프로모터

모든 생명체에서 전사(transcription)는 프로모터(promoter)라는 특정 염기서열에 의해 촉진된다. 일반적으로 전사과정은 개시(initiation), 신장(elongation), 종결(termination)로 나눌 수 있는데, RNA 중합효소가 전사를 개시하기 위해 처음으로 결합하는 DNA 염기서열을 프로모터라 한다. 이 프로모터의 염기서열은 각 유전자마다 다르지만 공통적인 특징을 가지고 있다. 첫 번째로 RNA 중합효소가 정확한 프로모터 위치에 결합할 수 있도록 도움을 주는 단백질이 인식하는 염기서열을 포함하고 있다. 원핵세포에서는 σ70라는 단백질이 프로모터에 있는 특정염기서열을 인식하여 RNA 중합효소가 프로모터에 정확히 결합할 수 있도록 도와준다. 진핵세포에서는 대부분의 프로모터에 TATA 상자(TATA box)를 포함하고 있으며, 이 부위를 TATA 상자 결합단백질(TATA box binding protein, TBP)가 결합하는 것으로 알려져 있다. 두 번째로 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하면 가장 먼저 이중가닥이 단일가닥으로 풀려야 하는데 이를 촉진시키기 위해 상대적으로 A와 T가 많이 포함된 염기서열이 있다. 상대적으로 결합력이 낮은 A: T base pair가 쉽게 단일가닥으로 분리되어 RNA 중합효소가 전사를 시작할 수 있도록 한다. 

목차

원핵생물의 프로모터의 가장 기본적인 특징은 전사 개시점을 기준으로 상위부위(upstream region)에 –10 영역과 –35 영역을 가지고 있는 것이다 (그림 1). RNA 중합효소는 DNA에 결합할 수 있지만 특정 염기서열을 인식하는 것은 아니다. 대신 RNA 중합효소가 이 부위에 정확히 결합할 수 있도록 도와주는 σ70(시그마 70) 단백질이 –10 영역과 –35 영역을 인식하는 것으로 알려졌다.

- 10 영역 : 대부분 "TATAAT" 염기서열로 이루어짐

- 35 영역 : "TTGACA"로 구성됨

이 두 영역 모두 σ70가 결합하는데 매우 중요한 역할을 하며, 특히 – 10 영역에 σ70가 결합하게 되며 이 부위에서 이중가닥의 DNA가 단일가닥으로 분리되고 RNA 중합효소에 의한 전사가 시작된다.

그림 1. 원핵생물 프로모터의 구성 (출처: 한국분자·세포생물학회)

RNA 중합효소에 있는 특정 부위가 결합하는 염기서열로 주로 –35 영역의 상위부위에 위치하는 염기서열이다. σ70단백질이 –10과 –35영역에 결합하고, RNA 중합효소가 UP-요소에 추가적으로 결합함으로써 좀 더 안정화된 구조를 형성하여 RNA 중합효소에 의한 전사를 촉진시키는 역할을 하게 된다(그림 1).

일부 원핵생물의 프로모터에는 –35 영역이 결여되어 있다. 이로 인해 RNA 중합효소 및 σ70가 프로모터에 효과적으로 결합하지 못하는데 대신 존재하는 확장 -10( extended –10)영역에 RNA 중합효소가 결합함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다(그림 1).

그리고 식별자(discriminator)는 주로 –10 영역의 아래쪽에 존재하는데 아직까지 그 역할이 정확히 규명되지 않았지만 RNA 중합효소와의 결합에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(그림 1).  

진핵생물에서의 전사는 매우 복잡하게 조절되는데 일반적으로 하나의 유전자가 전사되기 위해서는 약 100개 이상의 단백질이 필요한 것으로 알려졌다. 이 모든 단백질은 RNA 중합효소가 프로모터에 정확히, 그리고 강하게 결합하는데 도움을 주며 또한 RNA 중합효소가 전사를 시작할 수 있도록 최적화된 환경을 만들어주는 역할을 한다.

또한 진핵생물에서는 RNA 중합효소 I, II, III가 각각 다른 RNA 전사에 관여를 한다. 대표적으로 단백질을 암호화하고 있는 유전자의 전사에는 RNA 중합효소 II가 관여하며, 리보솜의 구성성분인 rRNA(ribosomal RNA)는 RNA 중합효소 I 그리고tRNA(transfer RNA)는 RNA 중합효소 III에 의해 전사된다. 각각의 RNA 중합효소에 의해 전사되는 유전자는 다른 형태의 프로모터를 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 여기에서는 가장 대표적인 RNA 중합효소 II에 의해 전사되는 유전자의 프로모터에 대해 설명하고자 한다(그림 2).

TATA 상자(TATA box)의 경우 진핵생물의 프로모터에 가장 많이 발견되는 염기서열로 RNA 중합효소를 불러들이는 역할을 하는 TATA 상자 결합단백질(TATA box binding protein, TBP)에 의해 인식된다. TATA 상자 결합단백질은 TBP-결합인자(TBP-associated factors, TAFs)와 결합하여 TFIID(Transcription Factor for Pol II, D)라는 보편전사인자(General transcription factor)를 형성한다. 이 보편전사인자는 TATA 상자에 결합하고 RNA 중합효소를 불러들여 전사개시가 가능하도록 도와주는 역할을 하는 것으로 알려져 있다(그림 2).

또한 TATA 상자는 원핵생물의 –10 영역과 매우 비슷한 염기서열을 가지고 있어 RNA 중합효소에 의해 전사가 개시될 때 이중가닥 DNA에서 단일가닥으로 분리가 위치이기도 하다(그림 2). 

그림 2. 진핵생물의 프로모터 구조 (출처: 한국분자·세포생물학회)

일반적으로 진핵세포의 프로모터에는 다른 전사인자가 결합할 수 있는 부위가 복잡하게 나열되어 있다. 예를 들며, TFIIB가 결합하는 BRE, TFIID가 결합하는 TATA 상자, 개시자(Initiator), 하부프로모터요소(downstream promoter element, DPE) 등이 존재한다(그림 2). 이 부위에 보편전사인자와 RNA 중합효소가 얼마나 강하게 결합하느냐에 따라 해당 유전자의 전사 정도가 결정되는 것으로 알려져 있다. 

TATA 상자 결합단백질(TATA box binding protein TBP), RNA 중합효소 (RNA polymerase), 보편전사인자(General transcription factor), 인핸서(enhancer), 하부프로모터요소(downstream promoter element, DPE)  

Molecular Biology of the Gene (7판)