제7장

유전자 발현은 DNA에서 RNA 단백질 까지의 경로의 많은 단계에서 조절 될 수 있습니다.

유기체의 다양한 세포 유형 사이의 차이가 세포가 발현하는 특정 유전자에 달려 있다면, 어떤 수준에서 유전자 발현 조절이 이루어지는 것입니까? 이전 장에서 보았 듯이 DNA에서 단백질로 이어지는 경로에는 많은 단계가 있습니다. 우리는 이제 모든 단계이 원칙적으로 조절 될 수 있음을 알고 있습니다. 따라서 세포는 (1) 주어진 유전자가 전사되는 시기와 빈도 (전사 조절), (2) RNA 전 사체의 접합과 가공 (RNA 공정 조절) 조절, 완성 된 mRNA는 핵에서 세포질로 내보내지고 세퐂빌의 어느 부분에서 이들이 위치되어 있는지 (RNA 수송 및 위치 제어), (4) 세포질에서 어떤 mRNA가 리보좀에 의해 번역되는지 선택 (번역 제어), (5) (mRNA 분해 조절)에서 특정 mRNA 분자를 선택적으로 불안정하게하거나, (6) 특정 단백질 분자가 만들어진 후에 선택적으로 활성화, 불 활성화, 분해 또는 세포내 위치를 찾아야한다 (그림 5). 대부분의 유전자에 대해 전사 조절이 가장 중요합니다. 이는 그림 7-5에서 설명 할 수있는 모든 가능한 제어 지점 중에서 전사 제어만으로 세포가 불필요한 중간체를 합성하지 않기 때문에 의미가 있습니다. 다음 절에서 우리는 유전자 전사의 개시를 조절함으로써이 기능을 수행하는 DNA와 단백질 구성 요소에 대해 논의한다. '우리는이 장의 끝에서  유전자를 조절하는 많은 추가적인 방법으로 돌아갈 것이다

유전자 조절 단백질은 DNA 서열을 읽을 수있는 구조 모티프를 포함합니다

생물학에서의 분자 인식은 일반적으로 두 분자의 표면 사이의 정확한 맞춤에 의존하며 유전자 조절 단백질 연구는 이 원리의 가장 명확한 예를 제공합니다. 유전자 조절 단백질은 단백질의 표면이  부착지역의  DNA 서열의 특징적 표면과 서로 맞기 때문에 그 염기서열을  인식합니다. 대부분의 경우 단백질은 수소 결합, 이온 결합, 소수성 상호 작용을 포함하여 DNA와 일련의 접촉을합니다. 개개의 접촉이 약하지만, 일반적으로 단백질 -DNA 계면에서 형성되는 20 개 정도의 결합이 합쳐져 상호 작용이 매우 특이 적이며 매우 강하다 (그림 7-9). 실제로, DNA- 단백질 상호 작용은 생물학에서 가장 단단하고 가장 구체적인 분자 상호 작용을 포함합니다. 단백질 -DNA 인식의 각 사례가 상세하게 독특하기는 하지만, 수백 개의 유전자 조절 단백질에 대한 x-ray crystallographic 및 NMR spectroscopic 연구에서 다수의 단백질이 하나 이상의 작은 DNA 결합 구조 모티프를 갖고 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 모티프는 일반적으로 alpha 나선 또는 beta 시트를 사용하여 DNA의 대홈에 결합한다. 우리가 본 것처럼, 이 대홈은 하나의 DNA 서열을 다른 DNA 서열과 구별하기에 충분한 정보를 담고있다. 서로 잘 맞기 때문에  핵산과 단백질의 기본 구조 단위의 크기가 함께 진화되어 이들 분자가 잘 결합 할 수 있다는 것이 제안 되었습니다

