트립토판 오페론
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1. 개요
트립토판 오페론은 세균에서 트립토판 생합성에 관여하는 유전자들의 집합체이다. 이 오페론은 5개의 구조 유전자(TrpE, TrpD, TrpC, TrpA, TrpB)를 포함하며, 이 유전자들은 안트라닐산 합성효소, 포스포리보실안트라닐산 이성질화 효소, 트립토판 합성효소 등의 단백질을 생성하여 트립토판 합성에 필요한 효소 활성을 제공한다. 트립토판 오페론은 억제와 감쇠라는 두 가지 조절 기작을 통해 트립토판의 농도에 따라 유전자 발현을 조절한다. 억제는 트립토판 억제자에 의해, 감쇠는 리더 전사체의 구조 변화와 리보솜의 번역 과정을 통해 조절된다. 바실러스 서브틸리스의 트립토판 오페론은 대장균과 달리 TRAP 단백질을 통한 감쇠 조절이 주요하며, 추가적인 유전자들을 포함한다.
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| 트립토판 오페론 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 상세 정보 | |
| 조절 메커니즘 | 감쇠 조절 |
| 유전자 | trpE trpD trpC trpB trpA |
| 조절 인자 | TrpR 트립토판 |
2. 트립토판 오페론의 구조와 유전자
''trp'' 오페론은 트립토판 생합성에 필요한 효소를 암호화하는 5개의 구조 유전자와 조절 부위로 구성된다.
2. 1. 구조 유전자
''trp'' 오페론은 5개의 구조 유전자를 포함하며, 이들의 산물과 역할은 다음과 같다.
- TrpE: 안트라닐산 합성효소는 안트라닐산을 생성한다.
- TrpD: TrpE와 협력한다.
- TrpC: 포스포리보실안트라닐산 이성질화 효소 도메인은 먼저 ''N''-(5-포스포-β-D-리보실)안트라닐산을 1-(2-카르복시페닐아미노)-1-데옥시-D-리불로스 5-인산으로 전환한다. 같은 단백질에 있는 인돌-3-글리세롤-인산 합성효소는 다음으로 이 생성물을 (''1S,2R'')-1-''C''-(인돌-3-일)글리세롤 3-인산으로 전환한다.
- TrpA, TrpB: 트립토판 합성효소의 두 개의 서브유닛. TrpC의 생성물과 세린을 결합하여 트립토판을 생성한다.
2. 2. 조절 부위
''trp'' 오페론의 조절 부위는 다음과 같다.- 프로모터 (promoter): RNA 중합효소가 결합하여 전사를 시작하는 부위이다.
- 오퍼레이터 (operator): 억제자(repressor) 단백질이 결합하는 부위로, 전사를 조절한다.
- 리더 서열 (leader sequence): 감쇠 조절에 관여하는 부위이다.
''trp'' 오페론의 리더 서열(trpL)은 최소 130개의 뉴클레오타이드로 구성되며, 1~4로 지정된 4개의 짧은 서열을 포함한다. 이 서열들은 서로 상보적이어서 1-2, 2-3, 3-4 형태의 세 가지 2차 구조(헤어핀)를 형성할 수 있다. 1-2 헤어핀은 드물게 형성되지만, 형성될 경우 2-3 구조 형성을 방지한다. 2-3 헤어핀은 1-2와 3-4 헤어핀 형성을 막는다. 3-4 구조는 전사 종결 서열로, RNA 중합효소를 DNA에서 해리시켜 구조 유전자 전사를 막는다.[5][7][8][9]
리더 전사체의 일부는 14개 아미노산의 짧은 폴리펩타이드인 리더 펩타이드를 암호화한다. 이 펩타이드는 2개의 트립토판 잔기를 포함하는데, 이는 트립토판이 드문 아미노산임을 감안할 때 특이하다. 세포 내 트립토판 수치가 낮으면 리보솜은 trp 코돈에서 정지하고, 서열 1을 보호하여 1-2 구조 형성을 막는다. 그러면 서열 2와 3이 결합하여 2-3 구조(비종결 헤어핀)를 형성하고, 이는 3-4 종결 헤어핀 형성을 막아 RNA 중합효소가 오페론 전사를 계속할 수 있게 한다.[10][13][14][15]
트립토판 수치가 높으면 리보솜은 리더 펩타이드 전체를 번역하고 종결 코돈에서 멈춘다. 이때 리보솜은 서열 1과 2를 모두 보호하여 서열 3과 4가 3-4 구조를 형성, 전사를 종결시킨다. 리보솜이 Trp 탠덤 근처에서 멈추지 않으면 종결자 구조가 형성된다.[2][10]
감쇠 메커니즘은 실험적으로 증명되었다. 리더 펩타이드 번역과 리보솜 정지는 전사 종결 억제에 필수적이다.[13] 비종결 헤어핀의 염기쌍을 불안정하게 하는 돌연변이는 전사를 증가시키고, 트립토판 부족 시에도 감쇠를 완화하지 못한다.[10][13] 상보적 올리고뉴클레오타이드는 비종결자 형성을 촉진하여 오페론 발현을 증가시킨다.[10][14] 히스티딘 오페론의 보상 돌연변이는 가닥 2-3의 쌍을 이루는 능력이 감쇠 억제에 중요함을 보여준다.[10][15]
감쇠에서 번역 리보솜의 정지 지점이 종결 헤어핀 형성 여부를 결정한다.[10] 구조 변조와 전사의 시간 척도가 유사해야 하며, trpL 서열에 일시 정지 부위가 존재하여 RNA 중합효소가 전사를 일시 중지하고 번역 시작을 기다리게 한다. 이는 전사와 번역의 동기화를 통해 감쇠의 핵심 요소로 작용한다.
