L-아라비노스 오페론

3. 기능

L-아라비노스 오페론은 대장균과 같은 세균이 주변 환경에 L-아라비노스가 있을 때 이를 탄소원 및 에너지원으로 활용하도록 유전자 발현을 조절하는 시스템이다. 이 오페론은 L-아라비노스를 분해하여 세포 에너지 대사에 필요한 물질로 전환하는 효소들의 합성을 통제한다.

오페론 내 주요 구조 유전자인 ''araA'', ''araB'', ''araD''는 L-아라비노스 분해에 관여하는 특정 효소들을 각각 암호화한다. 이 효소들은 순차적인 반응을 통해 L-아라비노스를 D-자일룰로스-5-인산으로 전환시킨다. 최종 생성물인 D-자일룰로스-5-인산은 세포의 중심 대사 경로 중 하나인 오탄당 인산 경로로 유입되어 에너지 생산이나 다른 생합성 과정에 이용된다.^[6][26] 결과적으로 L-아라비노스 오페론은 세포가 L-아라비노스를 효율적으로 대사하여 생존과 성장에 필요한 에너지를 확보하도록 돕는 기능을 수행한다.

3. 1. L-아라비노스 대사 경로

• ''araA'' 유전자는 L-아라비노스 이성질화 효소(L-arabinose isomerase)를 암호화한다. 이 효소는 L-아라비노스를 L-리불로스로 이성질화시키는 반응을 촉매한다. 이 반응은 가역적이다.
• ''araB'' 유전자는 리불로키나아제(ribulokinase)를 암호화한다. 이 효소는 ATP를 사용하여 L-리불로스를 인산화시켜 L-리불로스-5-인산을 생성하는 반응을 촉매한다. 이 반응은 비가역적이다.
• ''araD'' 유전자는 L-리불로스-5-인산 4-에피머라아제(L-ribulose-5-phosphate 4-epimerase)를 암호화한다. 이 효소는 L-리불로스-5-인산과 D-자일룰로스-5-인산 사이의 에피머화(epimerization)를 촉매한다. 이 반응은 가역적이다.

최종적으로 생성된 D-자일룰로스-5-인산은 오탄당 인산 경로(pentose phosphate pathway)의 중간 대사 산물이다. 이 경로는 오탄당(5탄당)의 대사를 육탄당(6탄당)의 대사와 연결하여 세포의 주요 에너지 생산 및 생합성 경로로 이어지게 한다.^[6][26]

4. 조절

L-아라비노스 오페론의 발현은 CAP(Catabolite activator protein, 이화물 활성 단백질)-cAMP 복합체와 AraC 단백질이라는 두 가지 주요 조절 인자에 의해 정교하게 통제된다.

AraC 단백질은 동종이량체로 기능하며, L-아라비노스의 존재 유무에 따라 L-아라비노스 오페론의 작동 부위(operator) 및 개시 부위(initiator)와 상호작용하여 ''araBAD'' 유전자 전사를 양성적 또는 음성적으로 조절한다. 각 AraC 단량체는 DNA에 결합하는 도메인과 이량체 형성을 담당하며 아라비노스와 결합하는 도메인으로 구성된다.^{[9][29][10][30]} 아라비노스가 결합하면 AraC 단백질은 입체 구조가 변하며, 이는 알로스테릭 유도 물질인 아라비노스에 의해 조절되는 중요한 특징이다.^{[6][26][11][31]}

또한, AraC 단백질은 자신의 농도가 일정 수준 이상으로 높아지면 스스로의 합성을 억제하는 자기 조절 기능을 가지고 있다. 이는 AraC 이량체가 특정 작동 부위(''araO₁'')에 결합함으로써 이루어진다.

CAP-cAMP 복합체는 주로 세포 내 포도당 농도에 반응하여 오페론의 발현을 조절하는 역할을 하며, 이는 카타볼라이트 억제라는 중요한 조절 방식의 일부이다.

