인자는 협동적으로 결합
- OR1의 억제인자 (λ억제인자)는 낮은 친화력을 가진 OR2 자리에 결합하도록 돕는다. → λ억제인자는 OR1,OR2 두 자리 동시결합 가능
- 조절단백질의 협동결합은 미미한 신호변화에도 크게 반응 가능
4. 억제인자와 Cro의 용균,용원 성장선택
- 용균성 성장 : Cro 2량체가 OR3에 결합. 이 자리는 PRM 과 겹쳐져서 Cro가 프로모터발현을 억제
- 이 프로모터는 약해서 활성인자가 없을 경우 낮은 수준으로 작용
- 억제인자, Cro 는 OR1,OR2 에 결합되어 있지 않아서 PR은 RNA pol 과 결합 → 전사
- PR, PL 모두 활성인자가 필요없는 강한 프로모터
- 용원성 성장동안 PRM 은 발현, PR,PL은 억제 → 억제인자가 PR에 RNA pol 결합을 차단
- 그러나 OR2 에 결합된 억제인자는 PRM 으로부터 전사활성화 → Cro 발현
- 간단히 말하면 용균 : PRM 발현 / 용원 : CI (λ억제인자) 발현
5. 억제인자의 음성자동조절
- 억제인자 2량체는 OR1,OR2 같은 인접 Operator들과 협동적 결합
- 용원균 프로파지에서 협동적 결합은 음성자동조절이 중요!
- OR1,OR2 에서 억제인자 2량체는 OL1과 OL2에 결합한 억제인자 2량체와 결합 → 8량체 형성
- OR, OL에서 억제유전자간 먼 거리 결합이 되려면 Operator 자리 사이의 DNA 고리 형성 필수
- 고리형성되면 OR3,OL3 가 가깝게 위치 → 2개 억제인자 2량체가 두 자리에 협동적 결합
- 이 협동성은 OR3 과 억제인자가 협동성이 없을때에 비해 낮은 농도에서도 결합 가능 (억제농도인자에 엄격)
- 용원성이 안정적인 이유 : 억제인자의 작은 감소도 유전자발현 증가 → 억제인자농도의 작은 증가 → 유전자발현 차단 (유도반응이 민감)
6. 세포에 침투한 파지입자수 (파지가 많을수록 세균수 적다 → 용원성 성장)
- 파지수 낮을 수록 용균성, 높을 수록 용원성
7. 다른 활성인자 조절
- λ CII는 숙주감염시 용균성,용원성 성장인자 결정
- 파지가 결정하는 것에 영향을 미치는 유전자는 CII와 CIII 이고 이 산물들이 영향을 준다
- CII : PR에서 전사
- CIII : PL에서 전사
- λ억제인자처럼 CII 단백질은 전사활성인자. PRE 프로모터상단에 결합하여 억제인자 CI 유전자전사 촉진
- 즉 억제인자 유전자는 프로모터 PRE와 PRM에 전사
- PRE : 매우약한 -35 서열을 갖고있는 약한 프로모터
- CII 단백질은 -35와 겹치지만 DNA 나선 반대편에 위치한 자리에 결합하여 RNA pol II와 직접 결합 (유인)
- 일단 충분한 억제인자가 PRE에서 만들어지는 것이 시작
- 충분히 만들어진 억제인자 OR1 과 OR2에 결합하여 PRM 으로부터 억제인자 자신을 합성한다.
- 즉 억제인자합성이 한 프로모터(PRE)에 의해 확립되고, 다른 프로모터(PRM) 전사에 의해 유지된다. (양성자동조절에 의해 유지)
- 이제 CII가 용균성 증식과 용원성 증식사이의 선택을 조절
- 감염 즉시, 2개의 항구적 프로모터인 PR,PL 로부터 전사 시작 → PR은 Cro 와 CII 합성 지시
- Cro 발현은 용균성 증식에 유리. (억제인자 유전자 전사) 억제인자는 OR1와 OR2에 결합 → PRM 활성화
- CII가 CI 유전자 전사를 지시하는 효율성, 억제인자가 만들어지는 속도는 λ가 어떻게 발생하는 지 결정하는 단계가 된다.
