고등학교 2~3학년 (16-18세)

유전자 발현 조절

Gene Regulation

사람의 체세포는 모두 같은 유전자를 가지고 있지만, 그중 어떤 유전자를 켜고 끄느냐에 따라 피부세포가 되기도 하고 신경세포가 되기도 해요. 대장균은 젖당 오페론(lac 오페론)으로 젖당 분해 효소의 생산을 조절하는데, 젖당이 없으면 억제 단백질이 작동 부위를 막고, 젖당이 있어도 포도당이 함께 있으면 전사가 아주 약하게만 일어나요. 진핵생물은 염색질이 풀리는 단계부터 전사, mRNA 가공, 번역, 번역 뒤 단백질 변형까지 여러 단계에서 발현을 조절해요. 그림에서 젖당과 포도당 버튼으로 네 가지 조합을 만들면, 억제 단백질과 CAP 가 붙고 떨어지는 데 따라 전사 화살표가 사라지고, 흐려지고, 진해지는 모습을 볼 수 있어요.

같은 DNA 로 다른 세포가 되는 까닭

🤔 피부세포와 신경세포는 무엇이 다른가

①사람의 체세포는 모두 수정란 하나에서 나왔으므로 단백질을 암호화하는 약 2만 개의 유전자를 똑같이 가진다

②그런데 피부세포는 케라틴을 많이 만들고, 적혈구가 될 세포는 헤모글로빈을 만든다

③차이는 가진 유전자가 아니라 세포마다 어떤 유전자를 언제, 얼마나 발현하느냐에 있다

④필요한 유전자만 골라 발현시키는 이 과정을 유전자 발현 조절이라고 한다

⑤발현하는 유전자 조합이 굳어지면서 세포가 특정한 형태와 기능을 갖게 되는 과정이 세포 분화다

원핵생물의 조절: 젖당 오페론

🧬 대장균이 젖당 분해 효소를 만드는 조건

①대장균은 포도당을 먼저 에너지원으로 쓰고, 젖당은 포도당이 떨어졌을 때 쓴다

②젖당이 없으면 조절 유전자에서 만들어진 억제 단백질이 작동 부위에 붙어, RNA 중합 효소가 구조 유전자를 전사하지 못한다

③젖당이 들어오면 젖당에서 생긴 물질(알로락토스)이 억제 단백질에 붙어 모양을 바꾸고, 억제 단백질이 작동 부위에서 떨어진다

④그래도 포도당이 함께 있으면 cAMP 농도가 낮아 CAP 가 프로모터 앞에 붙지 못하므로 전사가 아주 약하게만 일어난다

⑤젖당이 있고 포도당이 없을 때 비로소 cAMP-CAP 복합체가 RNA 중합 효소의 결합을 도와 젖당 분해 효소가 많이 만들어진다

젖당 오페론이 활발히 전사되는 조건

젖당 있음 + 포도당 없음 → 억제 단백질 이탈 + cAMP-CAP 결합 → 전사 ON

젖당은 억제를 풀고, 포도당이 없어야 CAP 가 전사를 돕는다. 두 조건이 함께 맞아야 효소가 많이 만들어진다

젖당 오페론 상태표

젖당과 포도당 조합에 따른 발현

젖당	포도당	젖당 오페론	까닭
X	X	OFF	젖당이 없어 억제 단백질이 작동 부위에 붙어 있다(CAP 는 붙어도 전사가 막힌다)
X	O	OFF	젖당이 없어 억제 단백질이 작동 부위를 막고, 포도당 때문에 CAP 도 붙지 않는다
O	O	약함	억제 단백질은 떨어졌지만 CAP 가 붙지 못해 전사가 아주 약하다
O	X	ON	억제 단백질이 떨어지고 cAMP-CAP 가 전사를 돕는다

젖당 오페론을 이루는 부분

오페론 구성

젖당 오페론과 조절 유전자의 역할

조절 유전자

오페론 바깥에 있고 늘 발현되어 억제 단백질을 계속 만든다

억제 단백질을 암호화

프로모터

RNA 중합 효소가 여기에 붙어 전사를 시작하고, 바로 앞에 CAP 가 붙는 자리가 있다

RNA 중합 효소가 붙는 자리

작동 부위(오퍼레이터)

억제 단백질이 붙어 있으면 RNA 중합 효소가 지나가지 못해 전사가 멈춘다

억제 단백질이 붙는 자리

구조 유전자 (Z, Y, A)

