유전자의 발현 (Gene Expression)

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1 유전자의 발현 (Gene Expression)
Transcription : RNA Translation : Protein

2 전사 (Transcription) RNA polymerase (RNApol, DNA-dependent RNA polymerase,) DNA를 주형으로 하여 RNA (primary transcript) 합성 Nucleotidyl trasferase (전이효소) Nucleotide를 RNA 전사물의 3’ 말단에 첨가 전사 개시 : DNA의 Promoter에 RNA polymerase 부착 DNA 한 가닥을 주형으로 하여 (template strand) 상보적인 RNA 가닥 형성 (primary transcript, 1차 전사물) 5’ → 3’ 방향으로 진행하며 3’ 말단에 nucleotide 첨가 전사종결 : RNApol이 DNA의 종결서열 (terminator)에 도달 RNApol template DNA에서 분리 Primary transcript RNApol에서 분리

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4 전사 조절

5 RNA 종류 mRNA (messenger RNA, 전령 RNA) tRNA (transfer RNA, 운반 RNA)
rRNA (ribosomal RNA, 리보솜 RNA) snRNA (small nuclear RNA, 소형 핵 RNA) snoRNA (small nucleolar RNA, 소형 인 RNA) scRNA (small cytoplasmic RNA, 소형 세포질 RNA) miRNA (microRNA, 마이크로 RNA) siRNA (small interfering RNA, 소형 간섭 RNA)

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7 mRNA 가공 (mRNA processing)
Procaryotic mRNA : Eukaryotic mRNA : Nascent RNA in nucleus Primary transcript RNA (1차 전사물) Heterogeneous nuclear RNA (hnRNA, 이형 핵 RNA) Needs to be processed and transported to the cytoplasm for translation to occur. Eukaryotic mRNA Processing : mature mRNA 1) 5’ capping : Addition of a 5’ 7-methyl guanosine cap 2) 3’ polyA tailing (polyadenylation) : Addition of a poly-A tail at the 3’ end 3) RNA splicing : Removal of introns

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10 번역 (해독, Translation) 번역 (translation) . mRNA를 주형으로 (codon)
. Ribosome 상에서 . 개시코돈에서 시작 . tRNA가 아미노산 전달 tRNA – Anticodon, Amino acid . Peptide bond 형성 : Peptidyl transferase . 종결코돈에서 마침 : 종결코돈 해당 tRNA 없음

11 유전암호 (Genetic Code) Genetic code . Triplet codon
Codon (mRNA), Anticodon (tRNA) . Codon degeneracy (중복성, 퇴행성) 64 codons, 20 amino acids 특정 아미노산을 지칭하는 코돈이 하나 이상 존재 . Start codon : AUG (methionine) Stop codon : UAA, UAG, UGA (해당 anticodon 없음) . 해독틀 (번역틀, reading frame) ORF : open reading frame . Universality (보편성) Preference

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13 리보솜 (Ribosome) Ribosome . rRNAs + Proteins
. Procaryotic ribosome : 70S (30S + 50S), 16S rRNA Eucaryotic ribosome : 80S (40S + 60S), 28S rRNA mitochondria, chloroplast : 70S ribosome . mRNA의 염기서열이 아미노산 서열로 번역될 수 있도록 mRNA 분자와 부하된 tRNA 분자를 적당한 위치에 배열

14 P-site: Most frequently occupied by peptidyl-tRNA, i. e
P-site: Most frequently occupied by peptidyl-tRNA, i.e. the tRNA carrying the growing peptide chain. A-site: Most frequently occupied by aminoacyl-tRNA. The aminoacyl-tRNA in the A-site functions as the acceptor for the growing protein during peptide bond formation. E-site: the ribosomal site harbouring decylated tRNA on transit out from the ribosome.

15 전이 RNA (Transfer RNA, tRNA)
. Single-stranded RNA Secondary structure : clover leaf shaped . Anticodon (no anticodon for stop codons UAA, UAG, UGA) Amino acid (amino acylated or charged tRNA) amino acyl tRNA synthetase (tRNA에 인식부위 있음)

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17 번역 과정 개시 (Initiation) 신장 (Elongation) 종결 (Termination)
. 개시복합체(Initiation complex) 형성 Ribosome small subunit (30S) mRNA : AUG fMet-tRNA (formyl methionine) : AUG의 anticodon Initiation factors (개시인자, IF1, 2, 3) . 개시복합체와 large subunit (50S) 결합 70S ribosome 형성

