유전자 집단

서로 연관된 기능을 가지는 단백질을 코딩하는 여러 개의 유전자가 유전체(genome)의 인접한 영역에 존재할 때, 이 유전자들을 통틀어 유전자 집단이라고 한다.

목차

많은 경우 세균(bacteria)과 고균(archaea)은 유전자 집단을 유전적 구성 단위로 하여 다양한 기능을 발현한다. 유전자 집단은 아미노산, 탄수화물 등의 영양분을 합성하고 획득과 대사에 관여하는 기능, 그리고 비타민 등과 같은 이차 대사 물질의 대사에 관여하는 기능, 항생 물질 생성 및 항생제 저항 물질의 대사 과정에 관여하는 기능 등을 암호화한다. 또한 정족수 감지(quorum sensing) 신호에 관여하는 인자들을 암호화하기도 하고, 거대 단백질 지지체(scaffold) 혹은 분비 시스템이나 편모(flagella) 등의 나노 머신 구조를 암호화하기도 한다.

유전자 집단은 대장균(E. coli)을 비롯한 여러 세균에서 흔하게 관찰되며, 곰팡이를 비롯하여 일부 식물에서도 관찰되는 등 생물계 전반에 존재한다. 염색체 상의 밀집된 지역에 기능적으로 긴밀하게 연관된 여러 유전자들이 존재하기 때문에 공학적 활용 가능성이 크다. 하지만 발현 과정에서의 복잡성으로 인해 활용이 쉽지 않은 경우도 많다.

유전자가 이처럼 집단을 형성하게 된 이유를 설명하는 가설로는 수평적 유전자 이동(horizontal gene transfer; HGT)이 제시된다. 수평적 유전자 이동은 부모로부터 유전자를 전달받는 수직적 유전자 이동(또는 수직 진화)와 대비되는 개념으로, 다른 종의 개체 간에 유전자가 전이되는 것을 의미한다. 이 가설을 뒷받침하는 증거로는 리보솜(ribosome) RNA, G+C 비율 등의 계통수적 증거들이 제시된다.

광합성 기구(photosynthetic apparatus)와 제 4형 필리(type IV pili)가 수평적 유전자 이동에 의해 구성된 유전자 집단의 대표적인 예로, 박테리오파지 유전체(phage genome) 또는 접합 플라스미드(conjugative plasmid)와 같은 매개체에 의해 전달된다.

폴리베타히드록시부티르산염(Poly-beta-hydroxybutyrate; PHB)는 여러 미생물에서 합성되는 다목적 바이오플라스틱으로, 토양 세균에 의해 분해가 가능하기 때문에 친환경 물질로써 주목받고 있다. Ralstonia eutropha는 phb 유전자 집단을 이용하여 PHB를 합성한다. phb 유전자 집단은 phbA, phbB, phbC의 세 유전자로 구성되며, 각각 PhbA, PhbB, PhbC의 효소를 암호화하고 있다 (그림 1).

PhbA는 두 분자의 아세틸-CoA 사이의 클라이센 축합반응을 촉매하여 아세토아세틸-CoA를 생성한다. PhbB는 아세토아세틸-CoA를 기질로 하여 3-hydroxybutyryl-CoA로 환원시킨다. 마지막으로 PhbC는 3-hydroxybutyryl-CoA를 중합하여 최종생성물인 중합체 PHB를 만든다. 이렇게 합성된 PHB는 소수성 물질로, 세포질 과립으로 쌓인다.

그림 1. Ralstonia eutropha의 PHB 분해 기능 코딩 유전자군과 그로부터 코딩되는 효소에 의한 PHB 합성 과정 (제작: 김건수/서강대)

PHB의 합성은 보편적 대사산물인 아세틸-CoA로부터 비교적 단순한 합성 경로를 이루는 단일유전자 집단에 의해 이루어지므로, 이 유전자 집단을 다른 종에 이식하는 것 만으로도 손쉽게 동일 산물을 얻어낼 수 있다.

