08 유전자 발현의 조절

유전자 발현의 조절

대부분의 생물은 보통 수천에서 수만 개의 유전자를 갖지만 이렇게 많은 유전자가 동시에 모두 발현되는 것은 아니다. 생물은 세포에 따라 특정한 장소와 시기에 단백질을 필요한 양만큼 만들어내는데, 이를 위해 세포 내에는 유전자 발현을 조절하는 과정이 있다.

(1) 원핵생물의 유전자 발현 조절

① 대장균의 에너지원 이용: 대장균은 배지에 포도당과 젖당이 모두 있으면 에너지원으로 포도당을 먼저 이용하지만, 젖당만 있으면 젖당을 에너지원으로 이용하기 시작한다.

• 젖당 이용 시의 변화: 대장균이 젖당을 이용하기 위해서는 젖당을 세포막 안으로 들여오는 투과 효소, 젖당을 포도당과 갈락토스로 분해하는 젖당 분해 효소 등이 필요하다. 젖당을 이용하지 않을 때에는 이 효소들의 합성이 억제되지만, 젖당을 에너지원으로 이용할 때에는 이 효소들의 합성량이 모두 급격히 증가한다.
• 젖당 오페론: 젖당 이용에 관련된 세 효소의 유전자는 염색체에서 하나의 프로모터 아래에 이어져 배열되어 있고 하나의 mRNA로 함께 전사된다. 젖당 이용에 관련된 세 효소의 유전자와 이들의 발현에 관여하는 프로모터와 작동 부위를 젖당 오페론이라고 한다.
• 오페론: 하나의 프로모터와 여러 개의 유전자를 포함하는 유전자 발현의 조절 단위이다. 원핵생물에서 나타나며 젖당 오페론 외에도 여러 종류가 있다.

② 젖당 오페론의 구조

• 프로모터: RNA 중합 효소가 결합하는 부위이다.
• 작동 부위: 억제 단백질이 결합하는 부위이다.
• 구조 유전자: 젖당 이용에 관련된 세 효소의 암호화 부위이다.

※ 조절 유전자: 젖당 오페론의 작동에 관여하는 억제 단백질의 암호화 부위로 항상 발현되며, 젖당 오페론에 포함되지 않는다. 억제 단백질은 작동 부위에 결합할 수 있다.

에너지원에 따른 대장균의 증식

③ 젖당 오페론의 발현 조절

• 젖당이 없을 때: 억제 단백질이 작동 부위에 결합하여 RNA 중합 효소가 프로모터에 결합하는 것을 방해하므로 구조 유전자의 전사가 일어나지 않는다. 즉, 젖당이 없을 때에는 젖당 오페론의 작동이 억제된다.

• 젖당이 있을 때(포도당 없음): 억제 단백질은 젖당 유도체와 결합하여 구조가 변형되어 작동 부위에 결합하지 못하게 된다. 이로 인해 RNA 중합 효소는 프로모터에 결합하여 구조 유전자를 전사한다. 즉, 젖당이 있을 때에는 젖당 오페론의 작동이 활성화된다.

젖당 오페론의 돌연변이

(2) 진핵생물의 유전자 발현 조절: 다세포 진핵생물에서 나타나는 몸의 복잡한 체제는 이들에게 정교하고 복잡한 유전자 발현 조절 과정이 있음을 의미한다.

진핵생물은 원핵생물에 비해 염색체 구조가 복잡하고 전사와 번역이 일어나는 장소가 각각 핵과 세포질로 분리되어 있어서 유전자 발현이 여러 단계를 거쳐 일어나게 된다. 이러한 유전자 발현의 단계는 각각 유전자 발현 조절의 단계이기도 하여 유전자 발현의 복잡하고 정교한 조절을 가능하게 한다.

① 진핵생물의 유전자 발현 조절 단계: 전사 단계에서 이루어지는 전사 조절이 가장 중요한 역할을 한다. 전사 조절 이외에 전사 전 조절, 전사 후 조절, 번역 조절 등이 있다.