18 번역 과정 신장 (Elongation) . ribosome의 P site에 fMet-tRNA 결합 (개시단계에서)
. A site에 두 번째 tRNA가 결합 . 첫 번째 Aa와 두 번째 Aa 사이에 petptide 결합 형성 (peptidyl transferase) . 전좌 (translocation) P site의 deacylated tRNA : E site로 이동 Ribosome은 하나의 codon 만큼 이동 …

19 번역 과정 종결 (Termination) . Stop codon (UAA, UAG, UGA) 인식 : 번역 종결
. 방출인자 (release factor) polypeptide 방출 mRNA 방출 Ribosome : subunits 분리

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21 유전자 발현의 조절 Procaryotic cell : transcriptional control (전사 조절)
Eucaryotic cell : translational control (번역 조절) post-translational control (번역 후 조절)

22 Operon - 원핵생물에서의 전사 조절 Operon Operon의 구성 . 주로 원핵세포에서
. 한 대사경로를 수행하는 효소들을 코드하는 유전자들이 염색체 상에서 집단을 이루어 존재하고 (polycistronic) . 하나의 조절계에 의해서 조절되는 유전자군 Operon의 구성 . 구조유전자 (structural genes) . 촉진자 (promoter for structural genes) . 작동자 (operator) . 조절유전자 (regulatory gene) : 억제 유전자 (repressor gene) 조절 유전자의 촉진자 (promoter for regulatory gene)

23 구조 유전자 (structural genes)
Operon 구성 요소의 기능 구조 유전자 (structural genes) 단백질의 아미노산서열에 관한 정보 구조 유전자들은 하나의 mRNA로 전사됨 : polycistronic mRNA 촉진자 (promoter) 구조 유전자들 앞 부위(upstream)에 위치하는 특정 염기서열 부위 RNA polymerase가 결합하는 특정 염기서열 부위 작동자 (operator) Promoter와 구조유전자들 사이에 위치하는 특정 염기서열 부위 억제단백질(repressor protein)이 결합하는 부위 억제단백질의 결합 여부에 따라 RNA 중합효소에 의한 전사 진행 여부가 결정됨

24 조절유전자 (regulatory gene, 억제유전자)
억제(조절) 단백질의 아미노산서열에 관한 정보 별도의 promoter 를 가지고 있음 * 억제단백질 (repressor protein) . 다른자리 입체성(allosteric) 단백질 : 두 개의 결합 부위 : Operator 조절물질(effector) : 유도물질/보조 억제물질 . 조절물질이 억제단백질에 결합하면 입체구조가 바뀜 결합성 변화 - operator와 결합 operator 로부터 분리

25 단백질(효소)의 합성 1. RNA polymerase가 Promoter에 부착 2. RNA polymerase가 Operator 영역 통과 구조유전자들 쪽으로 진행 * 억제단백질과 operator 결합 여부에 따라 RNA polymerase의 부착/통과 여부가 결정됨 3. RNA polymerase가 구조유전자들 전사 : mRNA 합성 4. mRNA를 주형으로 ribosome과 tRNA에 의해 단백질(효소) 합성

26 Lactose operon lac operon (Escherichia coli )
. 유도(Induction)에 의해 효소의 합성이 조절되는 대표적인 operon . 구조유전자 : lacZ , lacY , lacA . lacZ : β-galactosidase . lacY : lactose permease . lacA : β-galactoside transacetylase 촉진자 : lacP 작동자 : lacO 조절유전자 : lacI . 활성 형태의 억제단백질 (lac repressor) 합성

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28 lac operon의 유도 : 음성 전사 조절 Lactose가 없으면 Lactose가 존재하면
→ 억제단백질(lac repressor)은 작동자(lacO )와 결합해 있음 → RNA polymerase가 촉진자(lacP)에 결합하지 못함 → 전사 일어나지 않음, 관련 효소 합성되지 않음 Lactose가 존재하면 → lactose (allolactos)가 억제단백질 (lac repressor)과 결합 → 억제단백질의 구조 변화 (활성형 → 비활성형) → 억제단백질이 작동자(lacO )로부터 분리됨 → 촉진자(lacP)에 부착된 RNA polymerase가 lacZYA 전사 → lactose 분해 관련 효소 합성 → lactose 분해 이용

29 Lactose가 모두 이용되면 → allolactose는 억제단백질(lac repressor)로 부터 분리
→ 억제단백질이 작동자(lacO )와 결합 → 촉진자(lacP)에 부착된 RNA polymerase가 분리됨 → lactose 분해 관련 효소 합성 정지

