긴축반응

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긴축반응

[ stringent response ]

세균이 영양분 고갈을 위시한 광범위한 스트레스 환경에 처했을 때 경보호르몬(alarmone) 이라고도 부르는 구아노신 다인산(ppGpp)의 양이 증가하고, 이에 반응하여 리보좀 합성, 유전자의 복제, 전사, 번역등 고에너지를 필요로하는 각종 세포활성이 급격히 감소되는 긴축적 조절반응을 긴축반응(stringent response)이라 부른다. 이 반응은 세균뿐 아니라 식물의 엽록체에서도 일어나는 것으로 보고되고 있다.

목차

  1. 1.발견의 역사
  2. 2.구아노신 다인산의 합성
  3. 3.긴축반응의 성격과 범위
  4. 4.집필
  5. 5.감수
  6. 6.참고문헌

발견의 역사

여러 대장균 스트레인에서 필수 아미노산이 고갈될 때 리보좀 RNA등 안정한 RNA생산이 급격히 줄어드는 현상을 긴축반응이란 이름으로 명명하였다. 이러한 반응을 하지 못하는 돌연변이 현상을 "relaxed"형질로 불렀고, 그 유전자의 이름을 "rel"로 명명하였다(Stent and Brenner, 1961; Edin and Broda, 1968). 이어서 긴축반응을 일으키는 것이 아미노산 자체라기 보다는 아미노산이 충전된 tRNA의 고갈 때문이라는 것을 알게 되었다(Neidhardt, 1966). 이후 Cashel과 Gallant는 아미노산이 고갈될 때 대장균에서 magic spot이라고 명명된 ppGpp와 pppGpp라는 물질을 만들며, 이 물질들이 Rel이 없는 돌연변이 균주에서는 만들어지지 않음을 보이며, 긴축반응이 이들 구아노신 다인산에 의해 초래됨을 제안하였다(Cashel and Gallant, 1969).

구아노신 다인산의 합성

구아노신 다인산은 리보좀의 A자리에 코돈에는 맞지만 아미노산을 충전시키지 못한 uncharged tRNA가 결합하게 될 때 리보좀에 붙어 있는 RelA단백질이 활성화 되면서 ATP와 GTP로부터 만들어 진다. (그림1 참조). 이때 리보좀의 50S 단위체의 구성단백질인 L11(RplK 또는 RelC)도 RelA의 활성을 촉진한다. 대장균에서 주로 구아노신 다인산을 분해하는 SpoT도 스트레스 상황하에서는 구아노신 다인산을 만들 수도 있다. 즉, 아미노산 고갈 외에 지방산이 고갈되거나 인, 탄소, 철등의 고갈, 삼투스트레스도 구아노신 다인산의 합성을 증가시키는데, 이들은 SpoT의 분해기능을 낮추고 합성기능을 높이는 방식으로 작용한다고 알려져 있다. 대장균을 제외한 대부분의 세균들은 Rsh(RelA/SpoT 상동단백질; RelA/SpoT homologue)라는 이름의 단백질효소가 구아노신 다인산의 합성과 분해를 동시에 담당한다.

그림1. 긴축반응에서 RelA에 의한(p)ppGpp의 합성. (출처: 한국미생물학회)

긴축반응의 성격과 범위

구아노신 다인산에 의해 유전자의 발현이 광범위하게 조절되는 긴축반응에서, 구아노신 다인산은 직접 RNA중합효소에 결합하여 유전자 발현을 억제하기도 하고 활성화시키기도 한다. 대장균에서 구아노신다인산과 시너지효과를 내면서 작용하는 단백질인자 DksA도 역시 RNA중합효소에 결합하여 구아노신다인산의 효과를 증가시킨다. ppGpp와 DksA가 결합된 RNA중합효소가 어떻게 아미노산 생합성 유전자들은 전사를 활성화시키고, 리보좀 RNA유전자는 전사를 억제하는지가 오랫동안 미스테리로 남아있었다. 최근에 이에 대한 설명이 가능해 졌는데, ppGpp가 결합된 RNA중합효소가 프로모터 열린복합체(open complex)를 형성하는 반응속도제한 단계에서 활성화에너지를 낮추는 작용을 함으로써, 열린복합체가 상대적으로 불안정한(자유에너지 수준이 높은) rRNA유전자 프로모터들은 이 덕분에 반응이 반대방향으로 진행하여 열린복합체가 사라지고, 열린복합체가 비교적 안정한 아미노산 생합성유전자 프로모터에서는 열린복합체 형성이 촉진된다는 설명이 가능하다. (그림2 참조)

그림2. 긴축반응에서 발현이 감소하는 유전자와 증가하는 유전자의 구분 메커니즘. (출처: 한국미생물학회)

긴축반응과 구아노신 다인산은 세균의 병원성, 숙주내 생존, 항생제 내성, persistence등에 모두 관련되어 있는 것으로 보고되고 있다(Hauryliuk et al., 2015).

집필

노정혜/서울대학교

감수

석영재/서울대학교

참고문헌

  1. Edlin, G. & Broda, P. Physiology and genetics of the ribonucleic acid control locus in E. coli. 1968. Bacteriol. Rev. 32, 206-226.
  2. G Stent & S. Brenner. A genetic locus for the regulation of ribonucleic acid synthesis. 1961. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 47, 2005-2014.
  3. F Neidhardt. Roles of amino acid activating enzymes in cellular physiology. 1966. Bacteriol. Rev. 30, 701-719.
  4. M Cashel, and J Gallant J. Two compounds implicated in the function of the RC Gene of E. coli. 1969. Nature 221: 838-841.
  5. W Haseltine and R Block. Synthesis of guanosine tetra- and pentaphosphate requires the presence of a codon-specific, uncharged transfer ribonucleic acid in the acceptor site of ribosomes. 1973. Proc Natl Acad Sci U S A. 70 (5): 1564–1568. doi: 10.1073/pnas.70.5.1564.
  6. ZD Dalebroux, SL Svensson, EC Gaynor, and MS Swanson. ppGpp Conjures Bacterial Virulence. 2010. Microbiol. Mol. Biol. Rev. June 2010. 74: 171-199. doi: 10.1128/MMBR.00046-09.
  7. SP Haugen, W Ross, & RL Gourse. Advances in bacterial promoter recognition and its control by factors that do not bind DNA. 2008. Nature Reviews Microbiology 6: 507-519.

동의어

긴축반응, Stringent response, stringent response