모든 체세포는 같은 유전자를 갖지만, 어떤 유전자를 켜고 끄느냐에 따라 세포 종류가 달라져요.
대장균의 lac 오페론은 젖당이 있고 포도당이 없을 때만 젖당 분해 효소를 만들어 에너지를 아껴요.
진핵생물은 전사 전후·번역 단계까지 다단계로 조절하고 후성유전도 발현에 관여해요.
젖당과 포도당 버튼으로 조합을 바꿔 lac 오페론이 언제 ON이 되는지 확인해 봐요.
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'
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lac 오페론: 젖당/포도당 유무에 따른 ON/OFF 상태
lac 오페론 ON 조건
젖당 O + 포도당 X → 억제자 비활성화 → 전사 ON
두 조건이 모두 만족해야 유전자가 발현된다
lac 오페론 상태표
Chart젖당/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
Listlac 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
List진핵생물 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!)
예제와 기출로 점검
예제 1
대장균의 lac 오페론에서 젖당 분해 효소가 가장 활발하게 만들어지는 조건은? (젖당과 포도당의 유무로 답하라)
1
젖당이 있어야 억제 단백질이 떨어져 전사가 시작될 수 있다.
2
포도당이 있으면 대장균이 포도당을 먼저 쓰므로 젖당 효소 생산이 억제된다(포도당 효과).
▸ 젖당 있음 + 포도당 없음
두 조건이 모두 충족돼야 lac 오페론이 ON. 포도당이 있으면 젖당이 있어도 효소를 거의 만들지 않는다.
예제 2
배지에 젖당이 들어오면 lac 오페론에서 무슨 일이 일어나 전사가 시작되는가?
1
평소에는 억제 단백질이 오퍼레이터에 붙어 RNA 중합효소의 진행을 막는다.
2
젖당(유도물질)이 억제 단백질에 결합하면 단백질 모양이 바뀌어 오퍼레이터에서 떨어지고, RNA 중합효소가 구조유전자를 전사한다.
▸ 젖당이 억제자에 결합 → 억제자가 오퍼레이터에서 이탈 → 전사 시작
오퍼레이터는 스위치, 억제자는 그 위에 앉은 자물쇠다. 젖당이 자물쇠를 열어 준다.
수능 유형
원핵생물의 lac 오페론에 대한 설명으로 옳은 것은?
①포도당이 풍부하면 젖당 분해 효소가 많이 만들어진다
②오퍼레이터는 RNA 중합효소가 결합하는 부위다
③억제 단백질은 조절유전자에서 만들어진다
④젖당이 없을 때 구조유전자의 전사가 활발하다
⑤진핵생물도 lac 오페론으로 유전자를 조절한다
▸ ③ 억제 단백질은 조절유전자에서 만들어진다
1
조절유전자는 항상 발현되어 억제 단백질을 만들고, 이 단백질이 오퍼레이터를 막는다.
2
포도당이 많으면 효소 생산이 억제되고(①), RNA 중합효소가 붙는 곳은 프로모터이며(②), 젖당이 없으면 전사가 억제되고(④), 오페론 조절은 원핵생물의 방식이다(⑤).