8. 대장균의 성장조건
- 성장조건은 CII 단백질 조절 → 용원성·용균성 선택 결정
- 세균 성장에 좋은 환경 : 용균성 증식 / 세균 성장에 좋지 않은 환경 : 용원성 증식
- CII는 매우 불완전 단백질. 분해효소에 의해 분해되는 속도가 중요. CII 분해 느리면 용원
- 단백질 분해효소가 없는 세균은 파지 감염되자마자 용원균 형성
- 단백질분해효소가 강하면 CII 파괴 → 억제인자 만들 수 없어 → 용균성 증식
- CIII는 CII를 안정화 (CIII가 CII대체기질로 단백질 분해효소와 작용)
9. λ 발생에서 전사의 항종결
- 전사개시후 조절에 관한 2가지 예를 λ발생에서 발견
* 항종결 (양성전사 조절) : λ의 N·Q 단백질 (조절인자. 종결방해) 없어도 전사개시는 가능
- N조절 단백질 : 3개 종결자에 작용. 초기유전자 발현 조절. 다른 세균, 파지의 오페론 발현 저해 없음
- Q조절 단백질 : 1개 표적을 갖는데 후기 유전자 프로모터에서 200nt 아래에 있는 종결자.
- N·Q 단백질은 각 조절인자에 특이적인 서열을 가진 유전자들에만 작용
- 항종결인자에 대한 특정 인식서열은 그들이 작용하는 종결인자에서는 발견되지 않는다. 프로모터와 종결자 사이에 위치, 인식
- N은 PL과 PR의 60 nt 와 200 nt 하단부 nut 자리를 인식.
- N은 nut 서열과 직접 결합하지 않고 nut 서열에서 전사된 RNA·RNA pol 과 결합
- 이 상태에서 RNA pol 은 N과 Cro 유전자 다음에 있는 종결자들에 저항성을 가짐 (항종결→ 전사 계속 진행시켜)
- Q단백질은 DNA 서열 (QBE)을 인식. (후기 유전자프로모터인 PR'의 -10 과 -35)
- Q단백질이 없으면 바로 멈춤 (RNA pol 이 PR에 결합하여 전사개시해도 16 or 17 nt 후에 멈춤)
- Q단백질이 있으면 RNA pol 이 프로모터를 떠나면서 Q가 QBE에 결합하고 근처 RNA pol과 상호작용 → tR'을 통과하여 전사개시
10. 역조절
- CII 단백질 : 억제인자 합성에 필요한 PRE와, int 유전자 발현을 조절하는 PI 활성화
- Int 단백질 : 용원균 형성동안 숙주 유전체에 파지유전체 통합시키는 통합효소
- CII 합성은 감염과 동시에 억제인자, 통합효소 급격한 증가 초래
- PI에서 전사된 RNA는 Int 유전자 끝에서 300 nt 뒤의 종결자에서 멈춤 (RNA는 헤어핀 구조)
- RNA 합성이 PL에서 시작 → RNA pol 은 N 단백질의 영향을 받아 긴 mRNA 형성 → 핵산분해효소(RNase II) 의 기질이 되는 가지(stem)를 만들 수 있다. (음성조절에 영향을 줌, 서열 하단에 있음)
- 따라서 분해가 이 유전자를 통해 역으로 진행되기 때문에 ⌜역조절⌟이라 한다.
- 역조절 기능 : CII 활성이 낮아 용균성 선호될 때 통합효소는 필요 없어서 통합효소 mRNA 분해
- CII 활성이 높으면 (용원성 선호) 억제된 파지 DNA가 세균염색체로 끼어갈 수 있도록 통합효소 유전자 int 유전자 발현
예제1. 다른자리입체성 조절은?
① 알락토스가 Lac 억제인자에 결합 → Lac 억제인자 구조를 변형시켜 DNA에서 떨어지게 함 → 억제중지
② ①과 동일한 기작의 gal 오페론 조절
③ 낮은 포도당 존재시, cAMP는 CAP 과 결합 → CAP 모양 변화시켜 DNA 에 결합시킴 → 전사활성화
④ NtrC(RNA pol 열린구조화) 와 MerR (DNA를 비틀어 -10.-35사이 가깝게 유지)
예제 2. lacZ의 발현 예상 (발현없음, 기본발현, 발현활성화)
- 포도당 O, 젖당 X : 발현없음 (포도당은 cAMP↓, CAP은 DNA와 결합X, lac억제인자 결합)
- 포도당 O, 젖당 O : 기본발현 (포도당은 cAMP↓, lac억제인자와 알락토스가 결합→억제중지)
- 포도당 X, 젖당 O : 발현활성화 (포도당 없어서 cAMP↑, CAP-DNA 결합→억제중지)
- 포도당 X, 젖당 X : 발현없음 (lac억제인자가 Operator와 결합→전사억제)
참고문헌 : Watson. (2014). 왓슨 분자생물학(7판). (주)바이오사이언스출판