원핵세포에서의 전사 규제(Transcriptional Regulation in Prokaryote)

원핵세포에서의 전사 규제로는 첫번째, 조절 단백질로 인한 조절이 있다.

이는 Activator을 통한 전사 진행과, Repressor를 통한 전사 억제가 있으며 이는 Seq 특정 결합을 통해 Extracellular Signal로 RNA Pol에서 DNA Binding protein으로 조절한다.

또한 이들은 Basal Level of T/C로 Expression이 되고, 따라서 세포가 Survive할지, Divide할지, Differentiate할지, Die할지 정해지게 된다.

이때, Activator와, Repressor는 ABS에 부착이 되며,Repressor의 경우, RNA Pol이 붙는 Promoter 근처에서 부착이 된다.

Allostery한 규제는 Closed Complex에서 Open Complex로 변환이 되지 않는 것들을 Activator을 통해 RNA Pol 또는 DNA Conformation 변화를 통해 Open Complex로 변화시키는 것이다.

이에 대한 예시로는 glnA Gene Promoter 에서 NtrC(Activator)로 RNA Pol을 변화시키는 것이 있고, mer T gene이 NerR로 인한 DNA 구조 변화, Repressor로 Open 시키거나 Promoter Escape 억제시키는 Gal 도 있다.

이들은 Cooperative Binding을 통해서 다양한 Activator/Repressor에 의한 조절이 된다.

이것은 정교한 조절이 가능하며, 여러 종류 세포 외부 환경 요소에 의해 복잡한 조절도 가능하다.

Allostery로는 Regulator들의 기능 조절에 이용이 되며 이 Regulator로는 DNA Binding의 유무로 기능이 조절되며, Loctase같은 Signal Molecule의 결합에 의해 Conformation 조절이 된다.

이로써, 빠르고, 정확히, 시점과 장소, 그리고 자극을 하게 된다.

Regulation of T/C 개시의 예를 들자면,

E.coli의 Lac gene의 경우 3개의 Lac gene(LacZ LacY, LacA)는 활성, 억제 인자가 동시에 조절한다.

이는 Polycistronic 하여 하나의 mRNA에서 여러가지의 gene을 나오는 것을 의미하며, lacZ에 위치한 Lac promoter가 3개의 gene을 포함하는 하나의 mRNA 합성을 유도한다.

Lac gene은 lactose가 있고 Glucose가 고갈된 상태에서 발현이 된다.

Lac Operon은 Activator CAP(CRP)와 Repressor로 Lac Repressor로 조절된다.

Glucose는 Activator로 Glucose 없을때만 DNA에 결합해 Lac gene을 활성시키고, Lactose는 Lac Repressor로 Lactose가 없을때만 DNA에 결합해 T/C를 방해하게 된다.

Lac Repressor는 DNA 결합 부위와 다른데 이를 Allosteric Regulation이라고 한다.

Allostrery에 의한 T/C Activator는 Allostery지만, 대부분 Recruitment로 진행되며 Allosteric 메커니즘은 Pol에선 inactive Form으로 DNA에 결합해 Activator로 Active한다.

NtrC는 질소 수준이 낮을때만 DNA Binding을하고, NtrC가 업으면 Promoter에 결합해 Closed 된다.

질소 수준이 낮을때, Active는 시그마54 Subunit에서 DNA Loop로 ATP를 사용해 Open된다.

추가로 IHF로 Activator가 Promoter를 가깝게 한다.

DNA 구조를 변화시키는 MerR은 Hg2+(수은 이온)이 있을때만 발현이 되는데 없다면 Pol이 결합되더라도 T/C를 차단시키고, 있다면 DNA를 비틀어서 Promoter를 결합시킨다.

araBAD Operon는 AraC, CAP(Activator)에 의해 조절이 되는데, arabinose와 결합해 AraC가 DNA에 Binding하여 잘 결합된다.

없다면, AraC가 다른 형태로 DNA에 Loop 형식으로 Binding하는데 이를 통해 Pol에 접촉을 하지 않고 활성화가 정지 되며 이것은 Expession Vector에 사용된다.

박테리오파지 Layor 조절은 Lytic Growth와 손상시 진행되는 Lysogenic Growth가 있다.

Lytic Growth는 자신의 DNA를 복제하여 Coat Protein을 합성하는 것이고, Lysogenic Growth는 Bacterial Genome에 삽입되어 수동적 복제가 진행되는 것이다.

Lytic Growth는 Cro가 OR3에 결합하여, Prm(약하며 activator가 필요하고 없다면 약하게 발현되는 것)을 차단하는데, Cro, Repressor가 없을시 Pol은 Pr, Pl에 결합해 Lytic Gene을 발현시킨다.

Lysogeny는 Repressor가 Or1, OR2에 결합해 Pr을 차단하며 OR2에 결합한 Refressor로 Prm의 Activator에 사용된다.

Lysogenic Induction은 DNA 손상을 인지한 후 반응하는데 RecA(Recombination, 특정 단백질 Proteolytic autocleavage 촉진) 활성 후 LexA autoCleavage를 유도하고 관련된 Gene을 Repression하는데 이를 SOS response라 하고 SOS Repair가 진행된다.

람다 Repressor도 LexA와 마찬가지로 Autocleavage되는데, C-T domain을 상실한 후 Dimerization, Cooperactivity를 상실해 Or1, Or2, Ol1, Ol2를 분리한다.

Pr과 Pl로 T/C가 시작되고 Lytic growth에 진입한다.

이때, Repressor는 Level이 낮을때 자신의 합성을 촉진하고 높을땐 억제하며 Lysogenic State를 안정화한다.

참고로 E.coli의 성장이 높을땐, Lytic Growth가 높아지는 경향을 보이며, 그 반대는 Lysogeny가 증가하게 된다.

Retro Regulation은 Interplay of control들을 RNA Synthesis와 Stability determine int Gene Expression으로 하게 된다.