lac operon에 대해 설명해주세요.
lac operon이 무엇인지 작동 원리는 어떻게 되는지 자세하게 설명부탁드리며, 유전자 발현에 어떻게 이용되는지 연관지어 설명 부탁드립니다.
lac operon은 대장균에서 락토오스 대사와 관련된 유전자들을 조절하는 복합체입니다. 세포 내에 락토오스가 존재하면 락토오스는 repressor 단백질에 결합하여 그 형태를 변화시킵니다. 이는 락토오스를 분해하기 위해 필요한 효소들의 합성을 촉진합니다.
오페론이란 프로모터와 작동 유전자 및 구조 유전자들이 모여 있는 유전자 집단을 의미하는데요, 대장균은 원래 포도당을 양분으로 이용하지만 포도당이 고갈된 상황에서는 젖당(lactose)를 사용할 수 있는데 이때 사용되는 오페론이 lac operon입니다. Lac operon에는 젖당 대사에 관여하는 3개의 효소 Lac Z, Lac Y, Lac A 를 암호화하고 있는 유전자군이 존재하는데요, Lac Z는 세포가 lactose를 glucose와 galactose로 분해하는 효소인 beta-galactosidase coding하는 유전자, Lac Y는 lactose가 세포 내로 유입될 수 있도록 하는 lactose permease, Lac A는 transacetylase이며 아세틸기를 전이해주는 역할을 합니다. 이 세개의 유전자군이 단백질로 발현되어 기능을 수행하고 대장균이 젖당을 에너지원으로 이용할 수 있다고 생각하시면 됩니다.
Lac 오페론은 대장균에서 유전자 발현을 조절하는 대표적인 시스템입니다. 이 오페론은 lac 유전자들의 발현을 조절하여 유당(lactose) 대사에 관여합니다. Lac 오페론은 구조 유전자(lacZ, lacY, lacA), 프로모터, 조절 유전자(lacI, lacO) 등으로 구성되어 있습니다. 유당이 없으면 라크토오스 억제 단백질이 오페론의 작동을 억제하지만, 유당이 있으면 이 억제가 해제되어 구조 유전자들의 전사가 활성화됩니다. 이를 통해 유당 분해 효소가 생성되어 유당 대사가 가능해집니다. Lac 오페론은 유전자 발현의 간단한 On/Off 스위치 역할을 하며, 환경 신호에 따라 적절히 대사 경로를 조절하는 중요한 메커니즘입니다. 이러한 전사 조절 시스템 연구는 유전자 발현 조절 원리 이해와 유전자 치료, 단백질 생산 등에 활용되고 있습니다.