Helix-Turn-Helix Motif는 가장 단순하고 가장 공통적 인 DNA 결합 모티프 중 하나입니다.  최초의 알려진 DNA 결합 단백질 모티프는 HTH였습니다. 원래 박테리아 단백질에서 확인 된이 모티프는 진핵 생물과 원핵 생물 둘 다에서 수백 가지의 DNA 결합 단백질에서 발견되었습니다. 이것은 turn이라고 하는 짧은 길이의 아미노산 사슬에 의해 연결된 두 개의 나선으로부터 만들어 진다 (그림 7-10). 두 개의 나선은 일정한 각도로 유지되는데, 주로 두 나선 사이의 상호 작용을 통해 이루어진다. 두 나선중 C- 말단 쪽 나선은 DNA의 주요 홈에 들어 맞기 때문에 인식 나선이라고 불린다. 이 나선의  아미노산 측쇄는 단백질이 결합하는 특정 DNA 서열을 인식하는 데 중요한 역할을 합니다.

이 모티프를 포함하는 다양한 단백질의 HTH 영역 밖의 구조는 엄청나게 다양 할 수 있다 (그림 7-1). 따라서 각 단백질은 독특한 방식으로 DNA에 헬릭스 - 턴 - 나선 모티프를 "제시"하는데, 이 모티프가 작용할 수 있는 DNA 서열의 수를 증가시킬 수 있도록  헬릭스 - 턴 - 나선 모티프의 다양성을 향상시키는 것으로 생각되어진다. 또한, 대부분의 단백질에서 helix-turn-helix 도메인 외의 폴리 펩타이드 사슬 부분은 DNA와 중요한 접촉을하여 상호 작용을 미세 조정합니다.

도 7-11에서 볼 수 있는 헬릭스 - 턴 - 나선 단백질 군은 많은 서열 특이적 DNA 결합 단백질의 공통적 인 특징을 입증한다. 그들은 대칭으로 배열 된 두 개의 매우 유사한 "반 사이트"로 구성된 DNA 서열에 대칭 이량체로 결합합니다 (그림 z-r2).이 배열은 각 단백질 단량체가 거의 동일한 형태의 접촉을 만들 하고 친화력을 엄청나게 증가시킵니다.어림잡아서 접촉의 수를 두 배로함으로써 상호 작용의 자유 에너지가 두 배로 되고, 이에 따라 친화력 상수가 제곱이된다.

Homeodomain 단백질은 Helix-Turn-Helix 단백질의 특수 클래스를입니다.

박테리아에서 최초의 유전자 조절 단백질이 발견 된 후 얼마 되지 않아, 초파리 Drosophila의 유전 분석 결과 homeotic selector genes이라고 하는 중요한 유전자를 발견하였는데 이 유전자는 고등 동물들의 발생을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 22 장에서 논의 된 바와 같이, 이후 그들은 더 고등 동물의 발생에도 근본적인 역할을  한다는 것이 증명되었다. 이 유전자의 돌연변이는 초파리의 신체 일부가 다른 부분으로 변환되도록하였서 이 유전자가 만드는 단백질을 코딩하여 중요한 발생을  결정하도록 조절 함을 보여줍니다. 1980 년대 초에 여러 가지 homeotic serector 유전자의 nucleotide 염기 서열이 결정되었는데 이 각각은 이 단백질 군의 특징인 60 개의 아미노산과 거의 동일한 아미노산 서열을 암호화하고 이 부분을homeodomain이라고 불린다. homeodomain의 3차원 입체 구조가 결정되었을 때,

그것은 세균 유전자 조절 단백질의 3차원 구조와 관련된 helix-turn-helix 모티프를 포함하는 것으로 밝혀졌고 이는 세균에서 확립된 유전자 조절의 원칙이 고등 유기체에도 적용된다는 최초의 징후 들중 하나였다. Drosophila 단독으로 60 개 이상의 homeodomain 단백질이 발견되었으며, 효모 식물, 인간에 이르기까지 사실상 연구 된 모든 진핵 세포에서 homeodomain 단백질이 확인되었습니다. 특정 DNA 서열에 결합 된 homeodomain의 구조는 그림 7-13에 있다. 박테리아 유전자 조절 단백질의 helix-turn-helix 모티프는 종종 다른 구조에 둘러 싸여 있는 반면, 호메오 도메인의 헬릭스 - 턴 - 헬릭스 모티프는 항상 동일한 구조로 둘러싸여있어 (홈 도메인의 나머지 부분을 형성 함) 그 모티프는 항상 동일한 방식으로 DNA에 결합됩니다. 실제로  비록 효묘의 homeodomain 단백질과 Drosophila homeodomain 단백질이 60 개의 아미노산 중 17 개에서만 동일하지만 거의 동일한 형태로 DNA를 인식한다는 것을 구조 연구가들이 증명하였다 (그림 3-13 참조) .

