유전자 조절의 미래의 연구목적

유전자 조절의 미래의 연구목적

 

생명체가 유전자 발현을 조절하는 가장 중요한 방식은 전사를 조절하는 것이다. 이러한 조절은 DNA상에서 조절될 유전자의 가까이에 존재하는 특별한 염기서열에 결합하는 조절단백질(전사인자)에 의해 이루어진다. 진핵생물에서의 유전자 조절은 원핵에서보다 훨씬 인자를 필요로 한다면 전사조절인자에 정보를 주는 많은 조절유전자가 필요하기 때문이다. 그러면 조절유전자 자신의 시동, 정지는 어떻게 하는가?

 

1. 유전자 전사율은 그 유전자에 인접해있는 촉진유전자라는 DNA에 의해서 조절된다.

2. 촉진유전자는 몇 개의 서로 다른 부위로 구성되고, 그 각각에는 상이한 전사인자가 결합한다.

3. 어떤 전사인자는 DNA 상의 독특한 염기서열에 결합한다.

 

4. 전사인자는 일반적으로 2량체로 독특한 염기서열에 결합하는데 만일 2량체를 구성하는 각 단위체가 모두 같으면(동종 2량체) 각 단위체는 역전반복 DNA 서열의 각각에 붙으며 단위체가 서로 다르면 서로 다른 염기서열의 DNA에 결합한다.

5. 전사인자의 결합은 전사율에 양성적 혹은 음성적 효과를 초래한다. 실제로 총합적인 전사율은 이러한 양성적 혹은 음성적 반응 조절인자의 균형에 의하여 결정된다.

 

6. 진핵생물에서 유전자 전사율은 촉진유전자 구역에 전사인자가 결합하는 것 외에도 유전자로부터 수천 염기 떨어져 존재하는 엔핸서에 이들 인자가 결합하는 것에 의해서도 영향을 받는다. 

 

이러한 관찰로 많은 정보를 얻었음에도 불구하고, 가장 중요한 의문은 아직 남겨져 있다. 만일 세포가 환경이 변화하여 선택적으로 수천 개 유전자 중 소수를 작동시켜야 한다면 각각의 유전자는 자신만의 특수한 전사인자를 필요로 하는가? 물론 아니지만 만약 그렇다면 그것은 생물체에는 엄청난 조절유전자가 있어야 함을 의미한다. 왜냐하면 세포에 존재하는 다양한 유전자 산물(단백질)에 대한 구조유전자 각각이 독특한 전사조절인자를 필요로 한다면 전사조절인자에 정보를 주는 많은 조절유전자가 필요하기 때문이다. 그러면 조절유전자 자신의 시동, 정지는 어떻게 하는가?

 

어떤 경우에 많은 전사인자는 모든 종의 세포에서 발견되고 널리 다양한 다른 유전자들을 조절하는데 관여한다는 것이 알려져 있다. 더구나 다양한 전사인자에 의해서 인식되는 DNA 염기서열은 보통 매우 짧으며 많은 유전자에 대한 촉진유전자나 엔핸서들의 내부에 있다. 그렇다면 어떻게 세포는 정확하게 자기 유형에 적절한 유전자의 발현만을 유발하는가? 하나의 가능성은 전사인자들이 세포에 따라 다르게 조합하는 것이다. 그리하여 전사인자 A, C, F와 G는 세포 “1”에서 유전자세트를 작동시키고, 반면에 인자 A, B, G와 L은 세포 “2”에서 적절한 기능을 하는데 필요한 다른 유전자세트를 가동시킨다. 이런 식의 추첨이 비슷한 방식으로 일어난다. 수백의 사람들이 4자리수 추첨게임을 하면, 행운의 소수만이 당첨숫자를 가질 것이다. 그런 조합적인 시스템은 생물에서 일반적인 수단이다.  특이성-독자성을 창출하기 위해서 제한된 요소들로 다른 조합을 이루는 것이다. DNA 암호가 그 예이다. 수많은 항원에 대항하기 위한 항체의 다양성도 역시 한정된 수의 유전자 요소를 다르게 조합함으로써 달성된다. 이러한 조합적인 방법 외에도 또 다른 기작이 있다. 어떤 전사인자는 오직 한 종류의 세포에서만 발현되는 것도 있다. 이들은 그런 종류의 세포에 알맞은 유전자만을 전사시키는 것 같다.

 

연구가 진행되어 오면서, 진핵생물 유전자의 촉진유전자와 엔핸서는 많은 짧은 토막의 서로 다른 하위자리를 보유하고 있으며, 이들 각각은 1개 또는 소수의 전사인자가 결합할 수 있음이 명백해지고 있다. 예를 들어 항체의 큰 2개 사슬을 지정하는 유전자의 촉진유전자는 적어도 6개의 다른 하위자리를 가진다. 여기에 결합하는 8개의 다른 전사인자가 이미 발견되었고 더 많은 것이 발견될 것이다. 항체의 유전자는 역시 2개의 엔핸서를 갖는다. 이 중 하나는 14개의 하위자리가 있으며 이들 하위자리의 한두 개에 특이하게 결합하는 16개의 서로 다른 전사인자가 알려져 있다. 단일 유전자를 정확하게 조절할 수 있는 능력은 전사인자의 조합을 특이하게 이룸으로써 가능하다. 일반적으로 특정 세포에서 특정의 전사인자의 선정은 세포내의 특정 유전자를 작동시킨다. 그러나 발견된 엄청난 수의 전사인자들간의 복잡한 상호관계를 해명한다 하여도 여전히 해결되지 않은 많은 문제들이 있다. 어떻게 특정한 유형의 세포는 특정한 전사인자의 조합을 가질 수 있는가? 전사인자 자신도 유전자의 산물이고 이 유전자들도 조절을 받아야 한다. 간세포의 활성 전사인자 유전자들은 항체 형성세포의 그것들과는 분명 달라야 한다. 그래서 그것은 분화된 특정 유형의 세포에서 유전자 전사의 양상으로 된 세포의 생활일 수밖에 없다. 변화 과정과 대조적으로 이러한 선택은 한번에 일어나고, 그 이후에는 그 세포의 운명을 따른다. 단지 어떻게 이러한 결과가 이루어질 수 있었는가가 생물학의 가장 큰 의문이다. 어떻게 유전자 변이가 일어나서 분화되지 않은 전단계로부터 분화된 세포가 생산될 수 있었는가 하는 몇 가지 증거가 다음 장에서 설명될 것이다.