생명과학Ⅱ›유전자와 생명공학

유전자 발현 조절

Gene Regulation

왜 모든 세포가 같은 DNA를 갖고도 다른가?

🤔 피부세포와 뇌세포의 차이

①사람의 모든 체세포는 동일한 약 2만 개의 유전자를 가진다

②그런데 피부세포는 케라틴을, 적혈구는 헤모글로빈을 만든다

③비밀: 어떤 유전자를 '켜고 끄느냐'가 세포의 정체를 결정

④유전자 발현 조절 = 필요한 유전자만 선택적으로 작동시키는 메커니즘

⑤이것이 '분화(differentiation)'의 핵심 원리

원핵생물 — lac 오페론 모델

🧬 대장균의 영리한 에너지 절약

①대장균은 포도당을 가장 좋아한다 (효율적 에너지원)

②젖당이 있을 때만 젖당 분해 효소를 만든다 — 에너지 절약!

③포도당이 있으면 젖당이 있어도 젖당 분해 효소를 만들지 않는다

④이 조절 시스템이 바로 'lac 오페론'

lac 오페론 ON 조건

젖당 O + 포도당 X → 억제자 비활성화 → 전사 ON

두 조건이 모두 만족해야 유전자가 발현된다

lac 오페론 상태표

📊젖당/포도당 조합별 발현

젖당	포도당	lac 오페론	이유
X	X	OFF	젖당 불필요 → 억제자가 오퍼레이터 차단
X	O	OFF	포도당 사용 → 젖당 효소 불필요
O	O	OFF	포도당 우선 사용 (포도당 억제)
O	X	ON	젖당만 있어 분해 필요!

오페론의 구성 요소

오페론 구성

📋lac 오페론의 각 부분과 역할

조절유전자

항상 발현되어 억제 단백질을 만든다

억제 단백질 암호화

프로모터

RNA 중합효소가 여기에 붙어 전사를 시작

RNA 중합효소 결합 부위

오퍼레이터

스위치 역할 — 차단되면 전사 불가

억제 단백질 결합 부위

구조유전자 (Z, Y, A)

Z=β-갈락토시데이스, Y=퍼미에이스, A=트랜스아세틸레이스

젖당 분해 효소 암호화

진핵생물의 유전자 조절 — 다단계 시스템

🏗️ 원핵 vs 진핵: 조절의 복잡도가 다르다

①원핵: 오페론 하나로 ON/OFF (단순 스위치)

②진핵: DNA → mRNA → 단백질 각 단계에서 조절

③인트론/엑손 구조, 히스톤 패키징 등 추가 조절 수단

④이것이 다세포 생물의 복잡한 분화를 가능하게 한다

전사 수준 조절

전사인자 + 프로모터 → RNA 중합효소 결합 → 전사 개시

전사인자가 유전자 발현의 핵심 스위치

조절 단계

📋진핵생물 유전자 발현 조절 수준

전사 전

크로마틴 구조 변화 → 유전자 접근성 조절

DNA 메틸화, 히스톤 변형

전사 수준

가장 중요한 조절 단계

전사인자, 인핸서, 사일렌서

전사 후

인트론 제거, 선택적 스플라이싱 → 하나의 유전자에서 여러 단백질

mRNA 가공 (스플라이싱)

번역 수준

mRNA 수명 조절 → 단백질 생산량 조절

miRNA에 의한 mRNA 분해

번역 후

단백질 활성/분해 조절

단백질 인산화, 유비퀴틴화

후성유전

DNA 메틸화, 히스톤 아세틸화 → 염기서열 변화 없이 발현 조절

환경이 유전자 발현을 바꿀 수 있다 (유전 가능!)

총정리

유전자 조절 핵심

같은 DNA + 다른 유전자 발현 = 세포 분화

모든 세포가 같은 유전체를 공유하지만 다른 세포가 되는 이유

🎯 시험 포인트

①lac 오페론 ON 조건: 젖당 O + 포도당 X

②조절유전자 → 억제 단백질 생산 / 오퍼레이터 = 스위치

③젖당이 억제자에 결합 → 오퍼레이터에서 이탈 → 전사 개시

④진핵생물: 전사인자 + 프로모터 조절이 핵심 (다단계 조절)

⑤후성유전: DNA 메틸화/히스톤 변형 → 염기서열 불변, 발현만 변경