11.1: 원핵생물의 전사 감쇠인자

전사 감쇠인자는 터미네이터 mRNA 헤어핀 구조의 형성으로 인해 RNA 전사가 조기에 종료될 때 발생합니다. 박테리아는 이러한 머리핀을 사용하여 전사 과정을 조절하고 히스티딘, 라이신, 트레오닌 및 페닐알라닌을 포함한 여러 아미노산의 합성을 조절합니다. 전사 감쇠는 mRNA의 비암호화 영역에서 발생합니다.

전사를 약화시키는 데 사용되는 여러 가지 메커니즘이 있습니다. 리보솜 매개 전사 감쇠에서는 전사체에서 리보솜의 이동이 정지되거나 특정 아미노산으로 충전된 tRNA의 가용성에 따라 앞으로 진행됩니다. 아미노산 농도가 높으면 리보솜이 앞으로 이동하여 터미네이터 구조가 형성됩니다. 아미노산이 부족하면 리보솜이 정체되고 항터미네이터 구조가 형성됩니다. 아래에서 논의되는 E. coli의 trp 오페론은 이러한 메커니즘 유형의 좋은 예입니다. 락토코커스 락티스의 trp 오페론에서 관찰되는 tRNA 매개 전사 감쇠인자는 RNA-RNA 상호작용에 의존합니다. 전하를 띠지 않은 tRNA가 충분한 수로 존재하면 mRNA에 직접 결합하여 항종결자 구조를 안정화시킵니다. 전사 감쇠인자는 또한 E. coli의 bgl(베타-글루코시드) 오페론에서 발견되는 단백질에 의해 매개되는 것으로 알려져 있습니다. 여기에는 단백질이 전사물에 결합하고 항종결자 구조의 형성을 조절하는 RNA-단백질 상호작용이 포함됩니다. 최근에는 티아민과 같은 작은 대사산물이 리보스위치라고도 알려진 비암호화 mRNA 마디에 직접 결합하여 전사를 조절하는 것으로 관찰되는 또 다른 전사 감쇠인자 메커니즘이 발견되었습니다. 리보스위치는 대사산물의 농도와 성질에 따라 터미네이터 또는 안티터미네이터 구조를 형성할 수 있습니다.

Trp 오페론

대장균의 trp 오페론은 첫 번째 구조 유전자 앞에 140개의 뉴클레오티드 리더 서열을 포함합니다. 이 리더 서열은 1부터 4까지의 4개의 별개의 마디를 갖고 있으며 하류 구조 유전자의 전사를 조절합니다. 마디 1은 마디 2와 함께 헤어핀 구조를 형성할 수 있습니다. 이 1-2 헤어핀 구조는 전사 중에 리보솜이 새로 전사된 RNA와 결합할 때까지 RNA 중합효소를 정지시키는 정지 구조로 알려져 있습니다. 이는 박테리아의 전사와 번역을 동기화합니다. 트립토판 농도가 낮으면 마디 2와 3 사이에 항터미네이터 구조로 알려진 헤어핀 구조가 형성됩니다. 이 항종결자 구조는 트립토판 합성을 위한 효소를 생성하는 하류 유전자의 지속적인 전사를 허용합니다. 대조적으로, 트립토판 농도가 충분하면 마디 3과 4 사이에 터미네이터 구조라고 불리는 헤어핀 구조가 형성됩니다. 이어지는 일련의 우라실 염기와 함께 터미네이터 구조는 RNA 중합효소가 RNA 및 주형 DNA 가닥에서 분리되어 전사가 종료되도록 합니다.

전사 감쇠(transcriptional attenuation)는 다운스트림 유전자 발현을 방지하기 위해 전사를 조기에 종료하는 것입니다. 이것은 박테리아가 신진대사 요구에 따라 생체 분자의 합성을 조절하는 데 사용하는 몇 가지 전략 중 하나입니다.

전사 감쇠는 trp 오페론의 E. coli에서 처음으로 확인되었습니다. 오페론은 프로모터(promoter)와 오퍼레이터(operator)뿐만 아니라 트립토판 합성에 필요한 효소를 암호화하는 trp A부터 E까지 5개의 유전자를 포함합니다.

첫 번째 유전자 trp E 이전에 trp 오페론은 1에서 4까지 번호가 매겨진 4개의 고유한 세그먼트로 mRNA를 암호화하는 리더 서열을 가지고 있습니다.

전사 반종결인자(transcription anti-terminator)는 분절 3이 분절 2와 함께 헤어핀 구조로 접힐 때 형성됩니다. 대안적으로, 전사 종결자는 세그먼트 3이 세그먼트 4와 헤어핀 구조를 형성할 때 발생하며, 세그먼트 2가 대신 세그먼트 1과 헤어핀을 형성할 수 있도록 합니다.

박테리아에서는 전사와 번역이 동시에 발생할 수 있습니다. 메신저 RNA의 5' 말단이 RNA 중합효소에 의해 합성되자마자 리보솜은 결합하고 단백질 합성을 시작할 수 있습니다.

trp 오페론의 세그먼트 1에는 두 개의 트립토판 코돈이 포함되어 있습니다. 리보솜이 이러한 코돈을 만나고 높은 수준의 트립토판이 존재하면 트립토판이 함유된 tRNA인 트립토파닐-tRNA가 코돈에 빠르게 결합하여 리보솜이 계속 앞으로 나아갈 수 있도록 합니다.

리보솜이 세그먼트 2에 도달하면 이 세그먼트는 세그먼트 3에 결합할 수 없습니다. 그런 다음 세그먼트 3은 세그먼트 4와 함께 터미네이터 헤어핀을 형성합니다.

이 종결인자는 RNA 중합효소가 DNA 주형에서 분리되고 성장하는 mRNA의 합성을 중단하도록 합니다. 이것은 트립토판을 쉽게 구할 수 있을 때 트립토판 합성에 필요한 유전자가 전사되지 않도록 합니다.

그러나 트립토판 수치가 낮으면 트립토파닐-tRNA가 분절 1의 코돈에 결합하기에 충분하지 않습니다. 이것은 이러한 코돈에서 리보솜이 멈추는 결과를 초래할 것입니다.

이제 세그먼트 2는 세그먼트 3과 함께 터미네이터 방지 헤어핀을 형성하고 터미네이터 헤어핀은 세그먼트 3과 4 사이에 형성될 수 없습니다.

터미네이터가 없기 때문에 RNA 중합효소는 trp 오페론의 전사를 계속할 수 있습니다.