오페론(Operon)은 조절유전자(regulatory gene), 작동유전자(operator), 프로모터(promoter), 구조유전자(structural gene)들을 포함하여 효소 합성에 관여하는 일련의 DNA로 구성된 유전자 발현의 단위이다. 이는 주로 세균(원핵생물)의 유전체에서 발견되며, 기능적으로 연관된 여러 유전자들을 하나의 전사단위로 묶어 통일적으로 조절하는 메커니즘이다.
역사
오페론이라는 용어는 1960년 프랑스 과학아카데미에서 처음 제안되었다. 1961년 프랑스의 분자생물학자 프랑수아 자콥(F. Jacob)과 자크 모노(J. Monod)가 대장균(E. coli)으로부터 락토스 오페론(lac operon)을 최초로 발견하였다. 이들은 오페론 모델을 제창하여 유전자 발현 조절의 기본 원리를 밝혀낸 공로로, 1965년 A. M. 르보프(A. M. Lwoff)와 함께 노벨 생리학·의학상을 수상하였다.
구성 요소
- 조절유전자(regulatory gene): 독자적인 프로모터를 가지고 있으며, 억제자(repressor) 단백질을 암호화한다. 항상 발현된다.
- 프로모터(promoter): RNA 중합효소가 인식하여 결합하는 DNA 서열이다.
- 작동유전자(operator): 프로모터 내부 또는 프로모터와 구조유전자 사이에 위치하며, 억제자가 결합하는 부위이다. RNA 중합효소의 유전자 접근을 조절한다.
- 구조유전자(structural gene): 효소 등 특정 단백질의 유전정보를 암호화하는 유전자이다. 오페론은 하나 이상의 구조유전자로 구성된다.
조절 원리
일반적으로 조절유전자에서 발현된 억제자가 작동유전자에 결합하면 RNA 중합효소가 프로모터를 인식하는 것이 방해되어 전사(transcription)가 억제된다. 억제자의 작용 방식은 오페론의 종류에 따라 다르며, 유도 가능 오페론(inducible operon)과 억제 가능 오페론(repressible operon)으로 구분된다.
대표적 예시
- 락토스 오페론(lac operon): 대장균에서 젖당(락토스) 대사에 관여하는 효소들을 암호화한다. 유도자(inducer)인 알로락토오스가 억제자에 결합하면 억제가 해제되어 전사가 개시되는 유도형 오페론이다.
- 트립토판 오페론(trp operon): 대장균에서 트립토판 합성 효소들을 암호화한다. 트립토판이 충분할 때 보조억제자(corepressor)로 작용하여 전사를 억제하는 억제형 오페론이다. 또한 전사약화(attenuation) 기작을 통해 더욱 정밀한 조절이 이루어진다.
의의
오페론 모델은 생명체의 유전자 발현 조절에 대한 최초의 분자적 설명을 제공하였으며, 이후 진핵생물의 유전자 조절 연구에도 중요한 이론적 토대가 되었다. 오페론은 세균과 고균(archaea)의 전형적인 유전자 조직 방식이지만, 일부 진핵생물(예: 예쁜꼬마선충)에서도 유사한 구조가 발견된다.