세균은 생존하기 위해 철(Fe)을 필요로 한다. 철과 같은 미량 원소(minor element)는 한정된 양이 존재하는데, 특히 감염성 세균의 경우에는 대부분의 철을 인근의 숙주 세포에 빼앗기기 때문에 더 극한의 상황에 처한다. 많은 감염성 세균은 철 이온의 획득을 위해 시드로포어(siderophore)라는 저분자의 철 특이적 킬레이트 화합물을 분비하게 된다. 비브리오 패혈증균(Vibrio vulnificus)은 vulnibactin이라고 하는 카테콜 계열의 시드로포어를 분비하는데, vulnibactin은 2,3-dihydroxybenzoic acid (2,3-DHBA) 한 분자와 살리실산(SA) 두 분자로 이루어진다.

Vulnibactin 합성에 관여하는 유전자들은 비브리오 패혈증균의 2번 염색체에 유전자 집단을 이루고 있다. Vulnibactin의 합성은 코리스미산염(chorismate)으로부터 시작하여 다음과 같은 과정으로 이루어진다.

그림 2. Vibrio vulnificus의 2번 염색체 상의 유전자군과 그로부터 코딩되는 효소에 의한 vulnibactin 합성 과정 (제작: 김건수/서강대)

유전자 집단은 밀집된 지역에 기능적 연관성을 가지는 유전자들이 나열되어 있다는 점에서 오페론과 유사하다. 오페론(operon)의 가장 큰 특징은 하나의 프로모터(promoter)를 가지기 때문에 한 오페론의 여러 구조유전자(structural gene)가 단일 가닥 mRNA로 전사된다는 것이다. 하지만 유전자 집단은 반드시 단일 프로모터를 가지지는 않으므로, 한 유전자 집단의 여러 유전자는 서로 다른 mRNA로 전사될 수 있다. 다시 말해, 하나의 유전자 집단에 여러가지 전사 조절이 작용할 수 있다.

또 다른 유전자 집합체로는 레귤론(regulon)이 있다. 레귤론은 하나의 조절자(regulator)에 의해 발현이 조절되는 유전자의 집합으로 정의되므로, 여러 개의 오페론으로 구성될 수 있으며, 특정 유전자 집단을 포함할 수도 있다. 유전체 상에서의 위치는 고려 대상이 되지 않으며, 특정 위치에 모여 있거나 흩어져 있을 수 있다. 레귤론은 하나의 조절자에 의해 발현이 조절되기 때문에, 한 레귤론에 의해 암호화된 단백질들은 특정 조건 및 상황에서 기능적 연관성을 가진다고 생각할 수 있다.

역으로 기능적 연관성이 있는 유전자들이 모두 유전자 집단을 이루는 것은 아니라는 점을 유의해야 한다. 예를 들어, 대장균에서는 아르지닌(arginine)을 합성할 때 ArgA부터 ArgH까지의 효소가 관여하지만, argECBH 만이 유전자 집단을 이루고, 나머지 유전자들은 각기 다른 위치에 퍼져 있다.

초파리 등의 고등생물에서의 유전자 집단은 서로 유사한 기능과 구조를 가지는 단백질들을 암호화하고 있다. 이 경우 하나의 유전자 집단에 속하는 유전자는 하나의 염색체 또는 그의 상동염색체에 위치하고, 수 개에서 수백 개에 이를 정도로 다양한 규모를 가진다. 대표적인 예시로는 혹스 유전자(Hox gene)가 있는데, 이는 8개의 유전자로 구성되어 있으며 호메오상자 유전자족(homeobox gene family)에 속한다.

유전체(genome), 정족수 감지(quorum sensing), 편모(flagella), 대장균(E. coli), 수평적유전자이동(Horizontal Gene Transfer; HGT), 리보솜(ribosome), 계통수(phylogenetic tree), 접합 플라스미드(conjugative plasmid), 폴리베타히드록시부티르산염(Poly-beta-hydroxybutyrate; PHB), 시드로포어(siderophore), 패혈증 비브리오균(Vibrio vulnificus), 오페론(operon), 프로모터(promoter), 전령 RNA(mRNA), 레귤론(regulon)

김건수/서강대학교

정우현/덕성여자대학교