제14장. 유전자 조절 유전자발현 조절 기작의 종류 원핵세포의 유전자 조절 진핵세포의 유전자 조절 유전자 조절에 대한 연구 유전자가 어디서 어떻게 발현될 것인가는 DNA의 상태와 조절 단백질들에 의존적이다. 원핵세포는 작고 단세포이므로 환경의 영양소 공급이나 변화에 대해 빠르게 적응한다. 진핵세포는 선택적 유전자 발현의 단기적 조절과 세포분화 같은 장기적 조절도 한다. 유전자 발현의 연쇄적 작용이 잘 드러나는 예는 발생과정이다.

1. 유전자 발현조절 메카니즘 조절단백질(regulatory protein) 음성 조절(negative control)-조절 단백질이 유전자의 활성을 낮춤. 양성조절(positive control)-조절 단백질이 유전자의 활성을 높임. DNA의 조절 요소 프로모터(Promoter)-전사가 시작되는 일반적인 비암호화 서열. 유전자 앞에 존재. 증폭자(Enhancer)-활성 단백질이 부착하는 DNA영역. 정해진 자리는 없음. 화학적 변형 DNA의 메틸화-유전자 활성을 낮춤 단백질의 아세틸화-히스톤과 DNA 사이를 느슨하게 해줌

염색체의 히스톤(histon) 단백질과 DNA 히스톤 단백질의 아세틸화는 히스톤 단백질의 결합상태를 느슨하게 한다. DNA 히스톤 단백질들

2. 원핵세포의 유전자 조절 원핵세포 유전자 배열의 특징: 연관 있는 물질 대사에 관여하는 유전자들이 일렬로 배열되어 하나의 전사 단위를 이룬다(오페론). 젖당 오페론의 조절 음성조절: 젖당이 없는 경우 조절 단백질은 유전자의 작동부위(오퍼레이터)에 결합하여 유전자 발현이 억제되도록 한다.@ 양성조절: CAP단백질은 포도당 고갈시 젖당 오페론이 더욱 잘 작동하도록 RNA 중합효소의 프로모터 결합을 도와준다.

3. 진핵세포의 유전자 조절 다세포 생물의 유전자 조절: 단, 장기적 조절 유전자 조절 결과 세포분화: 한 개체의 모든 유전 정보는 동일하지만 서로 다른 세포들은 서로 다른 종류의 유전자 세트를 발현함으로써 서로 달라진다. 조절작용의 단계들 전사 전 조절- DNA의 화학적 변형, 히스톤 단백질의 변형, 전사전의 DNA 복제나 재배열 등. 전사 조절 – 전사량의 조절, 전사체의 교체 접합 등. 번역조절 – mRNA의 안정성 조절, 리보솜 조절 번역 후 조절- 단백질 생산물의 변형, 활성의 조절

진핵 세포 유전자 조절 과정

다사염색체(polytene chromosome)-전사 전 조절 세포 분열 없이 반복적으로 DNA복제가 이루어져 DNA가닥들의 다발이 형성되면 염색체가 크고 두꺼워진다(광학현미경으로 관찰 가능) 유전자들이 많아졌으므로 다량의 유전자 산물을 만드는데 적합하다. 부푼 부위(Puff)는 전사가 활발한 부분이다.

호메오 유전자(Homeotic gene)와 신체 설계 4. 유전자 조절의 예 배발생 과정 중의 선택적 유전자 발현 호메오 유전자(Homeotic gene)와 신체 설계 발생 중인 배의 특정 부위에서 전사됨 다른 조절 인자들과의 상호작용으로 기본 신체설계에 따라 정확한 부위에서 다른 유전자를 작동시킴으로써 사지와 기관 형성 조절(전사조절인자). 약 60개의 아미노산 서열로 구성된 ‘호메오도메인’을 가진 조절 단백질을 암호화함. X-염색체 불활성화와 유전자량의 보정(Dosage compensation) 척추동물 포유류 암컷들에서 배 발생 단계에 불특정한 X염색체가 불활성화됨(암컷 모자이크 형성). XIST 유전자 발현에 따라 하나의 염색체가 불활성화되고 암-수의 생물체에서 유전자량이 보정된다.

