1

14.6 The trp operon Figure 14.35

대부분의 transcriptional regulation은 initiation 시기에 조절이 되나 trp operon은 initiation,

elongation, termination에서 조절이 된다. 그림처럼 trp operon은 promotor, operator, trpL

(leader), attenuator가 있고 5개의 구조 유전자가 존재한다. Biosynthetic 과정이라 cAMP•

CRP activation site는 존재하지 않는다. operator는 coarse on-off control을 하고 leader와

attenuator가 fine control을 한다. leader는 전사되는 가장 앞 부위임

2

Figure 14.36

tryptophan을 배지에 가하면 trp system이 trun off되어 inducible이 아니라 repressible한

기작이다. repression 처럼 induction도 regulatory protein에 의하여 전사의 개시에 대하여

negative하게 작용한다.trp regulatory protein (trp R) 유전자는 operon에서 멀리 떨어져

있으나 aporepressor를 만든다. 그림처럼 tryptophan이 없으면 operator에 결합하지 못해

전사가 turn on 되나 tryptophan이 존재하면 같이 결합하여 operator에 결합하여 전사를

막는다. 이는 coarse regulation이고 다른 기작에 의하여 tryptophan의 농도에 따라서

미세하게 전사가 조절된다.

3 Figure 14.38 Figure 14.37

앞 부위에 trp L (leader) sequence가 있어 조절에 매우 중요한 작용을 하고 있다. leader

sequence의 123-150 base에는 attenuator라는 부위가 존재하며 (그림 14.37) stem and

loop 구조를 이루어 전사의 종결에 중요한 역할을 한다.

trp leader는 4개의 complementary segment를 갖고 있어 두 가지의 hairpin구조를 갖게

된다 (그림 14.38). tryptophan의 농도가 많을 경우 좌측 그림처럼 1•2 구조를 이루면 3•4

구조가 되어 안정되며 3•4는 attenuator 서열을 갖고 있고 transcription terminator로 작용

한다. 그러나 우측 그림처럼 2•3 hairpin을 만든다면 full-length trp mRNA를 만든다

(tryptophan의 농도가 적을 경우).

이러한 현상이 일어나는 이유는 다음 페이지에서 설명

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leader sequence는 14개의 아미노산을 만들며 10, 11위치에 tryptophan codon이 존재함

tryptophan 농도가 충분하면 ribosome

은 tryptophan codon을 빠르게 지나

2•3 formation이 일어 나지 않고 대신

3•4 hairpin이 형성된다. 그 결과

RNA polymerase의 전사 종결이 발생

한다

tryptophan 농도가 적으면 ribosome

은 tryptophan codon을 빠르게 지나지

못하며 멈추게 된다. 이때 2•3 hairpin이

생긴다. RNA polymerase가 전사를

계속하게 된다.

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14.7 Bacteriophage lambda; A transcription

regulatory network

bacteriophage λ는 박테리아에 감염 후 lysogenic pathway나 lytic pathway를 이용하여

살아가는데 이는 매우 복잡한 genetic network를 이용하여 조절을 하게 된다.

주위의 환경에 의하여 어느 pathway를 이용 할 것인가가 결정된다.

그림 14.41은 regulatory region의 유전자들을 나타낸 그림임. cI, cII등은 돌연변이가

생기면 clear plaque이 생기며 cro는 control of repressor and other things를 의미함.

Early transcript는 붉은 색으로 표시하고 delayed early transcripts와 late transcript는

검은 화살표로 표시. PI, PRE, PaQ는 lysogeny에 필요함. 자세한 것은 뒤에 설명.

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(1)Infection되면 PL과 PR이 작동하여 전사가되며 cro와 N이합성, (2) N 단백질은 전사종결방해단백질로 tL, tR1, tR2에 결합하여 전사를 계속하게함 (PR로부터 CII, O,P,Q전사, PL로부터는 int, xis, CIII가 전사됨)

(a) lysogenic cycle; CII-CIII complex가 모이면 시작. (3a) 1 단계로 PRE에작용하여 CI유전자가 전사되어 repressor를 만듬. 또한 PI에 결합하여 int gene를 활성화 시킴.

(4a) 2단계로 λ repressor는 OR과 OL에 결합하여 PR과PL이 작동 못하여 lytic infection에 필요한 것을 발현 못하게한다.

(5a)그러나 repressor는 OR의 결합으로 인하여 PRM으로부터 CI가 계속 전사되게한다.

