촉진유전자

3. 진핵생물 프로모터

진핵생물에서 프로모터 과정은 세균보다 더 복잡하며, RNA 중합 효소 II가 프로모터에 결합하려면 최소 7가지 다른 인자가 필요하다.^[4][5] 진핵생물 프로모터는 주어진 유전자의 전사 수준을 조절하는 핵심 요소이며, 강화 인자, 억제 인자 등 다른 조절 영역과 협력하여 작용한다.^[4][5] 세포 내 조절 단백질의 변화에 반응하여 활성화된 전사 인자가 RNA 중합 효소를 모집함으로써 유전자 발현이 조절된다.^[4][5]

진핵생물 RNA 중합효소 II 의존성 프로모터는 TATA 박스(합의 서열 TATAAA)를 포함할 수 있으며, 이는 일반 전사 인자 TATA 결합 단백질(TBP)에 의해 인식된다.^[21][17] 또한, B 인식 요소(BRE)는 일반 전사 인자 TFIIB에 의해 인식된다.^[21][17][18] TATA 요소와 BRE는 일반적으로 전사 개시 지점 근처(보통 30~40 염기쌍 이내)에 위치한다.

진핵생물 프로모터 조절 서열은 전사 복합체 형성에 관여하는 전사 인자에 결합한다. 예를 들어 E-box(서열 CACGTG)는 기본 나선-루프-나선(bHLH) 패밀리 내의 전사 인자(예: BMAL1-Clock, cMyc)에 결합한다.^[19]

핵심 프로모터는 전사를 적절하게 개시하는 데 필요한 최소 부분이며,^[21] 전사 개시 지점(TSS)과 직접적인 상류 요소를 포함한다. RNA 중합효소 결합 부위, 일반 전사 인자 결합 부위(예: TATA 박스, B 인식 요소)를 포함하며, 다양한 다른 요소/모티프가 존재할 수 있다. 그러나 모든 핵심 프로모터에서 발견되는 "보편적인 요소" 세트는 없다.^[22]

RNA 중합효소의 종류는 다음과 같다.

• RNA 중합효소 I: 18S, 5.8S 및 28S 리보솜 RNA를 암호화하는 유전자 전사
• RNA 중합효소 II: 전령 RNA 및 특정 작은 핵 RNA와 마이크로RNA를 암호화하는 유전자 전사
• RNA 중합효소 III: 전이 RNA, 5s 리보솜 RNA 및 기타 작은 RNA를 암호화하는 유전자 전사

3. 1. 클래스 I 프로모터

• '''코어 프로모터'''(core promoter)는 전사 개시점 주변 -45 ~ +20에 있다.^[61][68] rINR 근처의 서열을 제외하면 프로모터 중 서열로는 드물게 GC가 풍부하다.
• '''상류 프로모터 서열'''(upstream promoter element, UPE)는 -180 ~ -107에 위치한다.^[61][69]

3. 2. 클래스 II 프로모터

• 코어 프로모터: 전사를 시작하는 데 필요한 최소한의 DNA 서열로, 보통 40~60bp 정도의 크기이다.^[70] 전사 개시 지점(TSS)과 그 주변의 여러 핵심 요소를 포함한다.
• TATA 박스: 일반 전사 인자인 TATA 결합 단백질(TBP)이 결합하는 부위이다.
• B 인식 요소(BRE): 일반 전사 인자 TFIIB가 결합하는 부위이다.
• Inr(개시자): 전사 시작 지점 주변에 위치하며 효율적인 전사를 돕는다.
• DPE(하류 프로모터 요소): TATA 박스가 없는 경우, 대신 전사를 돕는 역할을 한다.
• 상류 프로모터 엘리먼트(UPE): 코어 프로모터 상류에 위치하며, 다른 전사 인자들이 결합하여 전사 효율을 조절한다.

BRE             TATA                     Inr                  DCE I     DCE II        DPE              DCE III

--[(GGG/CCA)CGCCC][TATA(A/T)A(A/T)]---//---[(CC/TT)AN(TCC/ATT)]-[CTTC]----[CTGT]-------[(A/G)G(A/T)CGTG][AGC]---

TF2B            TBP                      TF IID                TF IID     TF IID        TF IID

그림 4. 일반적인 클래스 II 프로모터 by 『왓슨 유전자 분자생물학』 p397

위에 프로모터 서열 요소의 약칭을, 아래에 결합하는 기본 전사 인자를 나타낸다. [] 안은 공통 서열이다. MTE는 나타내지 않았지만,

DPE 바로 상류에 있다.