3. 트립토판 오페론의 조절 기작
트립토판 오페론은 트립토판 생합성에 필요한 효소를 암호화하는 유전자들을 포함하며, 억제(repression)와 감쇠(attenuation)라는 두 가지 기작을 통해 조절된다.
- 억제(Repression): 오페론은 음성 조절 피드백을 통해 작동한다. 트립토판이 충분하면 억제자가 오페론에 결합하여 전사를 막고, 부족하면 억제자가 결합하지 않아 전사가 일어난다.
- 감쇠(Attenuation): 억제와는 별개로, 감쇠는 전사 과정 자체를 조절한다. 리보솜이 mRNA를 번역하는 속도에 따라 mRNA의 2차 구조가 달라지며, 이는 전사 종결 여부에 영향을 준다.
이러한 조절 기작을 통해 트립토판 오페론은 세포 내 트립토판 농도에 따라 유전자 발현을 미세하게 조절할 수 있다. 유사한 감쇠 기작은 히스티딘, 페닐알라닌, 트레오닌 생합성 과정에도 존재한다.
3. 1. 억제 (Repression)
오페론은 음성 조절 피드백 기전에 의해 작동한다. trp 오페론의 억제자는 상류의 trpR 유전자에 의해 생성되며, 이 유전자는 낮은 수준으로 항상 발현된다. 합성된 trpR 단량체는 이합체로 결합한다. 트립토판이 존재할 때, 이 트립토판 억제자 이합체는 트립토판에 결합하여 억제자의 입체 구조에 변화를 일으켜 억제자가 오페레이터에 결합할 수 있게 한다. 이는 RNA 중합 효소가 오페론에 결합하여 전사하는 것을 방지하므로 트립토판은 전구체로부터 생성되지 않는다. 트립토판이 존재하지 않을 때, 억제자는 비활성 입체 구조를 가지므로 오페레이터 부위에 결합할 수 없으며, 따라서 전사는 억제자에 의해 억제되지 않는다.
3. 2. 감쇠 (Attenuation)
감쇠는 ''trp'' 오페론에서 작용하는 음성 피드백 조절 기작 중 하나이다. 억제 시스템이 세포 내 트립토판 농도를 감지하는 반면, 감쇠는 tRNAtrp의 농도에 반응한다.[2] TrpR 억제 인자는 전사 시작을 조절하여 유전자 발현을 낮추고, 감쇠는 이미 시작된 전사를 조절하여 유전자 발현을 낮춘다.[2] TrpR 억제 인자가 전사를 70배 감소시키는 동안, 감쇠는 추가로 10배를 감소시켜 약 700배의 억제 효과를 낼 수 있다.[3] 감쇠는 원핵생물에서 RNA 중합 효소가 DNA를 전사하는 동시에 리보솜이 mRNA를 번역하기 시작한다는 특징 때문에 가능하다. 이로 인해 번역 과정이 오페론의 전사에 직접 영향을 줄 수 있다.''trp'' 오페론의 전사 시작 부분에는 리더 전사체(trpL)라고 불리는 최소 130개의 뉴클레오티드로 구성된 서열이 존재한다.[4] Lee와 Yanofsky (1977)는 감쇠 효율이 trpL에 존재하는 2차 구조의 안정성과 관련이 있음을 발견했으며,[5] 종결자 구조를 구성하는 2개의 헤어핀은 나중에 Oxender 외 (1979)에 의해 밝혀졌다.[6] 이 전사체에는 1~4로 표시된 4개의 짧은 서열이 포함되어 있으며, 각 서열은 다음 서열과 부분적으로 상보적이다. 따라서 1–2, 2–3, 3–4의 세 가지 다른 2차 구조(헤어핀)가 형성될 수 있다. RNA 중합 효소는 서열 1을 지나 계속 전사하기 전에 리보솜이 결합하기를 기다리기 때문에 1과 2 서열이 결합하여 1–2 구조가 형성되는 경우는 드물지만, 만약 1–2 헤어핀이 형성되면 2–3 구조의 형성을 막는다(그러나 3–4 구조는 막지 않음). 2–3 서열 사이에 헤어핀 루프가 형성되면 1–2와 3–4 서열 사이에 헤어핀 루프가 형성되는 것을 막는다. 3–4 구조는 전사 종결 서열(G/C가 풍부하고 바로 뒤에 여러 개의 우라실 잔기가 이어짐)이며, 일단 형성되면 RNA 중합 효소는 DNA에서 떨어져 나가고 오페론의 구조 유전자는 전사될 수 없다. 전사 종결에 대한 두 번째 헤어핀의 기능적 중요성은 이 헤어핀의 중심 G+C 쌍을 불안정하게 만드는 실험에서 관찰된 전사 종결 빈도가 감소함으로써 입증된다.[5][7][8][9]