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(b) lytic cycle; PR로부터 cro protein이 만들어지고 cro가 CII보다 많은경우 OR과 OL에 결합함

(3b)OL에 결합한 경우; PL로 부터 전사를 막음

OR에 결합한경우; PRM으로 부터 왼쪽방향으로 전사를 못하여 CI가 발현못함

(4b) PR로 부터 오른쪽 방향으로 low level transcription이 일어나 O,P,Q 유전자 가 발현됨 (O, P는 DNA 복제에 필요함)

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그림설명 (왼쪽)

repressor가 OR에 결합하였을때; PR이 작동못하여 lytic infection에 관한것은 발현을 못하나 PRM은 작용을하여 CI가 계속전사되는 이유

(오른쪽) cro protein이 OR에 결합하였을때; PRM으로 부터 왼쪽 방향은 전사를 못하여 CI가 발현되지 않으나 PR로부터 오른쪽 방향은 low level transcription 이 일어나 O, P, Q 유전자가 발현되는 이유

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Figure 14.43: Operon region that regulated Cl and Cro transcription

Figure 14.46: The phage lambda switch.

OR 지역의 세부구조와 PRM과

PR과의 관계

λ repressor의 결합으로 lytic cycle에 필요한

PR의 전사는 막히고 lysogenic cycle에 필요한

PRM은 전사가 계속됨

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14.8 Messenger RNA degradation E. coli의 mRNA는 대부분 2-3분의 half life를 갖으나 어떤 것은 30분까지 되는 것도 있고

어떤 것은 수 초 만에 파괴 되는 것도 있다.

박테리아는 mRNA를 파괴하기 위하여 몇 가지 효소를 작용하나 이들은 두 가지로 나뉜다.

polynucleotide phosphorylase(PNPase)와 ribonuclease (RNases)로 나뉜다.

polynucleotide phosphorylase는 phosphodiester bond에 phosphate를 가함으로

nucleoside diphosphates를 만들고 3’ 말단에서 시작하여 3’ -5’ 방향으로 RNA를 파괴한다.

ribonuclease (RNases)는 물을 가하여 phosphodiester bond를 hydrolyze한다 .

endoribonuclease는 internal phosphodiester bond를 자르고 exoribonuclease는

phosphodiester bond를 3' 말단부터 순차적으로자른다

이들 중 몇가지를 살펴보면

1) RNase E; mRNA degradation의 핵심이 되는 효소. 돌연변이가 일어난 온도 민감성

돌연변이는 제한 온도에서 살아남지를 못한다. RNase E는 internal cleavage 인식하고

5’-terminal unpaired nucleoside monophosphate를 자른다.

2) Phosphorylase and RNase II; mRNA의 3’-end를 공격하여 파괴 시킨다.

3) Degradosome; RNase E 와 polynucleotide phosphorylase는 ATP dependent RNA

helicase와 다른 효소들과 합하여 degradosome을 이루어 작용을 한다.

이때 RNase E는 mRNA의 5’으로 부터 oligonucleotide를 방출하고 다음으로

polynucleotide phosphorylase가 fragment를 3’-5’ 방향으로 자른다.

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박테리아 mRNA의5’ to 3’ degradation

(a) 5’-hairpin, 5’-triphosphate, ribosome이 riboneclease

로부터 RNA를 보호한다. 초록별은 RNase E의 공격부위

이나 ribosome에 의해 cover되고 있다. RNase E의

기질이 되기 위하여 5’ triphosphate를 monophosphate로

전환한다.

(b) degradosome는 endonuclease (orange)와 exonu

clease (pink)를 갖고 있다. RNase E는 endonuclease로

작용하며 5’ 말단에 결합을 하고 별 부위를 공격한다.

(c) polynucleotide phosphorylase (PNPase)는 새로 형성

된 5’ fragment를 3’ 부터 5’으로 자른다. helicase나

RNase II도 도움을 준다.

(a)

(b)

(c)

RNA의 3’ 말단에서 시작된 degradation pathway

blue panel; poly A polymerase (PAP1)은

말단에 poly A를 가하고 PNPase는 자른다.

yellow panel; exonuclease에 의하여 절단.

pink panel; PNPase, RNase II, PAPI의

모든 작용이 함께 작용함.

gray panel; poly A tail이 RNase를 불러

드림

12 Figure 14.50

The bacterial ribosome has 50S and 30S subunits

14.9 Ribosomal RNA and Transfer RNA

Synthesis ribosome은 단백질 합성의 공장. 직경이 25nm,

분자량 2.5 X 106Da. 필요한 단백질을 만들기 위해서는

세포당 70,000개의 ribosome이 필요

large unit과 small unit으로 됨.

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The rrn operons contain both rRNA and tRNA genes

E. coli has seven operons, each coding for a 16S, 23S and 5S RNA.

E. coli는 거의 유사한 7개의 rRNA operon이 있으며 rrnA, rrnB, rrnC, rrnD, rrnE, rrnG,

rrnH 염색체 전체에 흩어져 있다. 각각의 오페론은 약 120bp 떨어진 두개의 promotor (P1,

P2)를 갖고 있고 transfer RNA 유전자가 16S와 23S rRNA 사이에 존재한다. 어떤 것은

5S gene 뒤에 tRNA 유전자가 존재하기도 한다. 많은 tRNA 유전자가 rRNA operon의 일부

이나 대부분은 아니다.

promoter는 매우 강력한 promoter이며 -10과 -35 서열은 consensus sequence에 아주 유사.

