전사의 조절 요소

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RNA 중합 효소는 유전체의 아무 곳에서나 전사를 시작하지 않는다. 유전자 앞의 프로모터라는 짧은 서열에 붙어야 한다. 그런데 어떤 프로모터는 중합 효소가 잘 붙지 않아 평소에는 거의 전사되지 않다가, 활성자라는 단백질이 근처에 붙으면 전사가 수십 배로 늘어난다. 활성자는 중합 효소를 끌어오기만 하는데 어떻게 이렇게 큰 효과를 낼까? 대장균과 사람에서 이 조절은 어떻게 같고 어떻게 다를까?

log 활성자 농도 (결합 상수 단위)

그림 1. 활성자와 RNA 중합 효소가 서로 끌어당겨 함께 붙을 때 더 안정해지는(협동 인자 50) 프로모터에서, 중합 효소가 붙어 있을 확률(모형). 활성자가 없으면 1% 남짓이지만, 활성자가 늘면 30%까지 오른다.

먼저 알아야 할 것전사와 RNA 중합 효소, 오페론(생명과학), 확률(수학), DNA 복제의 정확도(DNA 복제의 교정과 수선).

3.2.1프로모터와 조절 단백질

대장균의 프로모터에는 전사 시작점 앞 약 10번째와 35번째 염기 근처에 중합 효소가 알아보는 짧은 서열이 있다. 이 서열이 표준에 가까울수록 중합 효소가 잘 붙는 강한 프로모터이다. 프로모터 근처에는 조절 단백질이 붙는 자리도 있다. 억제자는 중합 효소가 붙거나 나아가는 것을 막고, 활성자는 중합 효소와 직접 닿아 붙들어 준다. 활성자와 중합 효소가 함께 DNA에 붙으면 각자 따로 붙을 때보다 훨씬 안정해지는데, 이 효과를 협동 결합이라 한다.

정리 3.2.1 협동 결합에 의한 활성화

중합 효소의 결합 세기를 \(p\), 활성자의 상대 농도를 \(a\), 둘이 함께 붙을 때의 협동 인자를 \(\omega\)라 하면, 중합 효소가 프로모터에 붙어 있을 확률은 \[\frac{p(1 + a\omega)}{1 + p + a + pa\omega}\]이다. 약한 프로모터(\(p\)가 작음)일수록 활성자가 주는 배율이 크며, 그 최대치는 대략 \(\omega\)이다.

그림 1에서 활성자 농도를 바꾸어 보자. 활성자가 없으면 중합 효소가 붙어 있을 확률은 약 1%이다. 활성자 농도가 결합 상수와 같아지면 약 20%로 20배가 되고, 활성자가 넉넉하면 약 33%까지 올라 최대 34배쯤이다. 활성자는 중합 효소를 직접 바꾸지 않고, 함께 붙을 때의 안정성을 높여 중합 효소가 프로모터에 머무는 시간을 늘린다. 그래서 같은 활성자라도 약한 프로모터에서 효과가 훨씬 크게 나타난다.¹

3.2.2진핵세포의 전사 조절

진핵세포에서는 RNA 중합 효소가 혼자 프로모터에 붙지 못하고, TATA 상자를 알아보는 단백질을 비롯한 여러 기본 전사 인자가 먼저 모여야 한다. 그리고 유전자에서 수천~수만 염기쌍 떨어진 곳에 인핸서라는 조절 서열이 있어, 활성자가 인핸서에 붙으면 DNA가 고리처럼 굽어 프로모터의 전사 장치와 닿는다. 한 유전자에 여러 인핸서가 있어, 조직과 시기마다 다른 활성자 조합이 다른 인핸서를 쓴다. 그래서 같은 유전체를 가진 세포라도 간세포와 신경 세포가 서로 다른 유전자를 켠다.

그림 2. 진핵세포는 멀리 떨어진 인핸서와 여러 전사 인자의 조합으로 전사를 더 세밀하게 조절한다.

3.2.3예제 풀이

예제 3.2.2

그림 1의 모형에서 \(p = 0.01\), \(\omega = 50\)이다. 활성자 농도가 결합 상수와 같을 때(\(a = 1\))와 10배일 때(\(a = 10\)) 중합 효소가 붙어 있을 확률을 구하고, 활성자가 없을 때와 비교하여라.

활성자가 없으면 \(\dfrac{0.01}{1 + 0.01} \approx 0.0099\)이다. \(a = 1\)이면 \(\dfrac{0.01 \times 51}{1 + 0.01 + 1 + 0.5} = \dfrac{0.51}{2.51} \approx 0.203\)으로 약 20배이다.