Z = β-갈락토시데이스(젖당 분해), Y = 퍼미에이스(젖당 흡수), A = 트랜스아세틸레이스. 셋이 mRNA 하나로 함께 전사된다

젖당을 쓰는 데 필요한 효소를 암호화

진핵생물의 조절: 여러 단계

🏗️ 원핵생물과 진핵생물의 조절 차이

①원핵생물은 관련 유전자 여러 개를 오페론 하나로 묶어 한꺼번에 켜고 끈다

②진핵생물은 유전자마다 프로모터가 따로 있고, 여러 전사 인자가 조합을 이루어 전사를 조절한다

③전사 전에는 염색질이 얼마나 풀려 있는지가, 전사 뒤에는 mRNA 를 어떻게 가공하고 얼마나 오래 남기는지가 발현량을 바꾼다

④단계마다 조절이 가능하므로 다세포 생물은 하나의 유전체로 수백 종류의 세포를 만든다

전사 수준의 조절

전사 인자가 조절 부위에 결합 → RNA 중합 효소가 프로모터에 결합 → 전사 개시

세포마다 가진 전사 인자의 조합이 달라서, 같은 유전자라도 어떤 세포에서는 켜지고 어떤 세포에서는 꺼진다

조절 단계

진핵생물 유전자 발현의 조절 단계

전사 전

염색질이 응축되면 전사 인자가 DNA 에 다가가지 못하고, 풀리면 전사가 쉬워진다

DNA 메틸화, 히스톤 변형

전사

발현량을 정하는 가장 중요한 단계로, 유전자마다 전사 인자의 조합이 다르다

전사 인자, 인핸서 같은 조절 부위

전사 후

인트론을 빼고 엑손을 다르게 이어 붙여 유전자 하나에서 여러 단백질을 만든다

mRNA 가공 (선택적 스플라이싱)

번역

mRNA 가 얼마나 오래 남는지에 따라 단백질 생산량이 달라진다

miRNA 에 의한 번역 억제와 mRNA 분해

번역 후

단백질을 활성화하거나 분해하는 시점을 조절한다

단백질 인산화, 유비퀴틴 결합

후성 유전

DNA 메틸화, 히스톤 아세틸화 → 염기 서열은 그대로, 발현만 달라짐

이런 표지는 세포가 분열한 뒤에도 딸세포로 이어지고, 환경에 따라 달라지기도 한다

예제와 기출로 점검

예제 1

대장균의 젖당 오페론에서 젖당 분해 효소가 가장 많이 만들어지는 조건을 젖당과 포도당의 유무로 답하라.

젖당이 있어야 억제 단백질이 작동 부위에서 떨어져 RNA 중합 효소가 구조 유전자로 나아갈 수 있다.

포도당이 함께 있으면 cAMP 농도가 낮아 CAP 가 프로모터 앞에 붙지 못하므로, 억제 단백질이 떨어져 있어도 전사는 아주 약하다.

▸ 젖당 있음 + 포도당 없음

젖당은 억제를 푸는 조건이고, 포도당이 없는 것은 전사를 돕는 조건이다. 그림에서 젖당 O, 포도당 X 로 맞추면 CAP 가 나타나고 전사 화살표가 가장 진해진다.

예제 2

포도당이 없는 배지에 젖당을 넣었다. 젖당 오페론에서 어떤 순서로 일이 일어나 전사가 시작되는가?

젖당을 넣기 전에는 억제 단백질이 작동 부위에 붙어 있어 RNA 중합 효소가 구조 유전자를 전사하지 못한다.

젖당이 들어오면 젖당에서 생긴 물질이 억제 단백질에 붙어 모양을 바꾸고, 억제 단백질이 작동 부위에서 떨어진다. 포도당이 없으므로 cAMP-CAP 도 붙어 RNA 중합 효소가 구조 유전자를 활발히 전사한다.

▸ 젖당 유도체가 억제 단백질에 결합 → 억제 단백질이 작동 부위에서 이탈 → cAMP-CAP 의 도움으로 전사 시작

억제 단백질은 전사가 일어날지 말지를, CAP 는 전사가 얼마나 세게 일어날지를 맡는다. 젖당 오페론이 두 가지 신호를 함께 읽는 까닭이다.

수능 유형

원핵생물의 젖당 오페론에 대한 설명으로 옳은 것은?

①포도당이 풍부하면 젖당 분해 효소가 많이 만들어진다

②작동 부위는 RNA 중합 효소가 결합하는 부위이다

③억제 단백질은 조절 유전자에서 만들어진다

④젖당이 없을 때 구조 유전자의 전사가 활발하다

⑤진핵생물도 대개 오페론 하나로 여러 유전자를 함께 조절한다

▸ ③ 억제 단백질은 조절 유전자에서 만들어진다

조절 유전자는 늘 발현되어 억제 단백질을 만들고, 이 단백질이 젖당이 없을 때 작동 부위에 붙는다.

포도당이 많으면 CAP 가 붙지 못해 효소가 거의 만들어지지 않고(①), RNA 중합 효소가 붙는 곳은 프로모터이며(②), 젖당이 없으면 전사가 억제되고(④), 진핵생물은 대개 유전자마다 프로모터가 따로 있다(⑤).

정리

유전자 발현 조절의 핵심

같은 유전체 + 세포마다 다른 발현 = 세포 분화

모든 세포가 같은 유전체를 나눠 가지면서도 서로 다른 세포가 되는 까닭이다

🎯 시험 포인트

①젖당 오페론은 프로모터, 작동 부위, 구조 유전자로 이루어지고, 조절 유전자는 오페론 바깥에 있다

②젖당이 없으면 억제 단백질이 작동 부위에 붙어 전사가 일어나지 않는다

③젖당이 들어오면 젖당에서 생긴 물질이 억제 단백질에 붙어 억제 단백질이 작동 부위에서 떨어진다

④포도당이 함께 있으면 CAP 가 붙지 못해 전사가 아주 약하고, 젖당만 있을 때 전사가 가장 활발하다

⑤진핵생물은 전사 인자의 조합으로 전사를 조절하고, 후성 유전은 염기 서열을 바꾸지 않고 발현을 바꾼다

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DNA 복제와 유전자 발현

생명공학 기술

마지막 수정 2026-10-17

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