시그마인자

시그마인자는 박테리아에서 유전자의 전사에 필요한 단백질로 RNA 중합효소와 프로모터에 결합하여, 특정 유전자가 발현될 수 있도록 조절한다.

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왓슨-길버트(Watson-Gilbert) 연구실의 대학원생이었던, 딕 버거스(Dick Burgess)가 RNA 중합효소 복합체를 정제하여 RNA를 중합하는 활성이 있다는 것을 확인했으나, 그 후 또 다른 대학원생인 제프레이 로버트(Jeffrey Roberts)도 활성을 보았으나 그 활성이 존재하지 않았다. 이 과정에서 시그마인자 70(σ70)가 RNA 중합효소의 기능에 중요하다는 것을 밝혀내었다. 그 후 시그마인자가 혼자서는 DNA와 결합하지 못하지만, RNA 중합효소와 함께 특정 DNA 서열에 결합한다는 것을 밝혀내었고, 그 후 시그마인자의 DNA 결합부위가 억제되어 있다가, RNA 중합효소와 결합하면 DNA 결합부위가 노출되어 DNA와 결합한다고 알려졌다. 따라서 시그마인자는 RNA 중합효소와 먼저 결합한 후 특정 DNA에 RNA 중합효소를 위치시키는 기능을 한다.

박테리아에는 다양한 시그마인자가 존재하는데, 박테리아가 자라는 환경에 따라 다른 시그마인자를 사용하여 필요한 유전자를 발현을 조절한다.

- σ⁷⁰ (RpoD): 주요 시그마인자 혹 '관리유지형' 시그마인자(housekeeping sigma factor)로 대부분 유전자의 발현을 조절한다. 시그마인자 70은 타깃 프로모터의 유전자 전사가 시작되는 부위로 5' 쪽으로 -10 과 -35에 결합한다.

- σ¹⁹ (FecI): 철 시트르산(ferric citrate) 시그마인자로 철의 운반을 담당하는 fec 유전자의 발현을 조절한다.

-σ²⁴ (RpoE): 극한열 (extracytoplsmic/extreme heat stress) 시그마인자로 외부 열 스트레스에 반응하여 유전자의 발현조절

-σ²⁸ (RpoF): 플라젤라(flagellar) 시그마인자

-σ³² (RpoH): 열축격 (heat shock) 시그마인자로 박테리아가 열에 노출될 때 작용하는 인자로 단백질의 질을 조절하는 단백질 샤페론, 단백질 분해효소 등의 발현을 조절한다.

-σ³⁸ (RpoS): 정체성장(stationary phase/starvation) 시그마인자

-σ⁵⁴ (RpoN): 질소한계량(nitrogen-limitation) 시그마인자

시그마인자는 2가지의 기능을 하는데, 하나는, RNA 중합효소와 결합을 하여 DNA 전사 시작 사이트에 결합하는 것이고 또 하나는, DNA의 2중 나선 구조를 단가닥으로 풀어서 전사버블(transcription bubble)을 만드는 것이다.

그림 1. RNA 중합효소 및 DNA 전사 시작점의 -10, -35에 결합한 시그마인자(빨간색) (출처: 한국분자·세포생물학회, PDB ID: 4YLN)

시그마인자는 원핵생물 프로모터의 전사 시작지점으로부터 -35와 -10의 5` 방향 지점에 결합한다. 시그마인자는 여러 개의 도메인으로 이루어져 있는데, 한 도메인이 -35 부위에 결합하고 또 다른 도메인이 -10지점에 결합한다. 이렇게 RNA 중합효소에 결합한 시그마인자가 특정 DNA에 결합하므로 RNA 중합효소가 전사 시작점에서 전사를 시작하게 한다. 하지만 RNA 중합효소와 결합하지 않은 시그마인자는 DNA 결합하지 못하는데, 시그마인자 도메인들 사이의 상호작용으로 구조가 변화되어 시그마인자의 DNA 결합부위가 가려지게 된다. 또한, 시그마인자의 아미노 말단이 직접 DNA 결합 부위와 결합하는 자가 억제 작용에 의해서 시그마인자가 DNA 결합하지 못하게 한다.

RNA 중합효소가 프로모터에 결합하면 시작점으로부터 약 13 염기쌍 정도가 풀려 전사 버블을 만든다. 이렇게 전사버블을 만드는데 시그마인자가 작용하는 것으로 보고되었다.

시그마인자는 RNA 중합효소를 특정 DNA 프로모터에 결합하게 하는 기능과 동시에, 시그마인자에 결합한 RNA 중합효소가 DNA에 비특이적 결합을 하는 것을 방지한다.

시그마인자에 돌연변이가 생기면 전사 활성화 인자와의 결합에 문제가 생기는 것으로 알려져, 시그마인자가 전사 활성화 인자와 결합하여 유전자의 전사를 조절한다.

1. Feklistov et al., Annu. Rev. Microbiol. (2014)