8. 유전자 발현 조절

유전자 조절의 결과: 특정 세포로의 분화

세포들은 수많은 유전자 중에서 특정 유전자만을 단백질로 발현하는 기전을 가지고 있습니다. 다세포 생물은 분화를 거치면서 유전자발현을 조절하여 서로 다른 다양한 종류의 RNA와 단백질을 만들어 축적하면서 서로 다른 다양한 세포 유형이 형성됩니다. 분화한 세포는 크기, 모양, 행동, 기능 등에서 다양한 차이를 보입니다. 어떠한 단백질들은 다세포생물의 모든 세포에 공통으로 존재합니다. 이러한 단백질을 관리 단백질이라고 하며, 이를 암호화하는 유전자를 관리 유전자라고 부릅니다. 또 다른 단백질들은 특정 세포 종류에서만 발현됩니다.

유전자 발현의 조절

유전자 발현의 조절은 DNA로부터 단백질합성이 이루어지는 과정에서 언제, 얼마나 자주 특정 유전자를 전사시킬 것인지, RNA 일차전사체에서 어떤 프로세싱을 거칠 것인지, 리보솜에서 어떤 mRNA를 번역할 것인지, 합성된 단백질을 활성화할 것인지 등 여러 조절 단계가 있습니다. 유전자 조절의 첫 단계에 해당하는 전사 조절은 불필요한 중간 산물을 합성하지 않기 때문에 대부분의 유전자에서 가장 중요하게 작용합니다. 따라서 어느 유전자를 RNA로 전사시키는지 결정하는 DNA와 단백질 성분에 대하여 중점적으로 살펴보겠습니다. 일반적으로 전사 조절은 전사 개시단계에서 이루어집니다. 전사는 유전자의 프로모터에 RNA 중합효소가 결합하여 RNA 전사체를 만들면서 시작되는데, 유전자 발현 여부는 프로모터 외에도 조절성 DNA 염기서열에 의해 이루어집니다. 이때 세포의 종류, 환경, 수명, 외부 신호에 의해서도 영향을 받습니다. 특정 조절성 DNA 염기서열은 단일신호에 반응하여 단순한 유전자발현 스위치로서 작용한다. 이 염기서열은 스스로 작동하지 않고, DNA 결합성 유전자 조절단백질에 의해 인식되어야 작동할 수 있습니다. 전사 조절은 DNA 염기서열과 이에 결합하는 단백질 분자의 조합에 의해 일어납니다. 단백질은 특정 단백질 표면을 이용하여 DNA 염기서열을 인지합니다. 단백질 표면은 염기서열에 따라 다양하므로 서로 다른 염기서열을 인식할 수 있습니다. 대부분의 경우, 단백질은 DNA 나선의 큰 홈에 삽입되면 DNA 염기쌍과 여러 분자적 결합을 형성합니다. 단백질은 움 이중나선의 염기쌍 사이에 존재하는 수소결합에는 영향을 주지 않고 염기의 가장자리에서 수소결합, 이온결합, 소수성상호작용 등을 형성합니다.

하나의 프로모터로부터 하나의 mRNA 분자로 전사되고, 이로부터 여러 개의 단백질이 각각 번역됩니다. 이때 하나의 mRNA로 전사되는 유전자군을 오페론이라고 합니다. 오페론은 박테리아에서 흔히 발견되지만, 진핵세포에는 없습니다. 프로모터 내부에 유전자 조절단백질이 인식할 수 있는 짧은 DNA 염기서열이 위치합니다. 이를 작동자라고 부르는데, 이 부위에 단백질이 결합하면 RNA 중합효소는 프로모터를 인지할 수 없어 오페론 전사가 중지됩니다. 따라서 이러한 유전자 조절 단백질을 억제인자라고 합니다. 반면, 유전자발현을 개시시키거나 활성화할 수 있는 조절단백질이 있습니다. 이를 활성인자라고 하는데, RNA 중합효소 자체가 프로모터를 잘 인지하지 못하는 경우에 작용합니다. 프로모터 인접 DNA에 결합하여 RNA 중합효소와 접촉함으로써 전사 개시가 될 수 있도록 합니다.

진핵생물의 유전자 전사 개시

진핵생물의 유전자는 많은 신호에 반응해야 하므로 조절작용이 복잡합니다. 진핵세포는 세 종류의 RNA 중합효소를 가지고 있습니다. 이 중 RNA 중합효소Ⅱ가 진핵생물 유전자를 전사합니다. 진핵생물 RNA 중합효소Ⅱ는 스스로 전사를 개시하지 못하고, 보편전사인자라고 불리는 여러 단백질의 도움이 필요합니다. 보편전사인자는 프로모터와 RNA 중합효소의 결합을 유도하고 DNA의 두 가닥을 벌려 전사 개시를 도와줄 뿐만 아니라, 전사 개시 후 프로모터로부터 RNA 중합효소를 분리시키는 역할을 합니다. RNA 중합효소Ⅱ에 의해 전사되는 거의 모든 프로모터에 존재하는 DNA 염기서열이 있습니다. T와 A 뉴클레오타이드로 구성된 짧은 서열로 TATA 박스라고 알려져 있습니다. 여기에 TFIID라는 보편전사인자가 결합하면 RNA 중합효소Ⅱ와 다른 보편전사인자들이 차례로 결합하면서 완전한 전사 개시복합체를 형성합니다. 그 후 RNA 중합효소Ⅱ가 RNA 전사체를 만들면 보편전사인자들은 프로모터로부터 분리됩니다. 진핵생물은 유전자 조절단백질이 프로모터에서 멀리 떨어져 있는 DNA와 결합해도 전사 개시에 영향을 줄 수 있습니다. 이에 따라 하나의 프로모터는 DNA를 따라 산재해 있는 다양한 여러 조절성 염기서열에 의해 조절 받게 됩니다. 유전자에서 활성인자가 결합하는 부위를 엔헨서라고 합니다. 엔헨서는 프로모터로부터 멀리 떨어진 곳에도 존재하는데, 둘 사이의 DNA가 고리 모양을 형성하면서 엔헨서에 결합한 활성인자가 프로모터에 결합한 보편전사인자나 RNA 중합효소와 접촉하여 상호작용이 가능하게 됩니다.