리더 전사체의 일부는 리더 펩타이드라고 하는 14개의 아미노산으로 구성된 짧은 폴리펩타이드를 암호화한다. 이 펩타이드는 2개의 인접한 트립토판 잔기를 포함하는데, 트립토판이 매우 드문 아미노산이라는 점(일반적인 ''대장균'' 단백질에서 약 100개의 잔기 중 하나가 트립토판)을 고려하면 이는 특이한 경우이다. trpL의 가닥 1은 리더 펩타이드의 뒤쪽 잔기인 Trp, Trp, Arg, Thr, Ser를 포함한다;[2] 이러한 5개의 코돈은 보존되어 있지만, 상위 코돈을 돌연변이시켜도 오페론 발현은 변하지 않는다.[2][10][11][12] 세포 내 트립토판 농도가 낮을 때 리보솜이 이 펩타이드를 번역하려고 시도하면 두 개의 trp 코돈 중 하나에서 번역이 멈춘다. 멈춘 동안 리보솜은 전사체의 서열 1을 물리적으로 가려 1–2 2차 구조의 형성을 막는다. 그러면 서열 2는 서열 3과 결합하여 2–3 구조를 형성할 수 있으며, 이 구조는 3–4 종결 헤어핀의 형성을 막는다. 이러한 이유로 2–3 구조는 비종결 헤어핀이라고 불린다. 2–3 구조가 존재하면 RNA 중합 효소는 오페론의 전사를 계속할 수 있다. 돌연변이 분석 및 상보적 올리고뉴클레오타이드를 이용한 연구에 따르면 2–3 구조의 안정성은 오페론 발현 수준과 일치한다.[10][13][14][15] 세포 내 트립토판 농도가 높으면 리보솜은 전체 리더 펩타이드를 중단 없이 번역하고 종결 코돈에서 번역이 끝날 때만 멈춘다. 이 시점에서 리보솜은 서열 1과 2를 모두 물리적으로 가린다. 따라서 서열 3과 4는 전사를 종결시키는 3–4 구조를 자유롭게 형성한다. 이 종결자 구조는 리보솜이 Trp 탠덤(즉, Trp 또는 Arg 코돈) 근처에서 멈추지 않을 때 형성된다. 리더 펩타이드가 번역되지 않거나 번역이 풍부한 tRNAtrp를 사용하여 가닥 1을 따라 원활하게 진행될때 종결자 구조가 형성된다.[2][10] 또한 리보솜은 약 10개의 뉴클레오티드 아래쪽만 차단하는 것으로 알려져 있으므로, 위쪽 Gly 또는 더 아래쪽 Thr에서 리보솜이 멈추는 것은 종결 헤어핀 형성에 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.[2][10] 최종적으로 트립토판을 리보솜에 사용할 수 없을 때만 오페론이 전사되고, trpL 전사체는 구성적으로 발현된다.
이 감쇠 기작은 실험적으로 증명되었다. 첫째, 리더 펩타이드의 번역과 리보솜 정지는 전사 종결을 억제하는 데 직접적으로 필요하다는 것이 밝혀졌다.[13] 또한, 비종결 헤어핀의 염기쌍을 불안정하게 하거나 파괴하는 돌연변이는 전사를 몇 배 증가시킨다. 이 돌연변이는 감쇠 모델과 일치하게도, 트립토판이 부족해도 감쇠를 완화하지 못한다.[10][13] 반대로, 가닥 1을 표적으로 하는 상보적 올리고뉴클레오타이드는 비종결자 형성을 촉진하여 오페론 발현을 증가시킨다.[10][14] 또한 히스티딘 오페론에서 보상 돌연변이는 감쇠를 억제하는 데 있어 가닥 2–3의 쌍을 이루는 능력이 기본 서열보다 더 중요하다는 것을 보여준다.[10][15]
감쇠에서 번역 리보솜이 정지하는 지점이 종결 헤어핀이 형성될지 여부를 결정한다.[10] 전사 중인 중합 효소가 대안적인 구조를 동시에 포착하려면 구조적 변조의 시간 척도가 전사의 시간 척도와 유사해야 한다.[2] 리보솜이 리더 전사체 합성에 즉시 결합하여 번역을 시작하도록 하기 위해 trpL 서열에 일시 정지 부위가 존재한다. 이 부위에 도달하면 RNA 중합 효소는 전사를 일시 중지하고 번역이 시작되기를 기다리는 것으로 보인다. 이 기작은 전사와 번역의 동기화를 가능하게 하며, 이는 감쇠의 핵심 요소이다.
