주제 2. 유전자발현의조절 생명과학 11 장앞부분 Figure 06.01: The minimum gene number required for any type of organism increases with its complexity. 1
인간게놈 DNA 중 : 유전자 ( 엑손 + 인트론 ): 25% 엑손 : 1%, 인트론 : 24% 나머지는유전자가아닌 DNA Figure 06.12: The largest component of the human genome consists of transposons. Other repetitive sequences include large duplications and simple repeats. 1. 원핵생물 : DNA 와상호작용하는단백질들이환경변화에따라원핵생물의유전자발현을조절한다 유전자발현조절 (Gene regulation ) 은유전자발현을켜고끄고하는것이다. 세포는유전자발현조절을통해필요한시기에그리고필요한장소에서특정종류의단백질을만들수있다. E. coli. 에대해연구함으로써유전자조절을이해하게되었다. 2
Cells of E. coli bacteria E. coli 1. DNA 와상호작용하는단백질들이환경변화에따라원핵생물의유전자발현을조절한다 유전자발현 (Gene expression) 은유전자로부터단백질로정보가흐르는전반적인과정이다. 주로전사단계에서조절된다. 스위치가켜진 유전자는전사되어 mrna 를만들고, mrna 는해독되어이에상응하는단백질을만든다. 생물체는유전자발현을조절하여환경변화에반응한다. 3
1. DNA 와상호작용하는단백질들이환경변화에따라원핵생물의유전자발현을조절한다 오페론 (operon ) 은조절염기서열들과더불어서로연관된기능을가진유전자들의집단이다. 연계적으로조절되는유전자군이다. 몇가지경우를제외하고오페론은원핵생물에만존재한다. 1.1 DNA 와상호작용하는단백질들이환경변화에따라원핵생물의유전자발현을조절한다 E. coli 가처한환경에젖당이있을경우 - 젖당오페론을이용해젖당대사에필요한모든효소들이동시에만들어진다. 젖당 (lac) 오페론에는 1. 서로인접해있는 3개의젖당이용유전자와 2. RNA 중합효소 (RNA polymerase) 가결합하여 3개의젖당이용유전자전사를시작하게하는프로모터 (promoter) 염기서열, 그리고 3. 억제자 (repressor ) 가결합해 RNA 중합효소의활동을방해하는작동자 (operator) 염기서열이포함된다. 4
lac 오페론의조절 조절유전자 (regulatory gene) : 오페론의바깥쪽에위치하며, 억제자단백질을암호화한다. 젖당이없을경우, 억제자가작동자에결합하여 RNA 중합효소활동을방해한다. 젖당은억제자를불활성화시키며, 이로인해 작동자가봉쇄되지않으며 ( 작동자에억제자가결합하지않음 ) RNA 중합효소가프로모터에결합하고전사를개시하여 오페론의 3 개유전자들이모두전사된다. 5
1. DNA 와상호작용하는단백질들이환경변화에따라원핵생물의유전자발현을조절한다 억제자에의해조절되는두가지유형의오페론 lac 오페론의경우 ( 유도성오페론 ): 억제자는 혼자있을때활성이있으며, 젖당과결합시불활성화된다 trp 오페론의경우 ( 억제성오페론 ), 억제자는 혼자있을때불활성화상태이며 아미노산트립토판 (Trp) 과결합되었을때활성화된다. 6
1. DNA 와상호작용하는단백질들이환경변화에따라원핵생물의유전자발현을조절한다 활성자에의해조절되는오페론 : 활성자 (activator) 는 DNA 에결합함으로써오페론을활성화시키는단백질로 RNA 중합효소가프로모터에더쉽게결합할수있게해준다. 활성자로인해다양한종류의오페론을조절할수있다. 2. 진핵생물 : 염색체구조와화학적변형은유전자발현에영향을준다 분화 (Differentiation) 세포가구조적, 기능적으로특수화되는과정으로 특정유전자들이발현되거나발현되지않음으로써조절된다. 한개체에있는거의모든세포들은동일한유전체를가지고있다. 세포유형간의차이는 가지고있는유전자들이달라서가아니라단지 유전자가선택적으로발현되기때문이다 7
진핵세포염색체는여러차례감기고접히는과정을거치는데이를응축 (DNA packing ) 이라고한다. 뉴클레오솜 (Nucleosome) 은 DNA 가히스톤 (histone) 단백질주변을둘러감아형성된다 이결과 실로연결된구슬 모양이된다 각각의뉴클레오솜은 DNA와 8개의히스톤으로구성 연이은뉴클레오솜들은연결자 (linker) 라고불리는짧은 DNA 가닥에의해연결되어있다 그다음응축단계로실로연결된구슬들이감겨치밀한나선형섬유구조를형성 섬유구조가더감겨굵은초나선 (supercoil) 을형성하고, 고리화와접힘을통해더응축된다 DNA 응축은 RNA 중합효소와그외다른전사단백질들이 DNA 와접촉하는것을방해하므로유전자발현이억제된다 세포들은유전자를오랫동안불활성화상태로유지하고자할경우고도의응축방법을활용한다 간기염색체의여러부근에서발견되는고도로응축된염색질은발현이전혀되지않는다 8