30 Lactose Operon의 음성 전사 조절

31 음성 전사 조절, 양성 전사 조절 음성전사조절 (negative transcriptional control)
억제단백질이 Operator에 결합하면 Promoter에 RNApol 결합하지 않음 전사 일어나지 않음 양성전사조절 (positive transcriptional control) Promoter에 RNApol 결합하여 전사가 일어남

32 이중영양적 생장 (Diauxic growth)
E. coli . 에너지원으로 이당류인 Lactose보다 단당류인 Glucose 선호 . 평상시에 Lactose 이용 관련 효소를 합성하지 않음 . Lactose와 Glucose가 동시에 존재하면 Glucose를 모두 사용한 후 Lactose 이용 관련 효소를 생산하고, Lactose 이용하여 증식 . 포도당이 Lactose 이용 관련 효소의 합성을 억제 (이화물질억제)

33 이화물질억제 (Catabolite Repression)
Glucose가 Lactose 이용 관련 효소의 합성 억제 (이화물질억제) . 포도당이 adenyl cyclase 합성 저해, cAMP 합성 안됨 . cAMP 농도가 낮아 cAMP-CAP 복합체 형성 안됨 . Promoter에 cAMP-CAP 복합체가 결합하지 않아 전사 안됨 . 포도당만 이용되고, 젖당은 이용되지 않음 Glucose가 고갈되면 . adenyl cyclase 작용으로 ATP → cAMP↑ . cAMP 농도가 높아지면 cAMP-CAP 복합체 형성 (CAP : catabolite activator protein, 이화물질 활성화 단백질) . cAMP-CAP가 Promoter 주변에 결합하면 RNApol이 Promoter에 결합 . 전사 개시, Lactose 이용 관련 효소 생산, Lactose 이용 양성 전사 조절 (Positive transcriptional control) cAMP-CAP 복합체가 promoter와 먼저 전사가 일어남

34 이화물질 억제에 의한 젖당 오페론 조절

35 LACTOSE OPERON의 조절 유도(음성전사조절)와 이화물질억제(양성전사조절) 동시 작용 이화물질억제 유도 결과
Glucose Glucose 이용 Lactose X O Lactose 이용 Glucose + Lactose

36 Trytophan Operon trp operon (Escherichia coli )
. 억제(Repression)에 의해 효소의 합성이 조절되는 대표적 operon . 구조유전자 : trpE , trpD, trpC, trpB , trpA 촉진자 : trpP 작동자 : trpO 조절유전자 : trpR . 비활성 형태의 결손억제단백질 (trp aporepressor) 합성

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38 Tryptophan Operon : 억제 (Repression)
trpR (억제유전자) . Trp repressor : 결손억제단백질(aporepressor) 로 합성됨 Tryptophan이 없으면 . Trp repressor는 Tryptophan이 없으면 Operator에 결합하지 못함 . RNA polymerase는 Promoter에 부착 후 Operator 영역 통과 . 합성 효소 생산, 트립토판 생산 Tryptophan이 있으면 . Trp repressor와 Tryptophan이 결합, 활성화 . Tryptophan - Trp repressor 복합체 : Operator에 결합 . RNA polymerase는 Promoter에 부착 후 Operator 영역 통과 못함 . 전사 억제 - 합성 효소 생산, 안됨 * Tryptophan : 보조 억제물질

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40 유도(Induction)와 억제(Repression)
공통점 . 전사단계에서 효소의 합성 조절 . 억제단백질이 operator에 결합하면 RNA polymerase에 의한 구조유전자들의 전사 진행 안됨 . 억제단백질이 operator와 결합하지 않았을 때 RNA polymerase에 의한 구조유전자들의 전사/효소 합성 진행

41 유도(Induction)와 억제(Repression)
차이점 . 조절유전자에 의한 억제단백질 합성 유도 : 활성형 억제단백질 합성 억제 : 비활성형 결손억제단백질 합성 . 조절물질 유도 : 유도물질(inducer) 활성형 억제단백질과 결합, 억제 단백질 불활성화 억제 : 보조억제물질(corepressor) 비활성형 결손 억제단백질과 결합 , 활성화

42 진핵생물의 유전자 발현 조절 1. 유전자 구조의 조절 2. 전사 조절
3. RNA 가공 및 핵으로부터 세포질로의 mRNA 운반 조절 4. RNA의 저장과 분해 조절 5. 번역 조절 6. 번역 후 조절

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44 RNA의 세계 Ribozyme