그림의 promoter 지역은 FIS binding site I, II, III이 존재함. UP (promoter upstream)

element 는 PI이 아주 강한 promoter가 되도록 도와줌.

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Figure 14.53

UP element는 proximal subsite와 distal subsite로 되어 promoter가 강하게 작용하게끔

도와준다. RNA polymerase holoenzyme의 α subunit가 UP element에 결합을 한다.

세개의 Fis (factor for inversion stimulation) protein binding site도 rRNA의 전사를 5-10

배 정도 증가 시킨다. Fis protein은 -71, -102, -143에 위치한 Site 1, II, III에 결합하여

RNA polymerase와 작용을 하여 전사를 증가 시킨다.

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14.10 Regulation of ribosome synthesis

rRNA and tRNA are more abundant in faster growing E. coli cells

E. coli를 키우면서 아미노산이 부족하게 되면 rRNA, tRNA의 합성이

멈추고 단백질 합성이 멈추게 된다. 이때 guanosine-5’-diphosphate-3’

diphosphate (ppGpp)와 guanosine-5’-triiphosphate-3’ diphosphate

(pppGpp)가 만들어져서 rRNA와 tRNA의 합성을 막는다.

예) relA 유전자; stringent factor라는 효소를 만들며 이는 GTP로 부터

pppGpp를 만든다. 아마노산이 부족하면 만들어지지만 아직 (p)ppGpp

가 어떻게 rRNA와 tRNA의 합성을 막는지는 밝혀지지 않았다.

E. coli의 rRNA와 tRNA의 합성은 성장 속도와 함께증가한다.

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rRNA의 합성은 조절된다.

rRNA operons are subject to feedback regulation

strain 1; 정상 operon 수를 갖음. strain 2; 정상 operon 이외에 하나의 rRNA operon을 갖는

plamid를 7 copy를 갖음. strain 3; strain 2와 동일하나 plasmid에 있는 operon이 문제가

있어 ribosome으로 합성이 안된다.

표에서 처럼 strain 1, strain 2는 operon 수의 차이에도 불구하고 동일한 total rRNA를 만듬

strain 3는 total 14개가 만들어지지만 사용 가능한 rRNA 수는 동일하게 7개이다.

이로써 rRNA의 합성이 조절된다는 것을 알 수가 있다.

ribosomal protein의 합성도 조절된다

52개의 r-protein은 20개의 operon에 존재한다. 특정 operon을 plasmid를 이용하여 증가

시킨 경우에 해당하는 operon의 mRNA는 증가하나 그곳에서 만들어지는 단백질의

양은 다른 하나의 copy에서 만들어지는 단백질과 동일하다. 이는 ribosomal protein의

합성이 조절된다는 증거임.

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• mature rRNA and tRNA are terminated by a 5' monophosphate

(primary transcript의 끝은 triphosphate임)

• mature rRNAs and tRNAs are smaller than the primary transcripts

• all tRNA molecules contain bases other than A, C, G, and U that are not present in the primary transcript

14.11 Processing rRNA and tRNA 몇 가지 점에서 실제 사용되는 rRNA와 tRNA는 그들의 primary transcript와 다르다.

전사 후에 일어나는 변화를 posttranscriptional modification 혹은 일반적으로 processing

이라고 한다.

rRNA processing

일반적으로 16S-spacer-

23S-5S-spacer의 순이며

RNase III가 RNA 이중

가닥을 자른다. 두 개의

single strand break을

만드나 서로 정확히

반대 방향은 아니다.

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The E. coli tRNATyr1 gene has two identical tRNA segments

tRNATyr1 gene은 그림처럼

각 unit가 41+85+224로

전체 350bp (실제로 tRNA

는 85bp)임. 동일한 unit가

200bp간격으로 두 개가

존재한다. 하나의 single

RNA로 전사되고 전사 후에

잘려진다.

tRNATyr1 gene transcript의 processing

그림처럼 1-4는 해당 효소에 의하여 절단이

되고 stage 5에서 염기가 modified 된다.

마지막 남는 부분은 검은색

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Formation of the 3’-OH terminus

hairpin loop를 인식하여 endonuclease가 자르고 RNase D라고 하는 exonuclease가

7 base를 자른다.CCA terminal에서 2 base가 남았으나 이는 5’ 말단이 process 된 후에

RNase D에 의하여 제거 된다.

Formation of the 5’-p terminus

RNase P에 의하여 형성된다.

RNase P는 86%의 RNA와 14%의 단백질로

구성된 특이한 효소로 이러한 것들을

ribozyme이라고 한다.

Production of the modified bases

마지막으로 염기가 변화된다.