4. 1. AraC 단백질에 의한 조절

4. 2. CAP-cAMP 복합체에 의한 조절 (카타볼라이트 억제)

4. 3. AraC 단백질의 자기 조절

5. 단백질 발현 시스템에서의 응용

L-아라비노스 오페론은 1970년대부터 분자 생물학 연구의 중요한 대상이 되어 왔으며, 유전학, 생화학, 생리학, 생명공학 등 다양한 분야에서 폭넓게 연구되었다.^[3][23] 이 오페론은 단백질 발현 시스템에서 특정 유전자의 발현을 조절하는 데 유용하게 사용된다. 이는 ''araBAD'' 프로모터가 외부 조절 물질(아라비노스)에 의해 엄격하게 통제될 수 있기 때문이다.

연구자들은 원하는 유전자를 ''araBAD'' 프로모터 뒤에 연결하여, 배지에 아라비노스를 첨가하는 것만으로 해당 유전자의 발현을 유도하거나 억제할 수 있다. 대표적인 예로 pGLO 플라스미드가 있다. 이 플라스미드는 ''P_BAD'' 프로모터의 조절 하에 녹색 형광 단백질(GFP) 유전자를 가지고 있다. 따라서 배지에 아라비노스를 첨가하면 GFP가 생산되어 녹색 형광을 띠게 된다.

참조

_[1] 서적 Biochemistry https://archive.org/[...] John Wiley & Sons 2011
_[2] 논문 Regulation of the L-arabinose operon of ''Escherichia coli''
_[3] 서적 Molecular biology of the gene Addison-Wesley 2008
_[4] 논문 AraC protein, regulation of the l-arabinose operon in, and the light switch mechanism of AraC action
_[5] 논문 DNA looping and unlooping by AraC protein. 1990
_[6] 논문 AraC protein: A love-hate relationship
_[7] 논문 The regulatory region of the l-arabinose operon: A physical, genetic and physiological study 1975
_[8] 논문 The Escherichia coli L-arabinose operon: binding sites of the regulatory proteins and a mechanism of positive and negative regulation. 1980
_[9] 논문 Functional domains of the AraC protein. 1993
_[10] 논문 Arm-domain interactions in AraC. 1998
_[11] 서적 Introduction to genetic analysis Freeman 2015
_[12] 논문 Regulation of the regulatory gene for the arabinose pathway, ''araC'' 1976
_[13] 논문 Apo-AraC actively seeks to loop
_[14] 논문 Regulation of the ''Escherichia coli'' L-arabinose operon studied by gel electrophoresis DNA binding assay 1984
_[15] 서적 Molecular biology https://archive.org/[...] McGraw-Hill 2012
_[16] 서적 Molecular genetics of bacteria ASM Press 2013
_[17] 서적 Genetics : from genes to genomes https://archive.org/[...] McGraw-Hill Education 2010
_[18] 서적 Molecular biology : principles and practice W.H. Freeman 2012
_[19] 서적 Modern genetic analysis: integrating genes and genomes https://archive.org/[...] W.H. Freeman 2002
_[20] 논문 Mechanism of ''araC'' autoregulation and the domains of two overlapping promoters, ''P_c'' and ''P_BAD'', in the L-arabinose regulatory region of ''Escherichia coli''.
_[21] 서적 Biochemistry https://archive.org/[...] John Wiley & Sons 2011
_[22] 논문 Regulation of the L-arabinose operon of ''Escherichia coli''
_[23] 서적 Molecular biology of the gene Addison-Wesley 2008
_[24] 논문 AraC protein, regulation of the l-arabinose operon in, and the light switch mechanism of AraC action
_[25] 논문 DNA looping and unlooping by AraC protein. 1990
_[26] 논문 AraC protein: A love-hate relationship
_[27] 논문 The regulatory region of the l-arabinose operon: A physical, genetic and physiological study 1975
_[28] 논문 The Escherichia coli L-arabinose operon: binding sites of the regulatory proteins and a mechanism of positive and negative regulation. 1980
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_[40] 논문 Mechanism of ''araC'' autoregulation and the domains of two overlapping promoters, ''P_c'' and ''P_BAD'', in the L-arabinose regulatory region of ''Escherichia coli''.
_[41] 서적 Biochemistry https://archive.org/[...] John Wiley & Sons 2011
_[42] 간행물 Regulation of the L-arabinose operon of ''Escherichia coli''