진핵세포에서의 유전자 조절

진핵세포에서의 유전자 조절

 

진핵세포에서의 유전자 조절은 어떠한가?원핵세포와 유사한 전사조절기작을 이용할까? 진핵세포의 유전자 활성은 원핵세포에서와는 확실히 다르다. 인간의 난모세포(cocyte)를 예로 들어보자. 여아는 탄생 몇 달 전의 태아기에 그녀가 일생 동안 형성할 난자의 전구 m세포를 태아의 난소에 비축한다. 12여년 후에까지 난모세포라 하는 이들 세포는 작고 정체된 상태로 오랜 시간 동안 감수분열 I 의 중기에 머물러 있다. 사춘기에 이르면 이 난모세포는 대체로 한 달에 1개씩의 비율로 분열과 발생이 매우 빨라지는 데 바로 이때에 감수분열 I의 종결 및 감수분열 I가 시작된다. 이런 변화는 혈액내의 호르몬 양의 증가에 의해서 일어나는 것으로서 호르몬 자극없이는 난자의 전구세포가 성숙할 수 없다.

 

이것이 진핵세포와 원핵세포의 다른 점의 한 예이다. 즉 이미 존재하는 유전정보가 외부 신호의 변화에 반응하여 새로이 발현된다. 진핵세포는 대장균보다 훨씬 많은 유전정보를 가진다. 이러한 많은 유전자의 활성양상 변화를 조절하는 방법은 무엇일까? 진핵세포의 유전자 발현 양상은 원핵세포와는 매우 다르다. 진핵세포는 이름에서 알수 있듯이 핵을 가지며 핵에서 전사가 일어난다. 반면에 단백질 합성(해독)은 세포질에서 일어난다. 원핵세포에서는 전사와 해독이 동시에 일어난다. 진핵세포에서는 전사 후 생긴 mRNA가 해독되기 위해서는 세포질로 이동되어야 한다.

 

원핵세포의 mRNA는 불안정하여 몇 번 해독된 후 분해된다. 전사물이 새로 생기지 않으면 단백질 합성이 중단되고 따라서 전사조절은 특정 단백질의 생성량에 즉각적으로 반영된다. 반면 진핵세포의 mRNA는 매우 안정하여 발생하는 난자의 경우 형성 후 수일 동안 해독되지 않은 채로 남아 있다가 수정된 후에야 해독이 일어난다.

Lac 오페론에서 알 수 있는 것처럼 박테리아의 mRNA는 기능적으로 관련된 몇 개 유전자들의 전사물 연결체이다. 이것으로 인해서 세포 상태의 변화(예를 들어 글루코오스에서 락토오스로의 변화)에 대한 협동적인 반응이 가능해진다. 반대로 진핵세포의 mRNA는 단 하나의 유전자만의 전사물을 포함한다.

진핵세포에서는 유전자 발현이 복잡함으로 인해서 다양한 조절기구를 가지는데 원핵세포와 같이 전사를 조절할 수 있다. 그러나 원핵세포와는 달리 1차 전사체 RNA는 세포질로 이동되기 전 핵내에서 가공을 통해 변형될 수 있다. 앞에서 언급한 것처럼 mRNA의 안정성은 다양하다. 즉 분해되기 전 세포질에서 존재하는 시간이나 해독되는 횟수도 다양하다. 더구나 진핵세포는 리보솜에 의해서 해독되는 효율을 긍정적 혹은 부정적으로 조절할 수도 있다. 이러한 모든 단계가 진핵세포의 유전자 발현을 조절하는데 이용되고 있지만 진핵세포에서의 조절기작 중 가장 중요한 것은 원핵세포에서처럼 유전자 전사율(rate of gene transcription)의 조절이다. 

진핵세포에서 단백질을 발현하는 모든 유전자는 RNA 중합효소 I라고 불리는 RNA 중합효소에 의해서 전사된다. 그러므로 세포에서의 모든 mRNA의 합성 첫단계에는 RNA 중합효소 II 가 작용한다(ribosomal RNA나 transfer RNA 유전자의 rRNA, tRNA로의 전사에는 다른 종류의 RNA 중합효소가 작용한다). RNA 중합효소 II가 유전자의 촉진유전자 상부에 결합해야만 전사가 일어난다. 진핵세포의 촉진 유전자가 RNA 중합효소 II와 결합하기 위해 촉진유전자에 결합하는 다른 여러 단백질을 필요로 하기 때문에 그 구성이 복잡하다. 이러한 촉진유전자에 결합하는 단백질 중 잘 이해되고 있는 것이 transcription factor ID, 즉 TFID라 불리는 단백질 복합체이다. 이 단백질 복합체는 전사시발점의 상부에 있는 24개 염기 중앙에 위치한 TATAAAA의 7개 염기에 결합한다. 이 염기서열을 TATA box라 부른다.

 

RNA 중합효소 II 가 유전자 전사를 개시하는 데 TFID 외에도 다른 전사조절인자(모두 단백질)를 많이 필요로 한다. 대부분의 전사조절인자들이 거의 모든 유형의 세포에서 발견되며 이들은 다양한 유전자의 전사를 조절한다.