몇 가지 유형의 DNA 결합 아연 핑거 모티브가 있다

헬릭스 턴 헬릭스 모티프는 아미노산만으로 구성됩니다. DNA 결합 모티프의 두 번째로 중요한 그룹은 구조적 성분으로서 하나 이상의 아연 원자를 포함한다. 이러한 모든 아연이 - 배위 결합된 DNA 결합 모티프는 징크 핑거라고 불리우지만, 이 설명은 초기 발견 (그림 7-14A)에서 기인 한 개략도의 모양에서 유래 되었다. 후속 구조 연구는 여러 가지 구조 유형이 있음을 밝혔는데 우리는 여기에서  두 개의 다른 구조적 그룹을 다루고 있다. 첫 번째 유형은 처음에는 진핵 세포의 리보솜 RNA 유전자의 전사를 활성화시키는 단백질에서 발견되었다. 구조는 아연이 alpha 나선 및 beta 시트를 함께 붙잡고 있다 (도 7-14B). 이 징크 핑거는 종종 연속적으로 (tandem clusters) 발견되어 각각의 나선 구조가 DNA의 대홈을 따라 접촉하여 연속적으로 결합을 형성한다. 이러한 방식으로 반복적인 기본 구조 단위를 통해 강력하고 특이적인 DNA- 단백질 상호 작용이 형성된다 (그림 7-r5).

루신 지퍼 모티프는 DNA 바인딩과 단백질 다이머화 모두를 중재합니다.

많은 유전자 조절 단백질은 호모 다이머로 DNA를 인식합니다. 이는  강한 특이 결합을 달성하는 간단한 방법이기 때문일 수 있습니다 (그림 7-12 참조). 보통, 이량 체화에 관여하는 단백질 부분은 DNA 결합을 담당하는 부분과 구별된다. 그러나 이 모티브는 이 두 가지 기능을 정교하고 경제적으로 결합합니다. 그것은 leucine zipper 모티브로 불려지며, 각 단량체에서 하나씩 2 개의 나선이 합쳐져 짧은 꼬인 코일을 형성하기 때문에 이 이름이 붙여졌습니다 (그림 3-9 참조). 나선은 각 나선의 한쪽에서 뻗어있는 소수성 아미노산 측쇄 (종종 류신) 사이의 상호 작용에 의해 함께 유지됩니다. 이량 체화 인터페이스를 넘어서서 두 개의 나선형이 서로 분리되어 Y 형 구조를 형성하며,이 구조는 측쇄가 DNA의 주요 홈과 접촉하게 합니다. 따라서 이량체는 빨랫줄의 빨래 집게와 같이 이중 나선을 붙잡습니다 (그림 7-1).

Helix-Loop-Helix Motif도 이량 체화와 DNA 결합을 중재한다.

