세균 유전자 프로모터

유전자의 앞부분에 RNA중합효소가 결합하여 전사를 시작하는 부위를 프로모터라고 한다. 실제로 전사된 RNA의 첫 번째 염기(5’ 끝의 염기)에 해당하는 DNA상의 위치를 +1로 위치를 지정한다면, 프로모터는 +1의 상위(upstream)에 위치한다. RNAP중 시그마인자가 인식하는 프로모터의 요소(element)는 +1의 위쪽으로 –10 부위와 –35부위에 위치한다. 이 부위를 시그마인자가 인식하고, -10부위부터 +1을 포함하여 약 13개 염기쌍의 DNA이중나선을 풀어내어(melting) 한 가닥을 주형으로 전사가 시작되게 한다.

목차

세균 유전자에서 RNA중합효소가 결합하여 전사를 시작하는 프로모터 부위의 염기서열을 찾아낸 연구는 1970년대 중반에 이루어 졌다. Pribnow와 Schaller 등이 여러 개의 강력한 promoter로부터 –10부위의 보존된 염기서열을 찾아 내었고, 이를 –10 모티브 또는 Pribnow box란 이름으로 명명하였다(Pribnow, 1975; Schaller 등, 1975). 이어서 –35부위의 motif가 밝혀졌으며, 가장 유명한 오페론인 락토스 오페론에서 프로모터 서열과 아울러 Lac repressor, cAMP결합단백질이 인식하는 자리가 밝혀졌다(Dickson 등, 1975).

유전자의 전사가 시작되는 염기의 위치를 +1로 지정하면, 상위 6-9염기쌍 위에 –10 box(hexamer 즉 6개 염기)가 위치하고, 그로부터 약 17개 염기쌍 정도(15-21염기쌍)를 띄워서 –35 box(6개 염기)가 존재하는 방식이 대부분의 프로모터의 특징이다. 강력한 프로모터들로부터 보존된 서열을 추출해 보면, -10 부위는 TATAAT, -35부위는 TTGACA라는 서열이 가장 특징적이고, 둘 사이의 거리는 17 염기쌍이다(그림 1참조). 이 외에도 대장균의 프로모터의 예를 들면, -35부위 위쪽으로 RNA중합효소의 알파 단위체가 결합하여 전사를 촉진하는 AT-rich한 UP 염기서열을 가지는 경우도 있고, -10 box의 바로 위에 TG서열을 추가로 가져 –10부위가 연장된 경우도 있다. 또한 –10 부위 바로 아래로 G함량이 높은 discriminator서열이 존재하여, 전사개시복합체의 수명을 조절하기도 한다. 전사개시점 부근에는 "core recognition element"(CRE; -4에서 +2사이)의 염기가 RNA중합효소 베타 단위체와 상호작용하여 전사개시복합체를 안정화시키는 서열도 알려져 있다. 전사개시점의 서열로는 A와 G가 가장 선호된다.(Winkelman과 Gourse, 2017).

그림1. 세균 프로모터의 특징적 염기서열. +1자리 위쪽으로 –10과 –35부위가 가장 중요한 부위이며, 프로모터에 따라서는 UP서열, -10 연장서열, discriminator서열 등을 갖기도 한다. 각각의 부위에 결합하는 RNA중합효소 단백질 단위체와 도메인부분을 match하여 표시하였음. 출처: Decker 와 Hinton, 2013).

대장균의 housekeeping 시그마인자(RpoD 또는 Sigma-70)가 인지하는 프로모터 1,880여개를 분석한 결과에 따르면, -35부위에서는 TTG가 가장 잘 보존되어 있고, -10부위에서는 TAnnaT와 같은 방식으로 –12, -11, -7 위치의 A/T가 잘 보존되어 있다(Rangel-Chavez 등, 2017). 대장균과 거리가 먼 그람양성세균인 방선균에서도 전사개시점이 결정된 2,870개의 프로모터에 –10부위의 AT서열이 정확한 위치에서(-11과 –7) 보존되어 있음을 확인한 바가 있다(Jeong 등, 2016). 따라서 housekeeping 시그마인자가 인지하는 프로모터 서열은 DNA melting부위인 –10부위가 세균 domain전반에 걸쳐 매우 보존되어 있음을 추정할 수 있다. (그림2 참조)

그림2. 대장균과 방선균의 프로모터 비교.(A) 대장균 Sigma-70 housekeeping 시그마인자가 인식하는 프로모터 element. 1884개 프로모터로부터 추출한 특징적 염기서열(Rangel-Chavez 등, 2017).(B) 방선균 Streptomyces coelicolor에서 발현되는 프로모터 2870개로부터 추출한 특징적 염기서열. 세균의 프로모터에서 -10부위의 A와 T가 강하게 보존되어 있음을 확인할 수 있음. (출처: 한국미생물학회)

RNA중합효소 시그마인자의 각 도메인이 프로모터의 요소들과 특이적 상호작용을 하는 방식은 대장균에서 가장 잘 알려져 있다 (그림 1 참조).

ECF 시그마 인자들은 프로모터를 인지하는 도메인 2개만을 가진 형태로 세균의 시그마 인자들중 가장 숫자가 많고, 환경의 변화에 따라 특정한 유전자 발현을 매개하는 역할을 한다. 이들 시그마 인자가 인지하는 프로모터의 염기서열은 housekeeping 시그마가 인지하는 서열과 매우 다르며, ECF 인자들 사이에도 뚜렷이 다른 선호서열을 보인다. 그림3에서 보이는 실례를 보면, 고초균 Bacillus subtilis에서 세포벽외피 스트레스반응과 항생제 생산을 조절하는 SigW(ECF01 계열)은 AACN18CG, 대장균의 외피스트레스 반응을 조절하는 RpoE(ECF02계열)은 GAACTTTN16TC, 방선균 Streptomyces coelicolor에서 산화적 스트레스와 항생제내성 반응을 담당하는 SigR(ECF12계열)은 GGAAN20GTT란 서열를 가진 프로모터를 인지한다.

그림3. ECF 시그마 인자에 의해 인지되는 프로모터 서열의 예. 시그마 인자의 종류에 따라 서로 다른 프로모터 서열이 인지된다. 고초균의 외피스트레스(ECF01, 예, SigW), 대장균의 외피스트레스(ECF02, 예, RpoE), 방선균의 산화적 스트레스(ECF12, 예, SigR)등이 인지하는 프로모터 –35부위와 –10부위, 그리고 그 사이의 거리등이 서로 다름. (출처: 한국미생물학회)

노정혜/서울대학교

조유희/차의과학대학교