• 전사 전 조절: 염색질의 응축 정도를 변화시켜 유전자 발현을 조절한다. 많이 응축되어 있을수록 RNA 중합 효소와 전사 인자 등이 DNA에 접근하기 어려우므로 전사가 잘 일어나지 않게 된다.
• 전사 조절: 가장 중요한 조절 단계로 여러 전사 인자가 전사 개시 여부와 전사 속도에 영향을 미친다.
• 전사 후 조절(RNA 가공): 처음 만들어진 RNA에서 인트론이 제거되고 핵막을 통과할 수 있도록 변형된다.
• 번역 조절: mRNA의 분해 속도를 조절하여 번역을 촉진하거나 억제한다.

② 진핵생물의 전사 개시

• 전사 인자: 진핵생물에서 전사에 관여하는 조절 단백질로 DNA의 프로모터와 조절 부위 등에 결합하여 전사를 조절한다. 세포에 있는 전사 인자의 종류에 따라 발현되는 유전자가 달라질 수 있다.
• 조절 부위: 전사 인자가 결합하는 DNA 부위이다. 근거리 조절 부위와 원거리 조절 부위가 있으며, 유전자에 따라 조절 부위의 종류(염기 서열)는 다르다.
• 전사 개시: 진핵생물에서는 RNA 중합 효소 단독으로 전사를 시작할 수 없으며, 여러 전사 인자들과 함께 프로모터에 결합하여 전사 개시 복합체를 형성하여야 전사를 시작할 수 있다. 이때, 조절 부위에 결합한 전사 인자의 조합에 따라 전사 개시가 촉진되는 정도는 달라진다.

③ 진핵생물의 전사 조절: 유전자에 따라 조절 부위의 종류가 다르고, 세포에 따라 전사 인자의 조합이 다르기 때문에 유전자 발현이 조절될 수 있다.

• 특정 세포에는 많은 유전자가 있지만 유전자마다 조절 부위가 달라서 세포에 있는 전사 인자에 따라 특정 유전자만 발현된다.
• 특정 유전자는 개체의 생애에 걸쳐 세포에 존재하지만, 시기, 장소, 환경 조건에 따라 세포 내 전사 인자의 조합이 달라지므로 특정 유전자의 발현은 시기, 장소, 환경 조건에 따라 달라진다.

진핵생물의 유전자 발현 조절 예

④ 원핵생물과 진핵생물의 유전자 발현 조절 비교

 

발생과 유전자 발현 조절

유전자 발현은 세포 호흡이나 단백질 합성과 같이 세포의 일반적인 생리 현상을 일으키는 데도 필요하지만, 몸을 형성하는 발생 과정에서도 중요한 역할을 한다.

(1) 유전자의 선택적 발현

① 분화된 세포의 유전체

• 동물과 식물 같은 다세포 진핵생물의 몸은 형태와 기능이 서로 다른 다양한 세포들로 구성되어 있지만, 이 세포들은 모두 하나의 세포(수정란)로부터 형성되었다.
• 세포 분화: 수정란의 세포 분열로 생겨난 세포들은 발생 과정을 통해 형태와 기능이 서로 다른 다양한 세포로 되는데 이를 세포 분화라고 한다.
• 분화된 세포의 유전체: 분화된 세포는 수정란의 세포 분열을 통해 형성되며, 그 유전체는 수정란의 유전체와 동일하다. 즉, 분화된 세포도 하나의 개체를 형성할 수 있는 완전한 유전체를 가지고 있다.

분화된 세포의 유전체

② 유전자의 선택적 발현: 분화된 세포는 수정란과 동일한 유전체를 갖지만, 세포에 따라 특정 유전자만 발현시킴으로써 고유의 형태와 기능을 갖게 된다. 이와 같은 유전자의 선택적 발현은 유전자 발현 조절에 의해 이루어지며, 세포 분화와 형태 형성이 일어나는 발생 과정에서 중요한 역할을 한다.

(2) 세포 분화와 유전자 발현의 조절

유전자 발현이 조절됨으로써 세포 분화가 일어난다.

① 근육 세포의 분화

• 결정과 세포 분화: 세포 분화가 일어나기 위해서는 전구 세포로부터 특정 세포로의 결정이 일어나야 한다. 전구 세포와 결정이 일어난 세포는 외형상의 차이는 크지 않지만 전구 세포는 다양한 세포로 분화할 수 있는 데 반해 결정이 일어난 세포는 특정 세포로만 분화한다. 결정은 유전자 발현에 의해 일어난다.
• 근육 세포의 분화 과정: 근육 세포는 다양한 세포로 분화할 수 있는 배아 전구 세포로부터 분화한다. 배아 전구 세포에서 근육 모세포가 형성되는데 이 시기에 근육 세포로의 분화가 결정된다. 근육 모세포는 서로 융합하여 다핵의 근육 세포로 성장한다.