\(a = 10\)이면 \(\dfrac{0.01 \times 501}{1 + 0.01 + 10 + 5} = \dfrac{5.01}{16.01} \approx 0.313\)으로 약 32배이다. 활성자를 10배 늘렸지만 전사는 1.5배만 더 늘었다. 활성자가 이미 대부분 붙어 있어 포화되었기 때문이다. 즉 활성자의 효과는 협동 인자가 정하는 상한이 있고, 그 상한에 가까워지면 활성자를 더 늘려도 효과가 줄어든다. 그래서 세포는 활성자의 양보다 어떤 활성자가 붙느냐를 바꾸어 유전자를 켜고 끈다.

아래 탐구 카드에서 대장균과 사람의 전사 조절 요소를 비교하고, 조절 단백질이 전사 시작 위치와 빈도를 어떻게 정하는지 살펴보자.

대장균의 lac 오페론에서는 CAP 단백질이 이런 활성자 노릇을 한다. 포도당이 없으면 cAMP가 늘어 CAP에 붙고, CAP가 프로모터 옆에 붙어 중합 효소를 끌어와 전사를 수십 배 늘린다.

마무리

RNA 중합 효소는 프로모터의 신호 서열을 알아보고 붙으며, 활성자와 억제자 같은 조절 단백질이 근처에 붙어 전사의 시작과 빈도를 바꾼다. 활성자는 중합 효소와 함께 붙을 때의 협동 결합으로 중합 효소를 붙잡아, 약한 프로모터의 전사를 크게 늘린다. 그래서 처음 질문의 약한 프로모터는 활성자와 중합 효소가 서로를 안정하게 붙들어, 활성자 하나로 전사가 수십 배 강해진다.

탐구 1

핵 속 DNA의 정보는 어떻게 세포질의 단백질이 될까?

전사, RNA 가공, 번역

진행 = —

지금 단계: —
일어나는 곳 · 주요 효소: —
지금까지 만든 것: —

짧은 가상의 유전자로 그린 모식이다. 실제 유전자는 수천~수만 염기이고, 번역은 여러 리보솜이 동시에 진행한다.

질문DNA는 진핵세포의 핵 밖으로 나오지 않는데, 단백질은 세포질의 리보솜에서 만들어진다. 원본 설계도를 지키면서 정보를 전달하려면 어떤 방법이 좋을까?
복원DNA의 정보는 RNA를 거쳐 단백질로 전달된다(중심 원리, 통합과학). 그리고 RNA는 T 대신 U를 가지며 한 가닥이다.
설명전사는 RNA 중합 효소가 프로모터에 붙어 DNA 두 가닥 중 주형 가닥에 상보적인 RNA를 5′→3′ 방향으로 만드는 과정이다. 진핵세포에서는 처음 만든 RNA(RNA 전구체)에서 인트론을 잘라 내고 엑손을 잇는 스플라이싱, 앞뒤에 모자(5′ cap)와 꼬리(poly-A)를 붙이는 가공을 거친 뒤 mRNA가 핵공으로 나간다. 그리고 번역은 리보솜이 mRNA의 코돈(염기 3개)을 읽고, 안티코돈이 맞는 tRNA가 가져온 아미노산을 펩타이드 결합으로 잇는 과정이며, 시작 코돈 AUG에서 시작해 종결 코돈에서 끝난다.
연결원핵세포에는 핵막이 없어 전사가 끝나기도 전에 리보솜이 mRNA에 붙어 번역을 시작한다(전사와 번역의 동시 진행). 또 mRNA는 쓰고 나면 분해되므로, 세포는 필요한 만큼만 복사본을 만들어 단백질 양을 조절한다(다음 절들).
적용진행 막대를 움직이며 각 단계에서 무엇이 만들어지는지 보자. 그리고 주형 가닥과 mRNA의 염기 서열이 어떤 관계인지, mRNA의 염기 서열이 DNA의 어느 가닥과 같은지(T와 U만 다르게) 확인해 보자.
판단유전자 하나가 단백질 하나를 만든다는 규칙은 출발점으로 좋지만 예외가 많다. 선택적 스플라이싱으로 한 유전자에서 여러 단백질이 나오고, tRNA나 rRNA처럼 단백질로 번역되지 않고 RNA 자체로 일하는 유전자도 있기 때문이다.

확인조건이 달라지면

DNA 주형 가닥의 염기 서열이 3′-TAC GGT-5′일 때, 전사된 mRNA와 첫 두 아미노산은?

탐구 2

RNA 중합 효소는 수백만 염기쌍 가운데 어디서 전사를 시작할지 어떻게 알까?