루신 지퍼와 관련된 또 다른 중요한 DNA 결합 모티프는 이전에 논의 된 나선형 턴 나선 구조 모티프와는 다른 나선 루프 나선 (HLH) 모티프이다 . HLH 모티프는 짧은 alpha 나선과 그것에 루프에 의해 연결된 두 번째 긴 alpha 나선으로 구성됩니다. 루프의 유연성으로 하나의 헬릭스가 폴드백 하여 다른쪽 나선과 결합할 수 있다. 그림 7-23에서 볼 수 있듯이 두개의 나선으로된 구조는 DNA와도 결합하고 두 번째 HLH 단백질의 HLH 모티프에도 모두 결합합니다. 두 번째 HLH 단백질은 동일하거나 (호모 다이머를 생성하거나) 다른 것 (이종 다이머를 생성) 일 수 있습니다. 두 경우 모두, 이량체 (dimerizati)에서 연장 된 두 나선이  DNA와 특이적 접촉을한다

복잡한 스위치는 진핵 세포에서 유전자 전사를 제어하기 위해 진화 해왔다

박테리아와 진핵 생물은 많은 유전자 조절 원칙을 공유하고 있고 거기에는 짧은 DNA 길이에 단단히 결합하는 유전자 조절 단백질의 핵심적 역할, 유전자 활성화에 약한 단백질 - 단백질 작용의 중요성, 그리고 DNA 휘어짐에 의해 제공되는 융통성등이 포함된다. 대조적으로, 진핵 생물에서의 유전자 조절은 더 많은 단백질, 더 긴 DNA를 함하며 종종 복잡하게 보입니다. 이러한 복잡함의 증가는 진핵 세포에 중요한 이점을 제공한다. 박테리아의 유전적 스위치는 전형적으로 하나 또는 몇 개의 신호에 반응합니다. 그러나 진핵 생물에서 수십개의 신호가 하나의 프로모터에 모이고 전사 시스템이 모든 다른 신호를 통합하여 적절한 수준의 mRNA를 생성하는 것이 일반적입니다. 우리는 박테리아의 유전자 조절과 구별되는 주요 특징을 개략적으로 설명함으로써 진핵 생물 유전자 조절에 대한 설명을 시작합니다. .

6 장에서 논의했듯이, 모든 단백질 코딩 유전자를 전사하는 진핵 생물 RNA 중합 효소 II는 5 개의 일반적인 전사 인자 (총 27 개의 서브 유닛, 표 6-3, 341 참조)를 필요로하는 반면 박테리아 RNA 중합 효소는 단일 일반적인 전사 인자, 시그마 소단위만 필요로한다. 우리가 보았 듯이, 진핵 생물 프로모터에서 일반적인 전사 인자들이 단계적으로 조립하여 세포가 유전자 조절 단백질에 반응하여 전사 개시 속도를 높이거나 낮출 수 있습니다.

. Eucaryotic 세포는 단위체로 전사 되는 관련 유전자로된 오페론이 없으며  각 유전자를 개별적으로 조절해야한다.

. 각각의 박테리아 유전자는 전형적으로 하나 또는 소수의 유전자 조절 단백질에 의해 제어되지만 유전자가 많은 (때로는 수백 가지) 상이한 조절 단백질에 의해 조절되는 것이 진핵 생물에서 일반적이다. 우리가 볼 수 있듯이, 많은 진핵 세포 유전자 조절 단백질은 DNA를 따라 매우 먼 거리 (수만 개의 뉴클레오타이드 쌍)에 걸쳐(떨어져서도) 작용할 수 있기 때문에 수많은 조절단백질들이 단일 유전자의 발현에 영향을 미칠 수 있다.

. 진핵 세포에서의 유전자 조절의 핵심 구성 요소는 유전자 조절 단백질과 RNA 중합 효소 사이의 중개자 역할을하는 Mediator, 24- subunit로 된 복합체이다 (그림 6-19 참조). Mediator는  RNA 중합 효소(세균에서 처럼)와 비교하여 보다 많은 유전자 조절 단백질에 대한  접촉 영역을 제공합니다.

.진핵 DNA를 염색질로 포장하는 것은 박테리아가 이용할 수 없는 전사 조절에 많은 기회를 제공합니다.

6 장 (340 ~ 343 페이지 참조)에서 RNA 중합 효소 II에 대한 일반적인 전사 인자에 대해 논의 했으므로, 이들 특성 중 위 마지막 4 개가 진핵 생물 유전자 발현을 제어하는 데 어떻게 사용되는지에 초점을 맞춘다.