락토스 오페론

락토스 오페론(국문) lactose operon; lac operon(영문)

락토스 오페론(lactose operon 혹은 lac operon)은 대장균을 비롯한 몇몇 장내 세균에서 lactose(젖당 혹은 유당)를 수송하고 대사 하는데 필요한 3개의 단백질들을 암호화하는 유전자들이 하나의 mRNA 형태로 발현이 되면서 발현 양도 함께 조절이 되는 오페론을 말한다.

목차

락토스 오페론의 발견은 1961년 F. Jacob과 J. Monod에 의해 이루어졌으며, 이들은 1965년 함께 노벨상을 수상하게 되었다. 제2차 세계대전 중인 1940년 경 J. Monod는 대장균(Escherichia coli)과 고초균(Bacillus subtilis)에서 탄소 및 에너지원으로 두가지의 당을 다양한 조합으로 공급하였을 때 어떤 일이 일어나는지를 실험을 한 결과 포도당과 함께 다른 당이 함께 주어지게 되면 생장곡선이 두개의 상을 갖게 된다는 사실(biphasic growth 또는 diauxic growth, 그림1)을 발견하게 되었다. 예를 들어 대장균의 경우 포도당과 젖당이 존재할 때 포도당과 같은 선호되는 당이 완전히 소모될 때까지는 젖당과 같은 비선호 당의 수송과 대사에 필요한 유전자가 발현되지 않아서 포도당이 완전히 소모(phase I)되고 난 후에서야 비로소 젖당을 이용한 생장(phase II)이 일어나기 때문에 Monod는 이를 diauxie라고 정의했다. 이 때부터 젖당을 사용하는데 필요한 유전자의 발현에 대해 관심을 갖기 시작하였고, 그 결과 락토스 오페론을 발견하게 되었다. 일반적으로 대부분의 세균에서 포도당이 가장 선호되는 당이라고 알려져 있지만, 포도당이 존재하지 않는 상황에서는 락토스 오페론이 젖당을 효과적으로 대사 할 수 있도록 해준다. 락토스 오페론은 유전자 조절기작이 처음으로 명확하게 밝혀진 오페론으로 원핵생물의 유전자 발현조절 기작을 설명하기 위한 모델로 많이 사용된다.

그림1. Monod 박사가 합성배지에 다양한 쌍의 당류를 탄소 및 에너지원으로 공급했을 때의 대장균의 생장곡선Monod J. 1941. Reserches sur la croissance des cultures bactériennes, Hermann, Paris. . I상(phase I)과 II상(phase II)을 구분하기 위해 가운데 붉은색 막대를 표시하였다.

세균의 오페론은 일반적으로 하나의 전령 RNA(mRNA)에 여러 유전자를 포함하도록 구성되어 있어 한번에 여러 개의 단백질이 일정한 비율로 발현될 수 있다. 외부에 포도당과 같은 선호당이 없고 젖당이 존재할 경우 이를 효과적으로 사용하기 위해서 락토스 오페론의 3개의 유전자(lacZ, lacY, lacA)가 발현된다. lacZ는 이당류인 젖당을 포도당과 갈락토스로 자르는 β-galactosidase를 발현하고, lacY는 세포막에서 양성자동력(proton-motive force)을 에너지원으로 사용하여 젖당을 세포 내로 수송하는 수송단백질을 암호화한다. 마지막으로 lacA는 β-galactoside transacetylase를 암호화하는데 이것의 기능은 아직 명확히 알려져 있지 않다.

그림2. 락토스 오페론의 발현조절 기작. (출처: 석영재/서울대)