프로모터와 전사 인자 · 원핵생물과 진핵생물의 전사 개시

σ 인자 (σ⁷⁰)

−35 상자 불일치 = 0개 −10 상자 불일치 = 0개

두 상자 사이 간격 = 17 bp

프로모터를 알아보는 것: —
중합 효소의 상태: —
상대 전사 개시 빈도: —

전사 개시 빈도는 경향만 보인 모식(상대값)이다. 원핵에서는 불일치 1개마다 약 1/3, 간격이 17 bp에서 1 bp 벗어날 때마다 약 1/4로 두었다. 진핵에서는 기본 전사 복합체만 있을 때를 1로 두었다. 실제 효과는 염기의 위치와 종류에 따라 다르다.

질문대장균 유전체는 약 460만 염기쌍, 사람은 약 31억 염기쌍이다. RNA 중합 효소는 이 가운데 유전자의 앞부분만 골라 붙고, 정해진 방향으로 전사를 시작해야 한다. 그 위치는 DNA 서열에 어떻게 적혀 있고, 누가 읽을까?
복원전사는 RNA 중합 효소가 프로모터에 결합해 DNA 두 가닥을 풀고, 주형 가닥에 상보적인 RNA를 5′→3′ 방향으로 만드는 과정이다. 전사가 시작되는 첫 염기를 +1, 그 앞(상류)을 −로 센다.
설명대장균의 RNA 중합 효소는 한 종류이다. 중심 효소(α₂ββ′ω)만으로는 DNA 아무 곳에나 약하게 붙을 뿐이고, σ 인자가 결합한 완전 효소가 되어야 프로모터의 −35 상자(공통 서열 TTGACA)와 −10 상자(TATAAT)를 알아본다. 두 상자 사이 간격은 17 bp 안팎일 때 가장 잘 맞다. 진핵생물의 RNA 중합 효소 Ⅱ는 혼자서는 프로모터를 알아보지 못한다. TFIID의 TBP가 TATA 상자(−25~−30 부근)에 먼저 붙고, TFIIB·E·F·H 같은 기본 전사 인자가 차례로 모여 중합 효소를 앉힌다. 여기에 멀리 떨어진 인핸서에 붙은 활성자가 DNA가 고리처럼 휘면서 매개자 복합체를 통해 전사 개시 복합체를 끌어당겨 전사량을 크게 늘린다.
연결공통점을 보면 두 생물 모두 프로모터의 짧은 서열을 단백질이 알아보고, DNA를 풀어 주형 가닥을 5′→3′ 방향으로 전사한다. 차이점을 보면 진핵생물은 RNA 중합 효소가 세 종류(Ⅰ은 rRNA, Ⅱ는 mRNA, Ⅲ은 tRNA와 5S rRNA)이고, 여러 전사 인자가 모여야 시작하며, 핵 안에서 전사된 RNA 전구체가 5′ 모자 씌우기, 3′ poly-A 꼬리 달기, 스플라이싱을 거친 뒤 세포질로 나간다. 원핵생물은 핵막이 없어 전사가 끝나기도 전에 리보솜이 붙어 번역을 시작한다. 대장균은 열 충격 때 σ³² 같은 다른 σ 인자를 만들어 다른 유전자 묶음을 켠다.
적용원핵에서 −10 상자의 불일치를 늘려 보고, 간격을 15 bp나 19 bp로 바꿔 보자. 상자의 서열이 그대로여도 간격이 바뀌면 왜 전사가 줄어들까? σ 인자를 빼면 무엇이 달라지는가? 진핵에서는 TFIID를 빼고 활성자와 매개자만 남겨 보고, 반대로 기본 전사 인자만 남겨 보자.
판단‘공통 서열’은 여러 프로모터를 겹쳐 놓고 가장 흔한 염기를 고른 것이지, 실제로 그 서열을 그대로 가진 프로모터는 드물다. 공통 서열과 똑같을수록 결합이 강하지만, 세포에는 오히려 조절을 받을 여지가 있는 적당히 약한 프로모터가 많다(젖당 오페론의 프로모터도 CAP의 도움이 필요할 만큼 약하다). 또 진핵생물 프로모터 가운데 TATA 상자가 있는 것은 일부이며, 나머지는 다른 핵심 프로모터 서열을 쓴다.

확인조건이 달라지면

어떤 진핵세포 유전자의 인핸서는 프로모터에서 2만 염기쌍 떨어져 있다. 인핸서를 잘라 내 프로모터 바로 앞에 거꾸로 뒤집어 붙였더니 활성자가 있을 때 전사가 여전히 크게 늘었다. 이 결과로 가장 타당한 결론은?