시그마 인자

세균의 RNA중합효소(RNAP)가 유전자의 프로모터를 인지하여 결합하고, 전사를 개시하기 위해 꼭 필요한 인자로서, specificity factor란 의미의 s를 그리이스문자로 표시한 인자이다. RNA를 합성하는 효소활성을 가진 core enzyme과 결합하면 완전효소(holoenzyme)를 이루고, 비로소 유전자의 특이적 전사를 담당하게 된다.

목차

대장균의 대표적 시그마 인자는 생장에 필요한 주요 유전자(housekeeping genes)들의 전사를 담당하는 sigma-70(70 킬로달톤의 분자량을 갖는 시그마 인자)이다. rpoD유전자로부터 발현되는 단백질이므로 RpoD라 불리우기도 한다. 대장균의 sigma-70(RpoD)는 1960년대 말, 당시 하바드대학교 Watson과 Gilbert교수 연구실의 대학원생이었던 Richard Burgess가 처음 발견하였다(Burgess RR 등, 1969). 후속연구를 통해 sigma-70이 전사가 개시된 후에는 RNAP(RNA polymerase, RNA 중합효소)로부터 분리될 수 있고 리싸이클(recycle) 되어 다른 RNAP와 결합할 수 있음을 알게 되었다(Travers 와 Burgess, 1969).

시그마 인자는 2개에서 4개의 도메인으로 구성되어 있다. 대장균의 시그마-70 인자를 중심으로 각각의 도메인이 프로모터 부위를 특이적으로 인지하는 양상이 유전학적, 생화학적, 구조적 연구를 통하여 비교적 상세히 알려져 있다. [그림 1]은 대장균의 시그마-70이 인지하는 대표적인 rRNA 유전자(rrnB)의 프로모터 서열과 시그마-70이 인지하는 공통 consensus 서열, 그리고 각각의 프로모터 요소들(-10, -35, 연장된 –10, discriminator서열)을 알아보는 시그마 인자의 도메인을 보여주고 있다. -10 부위를 인지하는 도메인 2, -35를 인지하는 도메인 4는 모든 시그마 인자들이 다 가지고 있다. 그림에서 –35 부위 상위에 있는 활성화서열인 UP 요소는 RNA중합효소의 알파 소단위체 C말단 도메인이 인지한다.(그림 1).

시그마 인자와 프로모터와의 상호작용.프로모터의 구성요소들과 시그마 도메인들을 표시함. 특히 –10과 –35부위를 인지하는 시그마 도메인 2와 도메인 4가 프로모터 인지에 가장 중요한 역할을 한다. 이외에도 –10 부위 위쪽으로 연장된 –10서열은 도메인 3이 인지하고, -35부위 상위의 UP 요소는 알파단위체의 C말단 도메인(CTD)이 인지한다. (출처: 한국미생물학회)

대장균의 Sigma-70과 유사한 housekeeping sigma들이 여러 세균에서 밝혀졌고, 그 외에도 다양한 시그마 인자들이 존재함을 알게 되었다. 현재까지 알려진 거의 대부분의 세균은 1개의 housekeeping sigma인자에 더해서 1개 이상의 대체 시그마(alternative sigma)인자를 갖는다. 고초균 Bacillus subtilis가 내생포자(endospore)를 만들 때 필요한 시그마인자들, 대장균이 열충격을 위시한 스트레스 상황에서 필요한 시그마인자들이 그 대표적인 예이다. 예를 들어 대장균에는 열충격(RpoH for heat stress), 영양분 고갈(RpoS for starvation), 외피충격(RpoE for extreme heat/envelope stress)등의 스트레스 상황에 대처하기 위한 대체 시그마 인자들을 6가지 보유하고 있다. 이중, 질소원 고갈(nitrogen starvation)에 대응하는 시그마 인자 Sigma-54(RpoN)은 Sigma-70계열과는 매우 다른 아미노산 서열을 가지며, 프로모터 열린 복합체를 형성하는 기작도 다르다.

시그마 인자들의 아미노산 서열과 domain 구조들을 고려하여 시그마-70 계열의 인자들의 유형을 나눌 수 있는데, Group 1(housekeeping 시그마)외에 Group 2, 3, 4의 4가지 유형이 있다(그림2 참조). 이중 Group 4는 가장 단순한 형태로서 프로모터의 –10과 –35부위를 인지하는 2개의 도메인으로만 구성되어 있고, ECF 시그마라는 이름으로 불리운다(Lonetto 등, 1992, 1994). ECF인자에 속하는 시그마가 가장 수가 많다. 최소유전체를 가지고 있는 Mycoplasma를 제외하면, 모든 세균은 복수의 시그마 인자를 가지고 있는 것으로 보인다.

