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분자생물학

Imagine that we are now doing an experiment to study the transcriptional regulation of Lac operon in E. coli. The following graph shows a growth curve of a wild type E. coli strain, measured on a growth medium containing only glucose and lactose as energy sources.Provide a brief background on the discovery of Lac operon, its regulation, and why E. coli needs Lac operon.Discovering the lac operon, François Jacob. François Jacob talks about bacterial mutants that could not metabolize lactose. Using these mutants, Jacob and Monod figured out how protein production is controlled.Draw diagrams that describe the status of Lac operon at the three points (see the graph on the left).글루코스와 락토스 둘 다 존재할 때에는 (이용가능 할 때에는), E. coli의 lac operon은 낮은 수준으로 작동되어, 글루코스를 주로 물질대사 source로 이용한다.1번 지점: 1번 지점에서 E. coli는 생장하는 상태를 보인다. 이 때 E. coli의 culture환경에는 glucose와 lactose 모두가 풍부한 상태인데, e. coli의 에너지원 사용 기제는 glucose를 먼저 우선시로 선호한다. 그러므로, 이 때 E. coli는 Glucose를 이용하여 생장하는 모습을 보이는 상태이다. 더 자세한 기제는 다음과 같다.Glucose가 증가함 site에 붙어, Lac operon의 promotor에 RNA polymerase가 붙도록 촉진시킨다.1번 지점의 경우에는, Glucose는 풍부하고, cAMP가 부족한 상태이므로 Lac operon의 활성정도가 줄게 된다.동시에, Lactose는 세포 내에서 Allolactose로 변환되고, 이것은 repressor protein에 결합하여 repressor을 비활성화 시키는 역할을 한다. 1번 지점의 경우, Lactose가 풍부하므로 repressor가 억제되고 그에 따라 Lac operon은 비활성 상태에서 풀리게 된다. 그러나 Glucose가 풍부하여 Lac operon 활성 수준이 높지 않기 때문에, Lac operon gene의 expression 정도가 낮고, 이 때문에 Lactose를 대사 산물로 이용하기에는 한계가 있다. 그렇기에 E. coli는 Glucose를 주 산물로 사용하여 생장하고 있다.2번 지점: 2번 지점에서는 한번의 정체기를 지난 후 E. coli가 다시 생장하는 상태를 보인다. 정체기가 온 것은 1번 지점에서 사용하던 Glucose를 모두 소모하였기 때문에 대사 산물로 이용할 에너지를 Lactose로 바꾸는 과정에서 발생한 것으로 보인다.2번 지점에서의 작용기제는 다음과 같다. Glucose는 부족하고, Lactose는 풍부한 상태이다. Glucose가 감소함에 따라 증가하는 cAMP는 이러한 상태에서는 증가하게 된다. 증가한 cAMP는 CAP와 complex를 이뤄 CAP site에 붙어서 RNA polymerase가 promotor에 binding 하도록 촉진한다. (Lac operon gene 활성 정도 증가)동시에 풍부한 Lactose는 Allolactose 상태로서 Repressor protein에 붙어 repressor를 비활성화 시킨다. Repressor protein이 operator에 붙어 있지 않으므로, Lac operon gene은 활성화된다. Glucose(-)와 Lactose(+)가 이와 같이 작용하여tose 모두가 소모되어, 점차 E. coli의 생장 수준이 정체되어 가는 것으로 보인다. 여기서의 작용 기제는 다음과 같다.Glucose가 부족하므로 cAMP는 증가하여 CAP이 CAP site에 binding 하도록 돕고, 이로 인해 RNA polymerase가 promotor에 binding 하도록 촉진되게 된다.그러나 Lactose 또한 부족한 상태로, repressor을 비활성화 시키지 못하고, 이로 인해 repressor은 Operon gene에서 Operator에 binding 하여 Lactose 대사 효소들을 expression하지 못하도록 막는다. 