TATA 상자

진핵세포에서 전령 RNA 합성에 관여하는 RNA 중합효소 II는 전사개시를 위해 가장 먼저 핵심프로모터(core promoter)에 결합하여야 한다. 이 핵심프로모터에는 보편전사인자(general transcription factor)인 TFIIB가 결합하는 BRE(TFIIB recognition element), TFIID가 결합하는 TATA 상자 (TATA box), 전사개시부위인 Initiator, 그리고 하단부 프로모터요소(downstream promoter element) 등이 있다 (그림 1). 이중 TATA 상자는 RNA 중합효소 II가 정확한 전사 개시점을 찾아 전사를 시작하는데 가장 중요한 역할을 하는 염기서열이다. TATA 상자는 1978년에 진핵세포의 프로모터 일부로 처음 밝혀졌으며, 이후에 이 상자에 특이적으로 결합하는 단백질로 TATA-상자 결합단백질이 분리되었다. 

그림 1. 진핵세포의 프로모터 구조 (출처: 한국분자·세포생물학회)

목차

TATA 상자는 단백질을 직접 암호화하지 않는 비암호 (non-coding) DNA 염기서열로 시스 조절부위(cis-regulatory element)의 역할을 한다. 이러한 TATA 상자는 이름에서도 알 수 있듯이 일반적으로 TATA 염기서열을 포함하는 5'-TATA(A/T)A(A/T)-3' 서열로 구성되어 있다. 또한 TATA 상자는 대부분 전사개시부위(transcription start site)에서 약 25 ~30 뉴클레오티드 정도 상위부위에 존재하는 것으로 알려졌다(그림 1). 효모의 경우는 조금 더 다양해서 약 100 뉴클레오티드 상위부위에서도 발견되기도 한다.

진핵세포의 TATA 상자는 원핵세포에서 발견되는 –10 영역과 매우 유사한 염기서열을 가지고 있다. 원핵세포에서의 –10 영역은 일반적으로 5’-TATAAT-3’ 염기서열로 구성되어 가장 처음 이중가닥에서 단일가닥으로 분리되는 부분으로 전사개시에 매우 중요하다. 이와 마찬가지로 TATA 상자도 결합력이 약한 A: T 쌍으로 주로 구성되어 이중가닥에서 단일가닥으로 쉽게 분리될 수 있는 부분으로 생각할 수 있다. 

TATA 상자의 주요기능은 보편전사인자(general transcription factor)인 TFIID(Transcription factor for Pol II D)가 결합하는 결합부위로 작용하는 것이다. TFIID는 TATA 상자에 직접 결합하는 TATA-상자 결합단백질(TATA box binding protein)과 이에 결합하는 약 10개의 단백질인 TAF (TBP Associated Factors)로 구성되어 있다. 이러한 TFIID는 RNA 중합효소가 정확히 핵심프로모터(core promoter)에 결합하도록 하고, 또한 이후에 또 다른 보편전사인자를 프로모터로 불러들여 전사활성화를 유도하는 것으로 알려져 있다.

또한 TATA 상자에 TATA-상자 결합단백질이 결합하게 되면, 일직선인 DNA가 TATA 상자를 기준으로 약 80도 이상 휘어지게 된다 (그림 2). 다음으로 TATA 상자 바로 상위부위에 있는 BRE(TFIIB recognition element)에 보편전사인자인 TFIIB가 결합하며, TATA 상자를 기준으로 비대칭구조에 의해 RNA 중합효소에 의한 전사의 방향성이 결정된다.

그림 2. TBP 결합에 의한 DNA 구조 변화 및 전사활성화 ()

효모와 인간 유전자의 분석을 통해 약 20% ~ 25% 정도의 유전자가 전사개시점 상위부위에 TATA 상자를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나 실제로 얼마나 많은 유전자가 대표적인 보편전사인자이며 TATA 상자에 결합하는 TFIID에 의해 전사가 활성화되는지는 명확히 알려지지 않았었다. 이를 확인하기 위해 프랭크 퓨(Frank Pugh) 그룹에서는 TFIID와 공동활성인자(coactivator)인 SAGA(Spt–Ada–Gcn5 acetyltransferase) 복합체가 효모의 전체 유전자 발현에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행하였고 2004년에 그 결과를 발표하였다. 이 연구를 통해 프랭크 퓨는 각 유전자들이 어떤 전자인자에 더 의존적이냐에 따라 두 가지의 프로모터 혹은 유전자 군으로 분류하였다.

전체 효모의 유전자들 중 약 90%가 TFIID 의존적 프로모터로 밝혀졌다. 이러한 유전자는 TFIID에 특이적인 요소(subunit)을 돌연변이 시켰을 때 그 발현이 변화되는 유전자들이다. 앞서 언급한 바와 같이 효모에서는 약 25% 내외의 유전자가 TATA 상자를 가지고 있는 것으로 밝혀졌으나 실제로 TFIID는 훨씬 더 많은 유전자의 발현에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이러한 결과는 TFIID가 TBP를 통해 TATA 상자를 특이적으로 인식하는 것 뿐만 아니라 명확히 알려지지 않은, 그리고 약 90%의 유전자에 공통적으로 존재하는 다른 염기서열을 인식할 수도 있음을 시사한다.

SAGA(Spt–Ada–Gcn5 acetyltransferase) 복합체는 그 기능이 잘 알려진 공동활성인자(coactivator)로 주로 히스톤 단백질을 아세틸화(acetylation) 시켜 전사활성화를 유도한다고 알려져 있다. 특이하게도 SAGA 복합체에는 TBP와 결합하는 일부 TAF가 포함되어 있다. SAGA 복합체에 의존적인 유전자의 전체 유전자의 약 10%에 해당하며, 대부분의 유전자가 어떤 자극에 의해 발현이 유도되는 유전자(Stress-induced genes)로 밝혀졌다. 

프로모터(Promoter), 보편전사인자(general transcription factors), TATA상자 결합단백질 (TATA box binding protein) 

Molecular Biology of the gene (7 판),

Kathryn L. Huisinga and B. Franklin Pugh, Molecular Cell, Vol. 13, 573–585, 2004