작동유전자

요약 세균의 유전자 조절 시 특정 유전자의 발현을 조절하는 역할을 하는 유전자이다. 주로 구조 유전자의 옆에 위치하고 있으며 특정한 상황에서 필요한 유전자가 발현되거나 발현되지 않도록 조절하는 역할을 한다.

유전자의 주 역할은 단백질의 합성을 지시하는 것이다. 그러나 모든 유전자가 활성의 상태에 있는 것은 아니며, 여러 실험을 통하여 세포 내의 유전자들이 오랜 기간 비활성일 수 있다는 결과들을 보여 주었다. 이런 비활성화 상태의 유전자는 특정한 조절 기작에 의해 활성화될 수 있다.

1961년 자코브와 모노는 세균에서의 효소의 유전자 조절에 대해 다음과 같은 사실을 밝혀냈다. 세균에서는 대부분의 경우 유전자가 염색체 위에 그 기능마다 하나의 집합체로 배열되어 있으며, 이 유전자군의 집합체에는 효소 단백질의 합성을 직접 지시하는 구조유전자, 구조유전자의 작용에 영향을 주는 조절유전자, 그리고 작동유전자가 존재한다. 작동유전자는 구조유전자의 바로 옆에 있으며 구조유전자의 전사를 개시하거나 정지시키는 기능을 가지고 있을 것으로 보았다. 이러한 유전자 집합체를 오페론(operon)이라고 명명하였다.

세균에서의 대표적인 오페론으로 락오페론을 들 수 있다. 락오페론은 락토스를 유일한 탄소원으로 넣은 배지에 대장균을 배양하였을 때, 락토스를 분해하기 위한 유전자를 발현시키는 유전자 집합체이다. 락토스는 2당류로서 한 분자의 글루코스와 한 분자의 갈락토스가 결합된 것이다.

배지에 단당류인 포도당이 있으면 대장균은 이를 흡수하여 그대로 해당과정(glycolysis)으로 분해하여 이용할 수 있다. 따라서 락토스보다 이용하기 쉬운 물질이 있을 경우는 구조유전자가 표현될 필요가 없다. 그러나 탄소원으로 락토스만 이용 가능한 조건에서는 락토스를 단당으로 쪼개어 이용해야 하며 이를 위해 필요한 효소를 생산해야 한다. 이러한 상황에서 락오페론이 유도되어 락토스 분해에 필요한 유전자들이 발현된다. 락토스가 없을 경우 조절유전자에서 생산된 억제물질이 오페론의 작동유전자 부위에 붙어 RNA중합효소가 오페론의 전사를 시작하는 것을 방해한다.

락토스가 있을 경우에는 조절유전자에 의해서 발현된 억제물질에 유발물질인 알로락토스(alliolactose: 락토스가 변형되어 생성된 물질)가 결합하면 억제물질이 불활성되어 작동유전자에 부착할 수 없게 된다. 그러면 중합효소가 전사를 시작하여 번역과정을 거쳐 구조유전자의 산물인 베타 갈락토시다아제(β-galactosidase), 퍼메아제(permease), 트랜스아세틸라아제(transacetylase)를 차례로 생성하게 된다. 이 중 베타 갈락토시다아제는 락토스를 글루코스와 갈락토스로 분해하는 역할을 하며, 퍼메아제는 락토스를 세포 내로 들어올 수 있게 하는 역할을 한다. 이 가운데 트랜스아세틸라아제의 기능은 아직까지 명확하게 밝혀지지 않았다.