젖당이 존재하지 않거나 혹은 세균이 더 선호하는 당인 포도당이 존재하는 상황에서도 락토스 오페론이 발현된다면 에너지 낭비일 것이다. 따라서 락토스 오페론의 발현 조절 기작에는 세균이 사는 환경에 젖당과 포도당의 존재 유무가 중요하게 작용한다. 염색체 상에 락토스 오페론이 위치하는 DNA의 구조는 그림 2에서와 같이 RNA 중합효소(RNA polymerase)가 결합하여 전사를 시작하는 프로모터(promoter) 부위와 LacI라는 전사억제자 단백질이 결합하여 전사를 방해하는 작동자(operator) 부위, lacZYA의 3개 구조유전자 부위, 그리고 전사를 종결시키는 DNA 부위(terminator)가 존재한다. 유전자의 전사(transcription)는 RNA 중합효소가 락토스 오페론의 앞 부분에 존재하는 프로모터에 결합하면서 시작된다. 프로모터에 RNA 중합효소가 결합하는 것은 cAMP-receptor protein(CRP) (일부 학자는 catabolite activator protein라는 의미로 CAP이라고도 부른다)에 의해 도움을 받는다. 반대로 락토스 오페론의 전사억제자인 LacI가 작동자 부위에 결합하면 RNA 중합효소가 전사를 진행하지 못하게 되어 mRNA가 합성되지 않는다. 한편, 전사억제 단백질을 암호화하는 유전자인 lacI는 락토스 오페론의 근처에 위치하고 있으며 젖당의 존재 유무에 상관없이 지속적으로 발현된다. β-Galactosidase는 젖당을 포도당과 갈락토스로 분해함과 동시에, 일부는 다시 유전자 발현 유도자(inducer)인 알로락토스(allolactose)로 만들기도 한다. 알로락토스가 존재하면 LacI와 결합하게 되어 LacI는 더 이상 DNA에 결합할 수 없게 되며, 그 결과 전사억제자의 기능을 상실하게 되어 RNA 중합효소는 락토스 오페론을 구성하는 3개의 유전자를 발현할 수 있게 된다. 따라서 젖당을 수송하고(LacY, lactose permease) 포도당과 갈락토스로 분해하여(LacZ, β-galactosidase) 젖당을 탄소 및 에너지원으로 이용할 수 있게된다. 따라서 락토스 오페론은 전사유도물질이 존재할 때에만 전사가 일어나는 대표적인 유도형 오페론(inducible operon)에 해당된다. LacI 단백질이 결합하는 작동자 부분에 돌연변이가 생기면 젖당의 존재 유무에 상관없이 RNA 중합효소가 방해를 받지 않고 락토스 오페론을 전사할 수 있게 되어 세포는 항상 높은 수준의 락토스 오페론을 발현할 수 있게 된다는 사실이 J Monod 박사가 락토스 오페론을 발견하는 계기가 되기도 했다.

한편 락토스 오페론은 젖당이 존재하더라도 더 선호되는 당인 포도당이 존재하면 발현이 억제되어 diauxie 현상이 나타나는데, 그 이유를 살펴보기로 하자. 대장균을 비롯한 대부분의 세균에서 포도당의 수송은 [PTS(PEP-dependent sugar phosphotransferase system)]라고 불리는 그룹 수송계(group translocation)를 통해서 이루어지는데 포도당이 수송될 때 그 구성 단백질들은 탈인산화가 되는 반면 양성자동력에 의해 수송되는 젖당이 존재할 경우에는 PTS 구성 단백질들은 인산화된 상태로 존재한다(그림 3). PTS 구성 단백질 중 하나인 enzyme IIAGlc(EIIAGlc)는 탈인산화가 된 경우에만 Lactose permease와 결합하여 젖당의 수송을 방해할 수 있는 반면 인산화가 되어야만 cAMP(cyclic adenosine monophosphate)의 합성을 촉진시킬 수가 있다.¹⁾ 따라서 포도당이 존재하면 첫째는 전사유도물질의 합성에 필요한 젖당의 수송을 방해하는 ‘유도물질 차단(inducer exclusion)’으로 인해서 젖당이 존재하더라도 락토스 오페론의 발현이 일어나지 않아 젖당의 사용이 억제가 된다. 둘째는 CRP 단백질은 포도당이 존재하지 않을 때 락토스 오페론의 발현을 증가시키는 역할을 하기 때문이다. cAMP는 포도당의 존재 유무에 따라 세포 내의 양이 조절되는 신호전달 물질이다. 이것이 CRP에 결합하면 cAMP-CRP 복합체는 락토스 오페론의 프로모터 부위에 결합하여 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하는 것을 촉진시킨다. 포도당이 존재하지 않는 상황에서는 인산화된 EIIAGlc가 cAMP의 합성을 촉진시켜 cAMP-CRP 복합체가 많아져서 젖당에 의한 락토스 오페론의 발현이 유도된다. 포도당이 존재하면 EIIAGlc가 탈인산화가 되어 cAMP의 합성을 촉진하지 못하게 되어 젖당이 존재하더라도 락토스 오페론의 발현유도가 일어나지 않는다. 이를 활성화물질 합성억제(activator synthesis inhibition)라고도 한다. 이와 같이 포도당이 존재할 때 다른 탄소원의 수송과 대사에 필요한 유전자의 발현이 억제되어 선호도가 확연하게 관찰되는 현상을 이화대사 억제(carbon catabolite repression 또는 glucose effect)라고도 한다.

그림3. 포도당에 의한 락토스의 수송 및 대사 억제 기작. (출처: 최만규/서울대)

석영재/서울대학교

이진원/한양대학교

1. Park Y, Lee BR, Seok YJ, Peterkofsky A. 2006. In vitro reconstitution of catabolite repression in Escherichia coli. J Biol Chem 281(10): 6448-6454.