시그마-70계열의 시그마 인자 그룹. 도메인 1, 2, 3, 4를 모두 갖춘 housekeeping 시그마인자(그룹1), 도메인 1을 갖고 있지 않은 그룹 3, 도메인 2와 4만 가지고 있는 그룹 3(ECF 시그마인자)를 보여주고 있음. (출처: 한국미생물학회)

세균의 유전체 염기서열 정보로부터 추정되는 수천개 이상의 시그마-70 계열 유전자들을 분류해 보면 절반 이상이 ECF(Group 4) 계열의 시그마인자로 추정된다. 세균유전체 분석에 따르면, 세균 유전체 1 메가염기쌍당 평균 4개의 ECF 시그마인자를 코딩하고 있는 것으로 분석된다(Mascher, 2013). 100개 이상의 ECF 시그마유전자를 가진 세균도 있다. 대부분의 ECF 시그마 인자들은 anti-sigma인자와의 결합에 의해 활성이 억제 되며, anti-sigma인자의 조절을 통한 활성조절은 세균의 Two component system(TCS) 다음으로 흔한 신호전달체계 이다(Staroń 등, 2009). 세균의 ECF 인자들은 아미노산 서열의 상동성, 기능, 인지하는 프로모터등에 따라 50가지의 subgroup으로 나뉜다. 대표적인 예로, 고초균(Bacillus subtilis)의 세포벽 외피스트레스(envelope stress)와 항생제 생산에 관련된 SigW(ECF01), 대장균의 외피스트레스 반응을 담당하는 RpoE(ECF02), 방선균의 redox/항생제 stress를 담당하는 SigR(ECF12)등이 여기에 속한다.

시그마-54를 가진 holoenzyme은 프로모터의 –12(TGC)와 –24(GG)부위를 인지하며, DNA이중나선을 풀지 않은 닫힌복합체를 이룬다. 열린복합체를 만들기 위해서는 ATP에너지를 사용하는 활성화단백질이 추가로 필요하다.

시그마 인자의 기능은 아래와 같다.

1) RNA중합효소 core enzyme에 결합하여 holoenzyme를 이루는데서 시작된다.

2) 그후, holoenzyme의 일부로서 시그마 인자는 프로모터의 –10과 –35부위의 염기서열을 인지하여 중합효소 전체를 프로모터에 결합시킨다. 시그마 인자 단독으로는 프로모터에 결합하지 못한다.

3) 프로모터 부위에 결합한 holoenzyme에서 시그마 인자는(시그마-54제외) 이어서 –10부위의 이중나선을 풀어내는(melting) 적극적 역할을 수행한다. 진핵생물의 경우 프로모터 부위를 풀어내기 위해서는 ATP 에너지를 써야 하지만, 세균의 경우는 시그마인자의 형태변화를 통해 melting이 이루어 진다. Housekeeping 시그마 인자의 경우, domain 2에 보존되어 있는 방향족 아미노산 잔기가 이 melting반응을 개시하는 것으로 알려져 있다(Helmann 과 Chamberlin, 1988).

4) 경우에 따라서, 시그마인자는 프로모터 주변/상위에 결합한 전사 활성화인자(activator)와 상호작용하여 전사가 촉진되는 과정에 관여하기도 한다.

노정혜/서울대학교

하남출/서울대학교

1. Burgess RR, Travers AA, Dunn JJ, Bautz EK. 1969. Factor stimulating transcription by RNA polymerase. Nature 221(5175):43–46

2. Travers AA, Burgess RR. 1969. Cyclic re-use of the RNA polymerase sigma factor. Nature 222(5193):537–40

3. Lonetto M, Gribskov M, Gross CA. 1992. J. Bacteriol. 174(12):3843–49.

4. Lonetto MA, Brown KL, Rudd KE, Buttner MJ. 1994. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91(16):7573–77

5. Mascher, T. 2013, Curr Opin Microbiol. Apr;16(2):148-55.)

6. Staroń A, Sofia HJ, Dietrich S, Ulrich LE, Liesegang H, and T. Mascher. The third pillar of bacterial signal transduction: classification of the extracytoplasmic function (ECF) σ factor protein family. Mol Microbiol, 74 (2009), pp. 557-581.

7. Helmann JD, Chamberlin MJ. 1988. Annu. Rev. Biochem. 57: 839–72.