② 근육 세포의 분화와 유전자 발현의 조절

• 마이오디 유전자(MyoD): 근육 모세포에서는 마이오디 유전자가 발현되어 세포 분화의 운명이 결정된다. 마이오디 유전자는 전사 인자인 마이오디 단백질을 암호화한다.
• 마이오디 단백질(MyoD): 전사 인자로 작용하여 다른 전사 인자 유전자의 발현을 촉진한다. 그 결과로 생산된 다른 전사 인자는 액틴과 마이오신 등의 근육 특이적인 단백질 합성을 촉진한다.

③ 핵심 조절 유전자

• 조절 유전자: 전사 인자와 같은 유전자 발현에 대한 조절 단백질을 암호화하는 유전자를 조절 유전자라고 한다.
• 핵심 조절 유전자: 진핵생물의 발생 과정에서는 근육 세포의 분화 과정에서 나타나듯이 조절 유전자가 발현되어 전사 인자가 만들어지면, 이 전사 인자가 또 다른 조절 유전자의 발현을 조절하는 과정이 연쇄적으로 일어난다. 이때 특정 세포 분화나 특정 기관 형성 등의 과정에서 가장 상위의 조절 유전자를 핵심 조절 유전자라고 한다. 근육 세포의 분화 과정에서 마이오디 유전자는 핵심 조절 유전자이다. 섬유 아세포와 같이 분화가 끝난 세포도 핵심 조절 유전자를 인위적으로 발현시키면 다른 세포로 분화하는 경우가 있다.

④ 진핵생물의 세포 분화

• 근육 세포의 분화에서 나타나듯이 진핵생물의 세포 분화 과정에는 여러 전사 인자의 연속 작용이 일어나는데, 그 결과 생성된 전사 인자의 조합에 따라 다양한 세포로 분화할 수 있다.

발생 과정의 주요 변화

(3) 유전자 발현의 공간적 차이에 의한 형태 형성: 배아가 개체의 형태를 형성해 가는 과정을 형태 형성이라고 한다. 형태 형성 과정에서는 수많은 세포 분열과 세포 분화가 일어나며 이에 관여하는 다양한 유전자들이 순차적으로 발현된다.

① 초파리의 발생과 혹스 유전자

• 초파리 체절에 따른 형태 형성: 초파리의 수정란은 발생 초기에 체절 형성에 관여하는 유전자의 활동으로 각각의 체절로 구분된다. 이어서 체절에 따라 입, 더듬이, 다리, 날개 등과 같은 고유의 기관들이 결정되는데, 혹스 유전자는 각 체절에서 어떤 기관이 형성되는지를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

• 혹스 유전자: 초파리에서 처음 발견되었으며, 배아에서 몸의 각 체절에 만들어질 기관을 결정하는 핵심 조절 유전자들이다. 배아의 체절에 따라 발현되는 혹스 유전자는 차이가 있다. 예를 들어 Antp 유전자는 초파리의 두 번째 가슴 체절에서 발현되며 이곳에서는 한 쌍의 다리와 한 쌍의 날개가 형성된다.
• 혹스 유전자들의 위치: 초파리에는 여러 개의 혹스 유전자들이 있는데 모두 하나의 염색체에 있으며, 각각이 결정하는 체절의 배열 순서와 같은 순서로 배열되어 있다.

② 혹스 유전자의 돌연변이: 혹스 유전자의 중요성은 다양한 돌연변이 연구로 밝혀졌다.

초파리의 초기 발생

③ 동물계의 혹스 유전자: 혹스 유전자는 다양한 생물의 염색체에서 공통적으로 발견된다. 예를 들어 사람과 생쥐에서는 혹스 유전자가 4개의 염색체에 배열되어 있는데, 혹스 유전자의 종류와 염색체에 배열된 순서가 초파리와 비슷하다.

초파리와 생쥐의 혹스 유전자 비교

④ 혹스 유전자의 진화적 의미: 혹스 유전자는 매우 많은 동물군에서 나타난다. 이것은 이 동물군들이 공통 조상에서 유래하였음을 의미한다.

호미오 박스

참고자료: EBS 수능특강 생명과학2