2. 염색체구조와화학적변형은유전자발현에영향을준다 DNA 염기나히스톤단백질이화학적으로변형되면후생유전을초래한다 특정효소들이 DNA 염기서열에는변화를주지않고 DNA 염기에메틸기 (methyl group) 를첨가한다 발현되지않는유전자들은더많이메틸화되어있다 유전자들이일단메틸화되면메틸화된상태는세포분열에의해다음세대에도유지된다 2. 염색체구조와화학적변형은유전자발현에영향을준다 발현되고있지않은유전자에있는여분의메틸기를제거하면이들유전자가발현되게할수있다 염기서열이직접적으로관여하지않는메커니즘에의해특성들이유전되는것을후생유전 (epigenetic inheritance ) 이라고한다. 이러한변형은아직까지완전히이해되지않은과정에의해되돌려질수있다 9
진핵세포염색체의 DNA 압축단계 그림 11.2A_2 metaphase chromosome 세포분열중기의염색체 700 nm 10
3. 진핵생물의전사는복잡한단백질복합체에의해조절된다 원핵생물과진핵생물모두조절단백질 ( 활성자와억제자 ) 을활용한다 조절단백질은특정 DNA 서열에결합하여 RNA 중합효소의결합을증진시키거나방해함으로써유전자들이전사되거나되지않게조절한다 진핵생물에서는활성자가억제자보다더중요한것으로보인다. 따라서대부분유전자들은스위치가꺼진상태가기본상태이다 전형적인식물세포와동물세포들은유전자들중일부유전자들만전사한다 3. 진핵생물의전사는복잡한단백질복합체에의해조절된다 조절염기서열에결합하는조절단백질 진핵세포의 RNA중합효소는전사인자 (transcription factor) 라는단백질의도움을받아프로모터에결합한다. DNA 인핸서 (enhancers) 에결합하여유전자의전사를일으키는활성자가있다. 활성자가결합하면 DNA가휘어진다 다른전사인자들이결합된활성자와상호작용하며그후이들복합체가유전자의프로모터 (promoter) 에결합한다 그다음RNA 중합효소가프로모터에결합하고전사가시작된다. 11
진핵생물의유전자발현모델 3. 진핵생물의전사는복잡한단백질복합체에의해조절된다 사일렌서 (Silencers) 는 DNA 염기서열에결합하여전사를억제하는억제자단백질이다. 진핵세포에서유전자발현이통합적으로조정되는이유는, 많은경우, 하나의특정대사경로에있는모든유전자가갖는특정조합의조절염기서열때문이다 12
4. 진핵생물의 RNA 는한가지이상의방법으로스플라이싱된다 선택적 RNA 스플라이싱 (Alternative RNA splicing) 동일한전사체로부터서로다른 mrna 의형성하며 동일한유전자로부터한개이상의폴리펩티드를만들수있고 선택적으로여러인트론을포함한엑손이제거될수있다 사람의경우흔하게일어난다 ( 유전자수의 2 배단백질이존재하는가장큰원인 ) 13
5. 작은 RNA 들이유전자발현조절에있어다양한역할을한다 사람유전체중의단지 1.5% 만이단백질을암호화하는엑손이다 ( 이는다른다세포진핵생물의경우도마찬가지이다 ) 일부적은양의 DNA 는 rrna 와운반 RNA(tRNA) 를만드는유전자이다 최근의많은자료에따르면유전체의나머지상당한부분은기능은있지만단백질을암호화하지않는 RNA 로전사된다. 여기에는다양한종류의작은 RNA 들도포함된다 5. 작은 RNA 들이유전자발현조절에있어다양한역할을한다 마이크로 RNA (mirnas) 는 mrna 분자의상보적인염기서열에결합함으로써 표적 mrna 를분해하거나 번역을방해한다 RNA 간섭 (RNA interference, RNAi) 은세포안으로마이크로 RNA 를집어넣어특정유전자염기서열의발현을인위적으로조절 ( 억제 ) 하는것이다 14
6. 유전자발현은다음단계에서도조절된다 유전자발현은 mrna 가완전히가공되어세포질로이동된후에도다음과정에의해조절될수있다 mrna 의분해 해독과정의개시 단백질활성화 단백질분해 15
Animation: mrna Degradation Right click on animation / Click play 단백질의활성화 : 활성이있는인슐린단백질을생성하는데있어서폴리펩티드절단의역할 16
Animation: Protein Degradation Right click on animation / Click play 7. 요약 : 진핵생물의유전자발현은다양한메커니즘에의해조절된다 여러조절지점이존재하며, 이에따라 유전자발현스위치의 on, off가조절되고 발현속도가가속화되거나감속될수있다 17
진핵세포의유전자발현조절단계 세포질 18
7. 요약 : 진핵생물의유전자발현은다양한메커니즘에의해조절된다 조절지점 1. 염색체의변화와 DNA 응축의풀림 2. 전사의조절 : 조절단백질과조절염기서열 3. RNA 가공의조절 : 모자쓰기와꼬리달기. 스플라이싱 4. 핵막을통한이동 5. mrna의분해 6. 번역조절 7. 번역후조절 -단백질의절단, 변형, 활성화 - 단백질의분해 19
8. 신호전달경로는세포표면에서인지된정보를세포내의반응으로전환한다 신호전달경로 (Signal transduction pathway) 는세포표면에서인지된신호를세포내부의반응으로전환시키는일련의분자적변화이다 신호전달세포가신호분자를방출한다. 신호분자는표적세포의표면에있는수용체와결합한다. 연계단백질은일련의반응을통해활성화된다. 전사인자가활성화되어핵안으로들어간다. 특정유전자가전사되어세포반응을일으킨다. 신호전달경로는세포의많은기능들에매우중요하다 유전자발현을유도하는신호전달경로 20