3. 2. 1. TATA 박스

• 하우스키핑 유전자: 세포의 생명 유지에 필요한 생화학적 경로를 제어하기 위해 사실상 모든 세포에서 항상 활성 상태에 있다. 예를 들어, 세포의 뉴클레오티드 합성에 필요한 아데닌 탈아미노화 효소, 티미딜산 합성 효소, 디히드로엽산 환원 효소 등과, 바이러스의 후기 단백질을 코딩하는 유전자들이 있다. 이러한 유전자는 TATA 박스 대신 GC 박스^[61] 또는 하류 프로모터 엘리먼트를 가진다^[61]. 실제로, 초파리의 클래스 II 프로모터의 약 70%에서 하류 프로모터 엘리먼트가 역할을 한다^[61]. 하우스키핑 유전자의 경우, 프로모터만으로는 활성이 약하며, 추가로 상류에 전사를 촉진하는 액티베이터가 배치되어 있다.
• 발생을 제어하는 유전자: 파리의 혹유전자나 포유류의 면역계 발달 시 작용하는 유전자 등이다.

3. 2. 2. Inr (개시자)

3. 2. 3. DPE (하류 프로모터 요소)

3. 2. 4. BRE (TFIIB 인식 요소)

3. 3. 클래스 III 프로모터

모두 전사 인자의 인식 서열만을 가지지만, 3가지 유형을 다음 각 항에서 소개한다.

I형 클래스 III 프로모터는 5S rRNA를 발현하는 프로모터이다. 가장 큰 특징은 유전자 내부에서 작용한다는 것이다. 도널드 브라운은 케냐발톱개구리 ''Xenopus borealis''의 5S rRNA 유전자로부터 세계 최초로 클래스 III 프로모터를 분석했는데, 그 결과는 50~83번 상류에 존재한다는 놀라운 것이었다. 상류에서 결실시키면 +55번까지, 하류에서라면 +80번까지 전사는 영향을 받지 않는다.^[61] 그러나, 이것을 넘어서면 전사는 전혀 일어나지 않는다. 이 프로모터는 RNA 폴리머라제 I을 자체 상류에서 전사를 시작하게 한다.^[61] 이후, 로버트 로더 등이 '''박스 A''', '''중간 요소''', '''박스 C'''라는 I형 프로모터의 3 영역을 발견했다.^[76]

박스 A는 기본 전사 인자인 TF IIIA와, 박스 C는 TF IIIC와 결합한다. 여기에는 순서가 있으며, 먼저 TF IIIA에서 시작하여 TF IIIC가 온다. 이것들은 '''구축 인자'''라고 불리며, 두 개가 모두 갖춰지면 전사 개시점에 TF IIIB가 결합하여 전사가 시작된다.

3. 4. 포유류 프로모터

3. 4. 1. 양방향 프로모터 (포유류)

4. 서브게놈 프로모터

일부 바이러스는 서브게놈 프로모터를 사용하여 특정 유전자의 mRNA를 생성한다. 서브게놈 프로모터는 특정 이종 유전자를 위해 바이러스에 추가된 프로모터로, 해당 유전자만의 mRNA를 형성한다. 많은 양성 가닥 RNA 바이러스는 이러한 서브게놈 mRNA(sgRNA)를 생성하며, 이는 이러한 바이러스가 사용하는 일반적인 감염 기술 중 하나이며, 일반적으로 후기 바이러스 유전자를 전사한다. 서브게놈 프로모터는 24개의 뉴클레오티드(신드비스 바이러스)에서 100개 이상의 뉴클레오티드(사탕무 괴저 황맥 바이러스)에 이르기까지 다양하며, 일반적으로 전사 시작 지점 상류에서 발견된다.^[46]

5. 프로모터 관련 질병

전사인자나 프로모터의 변이는 여러 질병과 관련될 수 있다.^[59]

예시는 다음과 같다.

• 천식^[56][57]
• 베타 지중해 빈혈^[58]
• 루빈스타인-타이비 증후군^[59]

6. 표준 염기 서열과 야생형

전사 인자 결합 부위의 경우, 특정 세포 조건에서 단백질과 가장 강력하게 결합하는 단일 염기 서열이 있을 수 있다. 이것을 표준 염기 서열이라고 부를 수 있다.^[6]

그러나 자연 선택은 전사 산출량을 조절하는 방법으로 덜 에너지가 소모되는 결합을 선호할 수 있다. 이 경우, 개체군에서 가장 흔한 염기 서열을 야생형 염기 서열이라고 부를 수 있다. 이것은 지배적인 조건에서 가장 유리한 염기 서열이 아닐 수도 있다.^[6]

7. 합성 프로모터 설계 및 공학

합성 생물학에서는 합성 프로모터를 사용하여 유전자 회로 및 대사 네트워크를 조절하고, 유전자 발현을 최적화한다.^[55][2] 예를 들어, 네트워크에서 중요한 유전자를 과발현하여 목표 단백질의 생산량을 높이기 위해 합성 생물학자들은 촉진유전자를 설계하여 해당 유전자의 발현을 상향 조절한다. 자동화된 알고리즘을 사용하여 하위 서열의 유전자 발현을 유발하지 않는 중성 DNA 또는 절연체를 설계할 수 있다.

참조

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