[생물 임용 노트]유전자 발현조절 - 2) 세균의 유전자 발현 조절 : Lac operon - 조절, 발현 양상, 대장균 이중 영양 생장

Lac operon의 조절

Lac operon의 구조

• 구조 유전자 : 운반과 대사에 필요한 산물을 암호화
• 조절 유전자 : 오페론 조절에 관여하는 유전자
• lacZ, lacY, lacA가 polycistronic mRNA내에 암호화되며 각 cistron이 자신의 리보솜 결합 자리가 존재한다.
• promoter와 operator는 근접해서 위치하며, RNA pol은 프로모터와 결합하여 유전자를 mRNA 분자로 전사한다.
• lacI는 항상 발현되어 repressor를 만들고 operator와 결합하여 전사를 억제한다.
• effector는 repressor에 결합 후 depression 과정을 일으켜 전사를 촉진한다.

이화 대사산물 억제

CAP 단백질(cabolite activator protein)과 CAP 단백질의 effector인 cAMP에 의해 매개된다.

 

포도당의 농도가 높으면,

포도당이 이화에 의해 cAMP의 농도는 낮아지고, CAP 단백질의 활성은 떨어진다. 따라서 cAMP가 CAP 단백질 결합 부위에 붙지 못해서 RNA pol의 전사 효율이 떨어진다.

→ 포도당 존재시 다른 효율이 떨어지는 기질의 사용을 지양시킨다.

 

포도당 농도가 낮으면,

CAP-cAMP 복합체를 형성 후 CAP 결합 부위에 결합하여 RNA pol과 promoter 간에 결합을 강화시킨다.

복합체는 RNA pol의 α 소단위의 CTD에 결합한다.

배지 조건에 따른 발현 양상

포도당 (+), 젖당 (+) - repressor 불활성, CAP 활성 낮음 → 전사 X

포도당 (+), 젖당 (-) - repressor 활성, CAP 활성 낮음 → 전사 X

포도당 (-), 젖당 (-) - repressor 활성, CAP 활성 → 전사 X

포도당 (-), 젖당 (+) - repressor 불활성, CAP 활성 → 전사

대장균의 이중 영양 생장

• 포도당과 젖당을 포함하는 배지에 대자균 접종시 1차 생장 곡선 이후 잠시 생장을 멈추는 구간이 존재하고, 다시 2차 생장곡선이 나타난다. → 이중 영양생장(diauxic growth)
• 두 영양소 중 효율이 높은 영양소를 먼저 이용하고 낮은 영양소를 나중에 이용한다. → 효율이 큰 영양소에 의해 낮은 영양소가 이용이 제한
• 포도당을 먼저 이용 후 생장을 멈추는 구간에서 젖당 대사에 필요한 효소를 합성한다.

대장균 이중 영양 생장 그래프

추가로 포도당이 아닌 만노스(mannose)를 넣은 경우에는 이중 영양 생장이 일어나지 않는다. 다만 크실로스(xylose), 갈락토스(galactose)는 이중 영양생장이 일어난다.