신체 발달과 호메오도메인 단백질유전자 발현 조절자 신체 분화의 증거(머리의 안테나 형성), 호메오 돌연변이로 촉수다리(anntennapedia)가 형성된다. 이들 신체 기관 형성을 유도하는 전사인자들은 DNA의 일정부분에 결합할 수 있는 단백질들이다.

X-염색체 불활성화(X chromosome inactivation) 바소체 X-염색체 상의 유전자들은 여성의 몸에서는 그 발현이 모자이크로 나타난다.

포유류 암컷의 모자이크 캘리코 고양이의 갈색-검은색 멜라닌 색소에 대한 대립유전자 효과(배 발생시 서로 다른 세포에서 서로 다른 X염색체들이 불활성 되면서 서로 다른 대립인자가 발현된다).

5. 유전자에 대한 연구 1) 원리 유전자 표현형에 영향을 미침 표현형 이상 유전자 이상 돌연변이 표현형을 가진 개체에 대한 유전자 연구, 표준 개체의 유전자를 변형시킨 후 표현형 변화 관찰 2) 방법 -돌연변이 개체의 원인 유전자 규명 -유전자 제거 실험(knockout experiment) 후 표현형 관찰 -돌연변이 유전자 도입 후 개체의 변화 관찰

유전자 조절에 대한 연구-초파리의 이용 초파리는 여러 가지 이점으로 유전 연구에 자주 사용되는 모델 동물이다. 초파리의 해부학적, 세포학적, 생화학적, 유전학적 수준에 대한 연구로 배발생 단계의 유전자 조절에 대한 정보를 얻게 되었다. 초파리에는 여러 가지 돌연변이가 존재한다. 복숭아 위에 앉은 초파리 y 돌연변이 (노랑 체색) Cy 돌연변이 (굽은 날개) Vg돌연변이 흔적 날개 Wild type

발생 과정의 유전자 조절 조절의 증거: 유전자 제거 실험(gene knock-out experiment)으로 배발생에 미치는 유전자의 영향을 규명함 eyeless, dunce, wingless, wrinkled, tinman, minibrain, groucho 등의 유전자 발견. 상동유전자(homolog)의 존재 발견: 초파리-eyeless, 사람-Aniridia, 쥐-Pax6, 오징어-Pax6; 눈이 형성되도록 함.(공통 조상에서의 유래 증거)

유전자 돌연변이들 다리눈 돌연변이와 이중가슴 돌연변이.

발생 형태와 유전자 형태 형성(pattern formation) ~ 배의 조직과 기관이 예정된 형태로 예정된 위치에 형성되는 것. 새로운 배에서 서로 다른 세포들의 분열, 분화, 사멸로 신체의 상세한 설계가 완성된다. 배 발생의 어떤 단백질들은 미분화 세포가 다른 조직으로 발생하도록 유도한다. 형태 형성에 관여하는 유전자들의 돌연변이는 개체에서 뚜렷한 기형을 유발한다.

초파리의 체절화된 신체설계 초파리는 머리-가슴-배를 비롯하여 체절화된 신체설계를 나타낸다. A)초파리 수정란의 발생운명 지도. 초파리의 알은 미수정란의 모계 mRNA와 단백질의 극성 분포를 나타낸다. 이들의 상대적 분포는 이후의 국소적 유전자 발현에 영향을 미친다. 모계유전자 산물에 의해 간극유전자(gap)의 발현이 지역적으로 다르게 발현된다.기본적인 공간구조 B) 간극 유전자 산물의 상대적인 농도에 따라 배세포에서는 서로 다른 유전자들이 짝지워져 발현되어 축적된다.띠모양 패턴  각 체절의 동질성을 결정하는 호메오 유전자의 발현에 영향을 미친다. 체절의 기관 형성.

나방 날개의 무늬 형성 나방 유충의 7개 점들이 성체 날개의 눈모양 무늬를 만들도록 유도한다.

초파리 배의 특정 유전자 발현 고리 모양으로 특정 부분에 특정 유전자가 발현되는 것을 알 수 있다.