이로 인해 Lac operon은 off 상태에 가까워지고, E. coli는 lactose를 대사산물로 이용할 수 없는 상태로 나아간다.Each diagram must contain 1) available energy source(s), 2) Lac operon DNA (with the promoter and the binding sites of regulators), 3) regulatory proteins if any, 4) ligands if any, 5) transcription machinery (with a sigma factor), 6) their molecular interactions for activation or repression and 7) its results (TXN is weakly or strongly ON or OFF).1번 지점Available energy source(s)Lac operon DNA (with the promotor and the binding sites of regulators)Regulatory proteinsLigandsTranscription machinery (with a sigma factor)Their molecular interactions for activation or repressionResults (TXN is weakly or sors)Regulatory proteinsLigandsTranscription machinery (with a sigma factor)Their molecular interactions for activation or repressionResults (TXN is weakly or strongly ON or OFF) – strongly ON3번 지점Available energy source(s)Lac operon DNA (with the promotor and the binding sites of regulators)Regulatory proteinsLigandsTranscription machinery (with a sigma factor)Their molecular interactions for activation or repressionResults – (gradually go to) OFFYou must briefly and clearly explain each diagram in English using proper molecular biology terms. The guidelines for video production will be announced separately, so please check them.기본 상식E. coli는 에너지원으로 Glucose를 Lactose보다 더 선호하는 편임Lactose가 없거나 부족한 상태일 때에는 repressor protein이 electric force에 의해 operator region(gene)에 붙어 RNA polymerase를 차단하는 기제가 발생한다.세포에 도달한 Lactose는 Allolactose로 변환되고, 이것이 allosteric하게 repressor protein에 결합하여 repressor을 비활성화 시키는 것이다.Basal level (glu+ lac+)이 상태에서는 Glucose와 lactose 둘 다 존재하기 때문에, 여러가지 활동이 발생한다.우선, Lactose는 Operoeron의 활성화 정도 또한 떨어지게 된다.(Lac operon의 activation을 위해서는 CAP site에 CAP이 binding해야 한다. 그리고 CAP이 CAP site에 결합하기 위해서는 모양이 그에 맞게 변형되어야 하는데, CAP이 올바른 모양을 갖도록 하는 물질이 바로 cAMP임참고: CAP는 cAMP receptor protein이다, 즉 CRP이기도 함. 이러한 CRP(CAP)-cAMP complex가 operon에 붙어 promotor에 RNA pol이 결합하도록 촉진하는 역할을 한다.)그러므로Glu – Lac + 상태Glucose가 부족하고 Lactose가 풍부한 상태가 오게 되면, E. coli는 Lactose를 에너지원으로 사용하게 된다. 그러기 위해서는 Lactose를 알맞게 분해하는 과정이 필요한데, 이 때 과정은 다음과 같다.먼저 Glucose가 부족하기 때문에, cAMP는 증가하게 된다. 증가된 cAMP로 인해서, Lac operon의 expression 정도는 증가하게 되고, 이로 인해 Lactose 대사와 관련된 효소 유전자들의 발현이 증가한다.동시에 Lactose는 operon repressor에 결합하여 repressor들이 lac operon을 억제하지 못하도록 막는다.총체적으로는, Lactose는 repressor을 방해하고, Glucose가 부족할 때 증가하는 cAMP는 cAMP-CRP(CAP) complex를 형성하여, CAP site에 binding하고, 이는 해당 유전자의 promotor에 RNA polymerase가 binding하는 것을 촉진한다.그 결과, Lac operon gene 내의 Lactose 대사 효소들을 암호화하고 있는 sequence가 expression 되면서, E. coli가 Lactose를 대사산물로써 이용할 수 있게 된다.(Lac operon expression에 대한 추가 설명:repressor에 유발물질(inducer)인 allolactose가 결합하면 repressor가 불활성된다.)

자연과학| 2022.03.07| 5페이지| 1,000원| 조회(284)

생물학, 분자생물학, 분자

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