히스티딘, 페닐알라닌, 트레오닌의 합성을 조절하는 데 유사한 감쇠 기작이 사용된다.
4. 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)의 트립토판 오페론 조절
바실루스 서브틸리스에서 트립토판 생합성의 주요 조절은 전사의 억제가 아닌 감쇠를 통해 이루어진다.[18] 바실루스 서브틸리스에서 트립토판은 11개의 서브유닛으로 구성된 트립토판 활성화 RNA 결합 감쇠 단백질(TRAP)에 결합하여 TRAP의 trp 리더 RNA 결합 능력을 활성화시킨다.[19][20] trp 활성화 TRAP이 리더 RNA에 결합하면 전사 종결을 유발하는 종결자 구조가 형성된다.[18] 또한, 활성화된 TRAP은 trpP, trpE, trpG 및 ycbK 유전자의 번역 개시를 억제한다. trpP 유전자는 trp 수송에 관여하고, trpG 유전자는 엽산 오페론에 사용되며, ycbK 유전자는 유출 단백질의 합성에 관여한다. 활성화된 TRAP 단백질은 anti-TRAP 단백질과 AT 합성에 의해 조절된다. AT는 TRAP을 비활성화하여 트립토판의 전사를 감소시킬 수 있다.[21]
참조
[1]
논문
Evolution of bacterial trp operons and their regulation
2008-04
[2]
논문
Attenuation in the control of expression of bacterial operons
1981-02
[3]
서적
Principles of Biochemistry
https://archive.org/[...]
W.H. Freeman and Company
[4]
논문
Transcription termination in vivo in the leader region of the tryptophan operon of Escherichia coli
1976-05
[5]
논문
Transcription termination at the trp operon attenuators of Escherichia coli and Salmonella typhimurium: RNA secondary structure and regulation of termination
1977-10
[6]
논문
Attenuation in the Escherichia coli tryptophan operon: role of RNA secondary structure involving the tryptophan codon region
1979-11
[7]
논문
Transcript secondary structures regulate transcription termination at the attenuator of S. marcescens tryptophan operon
1982-07
[8]
논문
Escherichia coli tryptophan operon leader mutations, which relieve transcription termination, are cis-dominant to trp leader mutations, which increase transcription termination
1980-09
[9]
논문
Single base-pair alterations in the Escherichia coli trp operon leader region that relieve transcription termination at the trp attenuator
1978-10
[10]
논문
Attenuation in amino acid biosynthetic operons
[11]
논문
Comparison of the nucleotide sequences of the initial transcribed regions of the tryptophan operons of Escherichia coli and Salmonella typhimurium
1978-05
[12]
논문
Naturally occurring promoter down mutation: nucleotide sequence of the trp promoter/operator/leader region of Shigella dysenteriae 16
1978-11
[13]
논문
Translational control of transcription termination at the attenuator of the Escherichia coli tryptophan operon
1978-12
[14]
논문
Transcription termination at the tryptophan operon attenuator is decreased in vitro by an oligomer complementary to a segment of the leader transcript
1982-04
[15]
논문
DNA sequence changes of mutations altering attenuation control of the histidine operon of Salmonella typhimurium
1981-02
[16]
논문
The different roles of tryptophan transfer RNA in regulating trp operon expression in E. coli versus B. subtilis
2004-08
[17]
논문
Effects of tryptophan starvation on levels of the trp RNA-binding attenuation protein (TRAP) and anti-TRAP regulatory protein and their influence on trp operon expression in Bacillus subtilis
2005-03
[18]
논문
Complexity in regulation of tryptophan biosynthesis in Bacillus subtilis
2005-11-14
[19]
논문
The mechanism of RNA binding to TRAP: initiation and cooperative interactions
2001-01
[20]
논문
The structure of trp RNA-binding attenuation protein
1995-04
[21]
논문
Physiological effects of anti-TRAP protein activity and tRNA(Trp) charging on trp operon expression in Bacillus subtilis
2008-03
[22]
서적
Biology 8th edition
BenjaminCummings
2007-11-27
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