금속항상성을 활용한 방선균의 대사생리 조절

서울대학교 노정혜 교수

Choi SH, Lee KL, Shin JH, Cho YB, Cha SS, Roe JH. (2017) “Zinc-dependent regulation of zinc import and export genes by Zur.” Nat Commun.  8:15812. doi: 10.1038/ncomms15812.

1. 연구배경

전이 금속들은 세포의 핵심 구성요소이지만, 많아지면 독성을 나타낸다. 세균은 세포내에서 이러한 금속원소들의 양을 일정수준에서 유지하는 항상성이 매우 중요하다. 금속의 종류에 따라 특정한 전사조절인자를 이용해서 항상성을 유지하고 있는데, 항생제를 생산하는 방선균에서 금속항상성 조절에 대한 연구는 미진하였다. 특히 전이 금속 중 하나인 아연(zinc)은 세포 분화와  항생제 생산에 중요한 역할을 담당하고 있어서 자세한 연구가 필요하였다. 아연이 부족하면 극소량에 반응하는 Zur 가 세포 내로의 획득을 유도지만, 과도한 양에 대한 배출 혹은 격리를 담당해줄 단백질과 조절자는 불확실하여 그에 대한 확인이 필요하였다.

그림 1. 방선균의 세포내 아연 농도를 조절하는 Zur조절자의 구조와 돌연변이에 따른 분화/항생제 생산의 변화. zur를 결손한 돌연변이체에서는 포자를 못만들고 항생제를 생산하지 못함 (흰색 콜로니 형질).

2. 연구내용

Zur 단백질이 결합하는 DNA site를 genome상에서 확인하였다. 아연과 철 등의 전이금속 배출 기능을 담당하는 zitB유전자의 활성을 확인하였고, 이 유전자의 전사 조절에 아연 획득 유전자의 전사 억제자인 Zur가 활성자로 작용함을 확인하였다. 높은 농도의 아연이 존재하는 상황에서 DNA 결합 부위 주변으로 결합이 증가하며 전사 활성화를 확인하였다.

그림 2. 방선균의 Zur에 의한 2 단계 전사 활성화 모식도

방선균 유전체에서 Zur 단백질이 결합하는 DNA 서열들을 분석하였으나, 결합 강도가 낮은 부분이 많이 관찰되고 비특이적 결합을 다수 포함하고 있었다. 대상을 특정하기 위한 분석을 추가적으로 수행하였다. 이 과정을 통해 새로이 관찰된 유전자 중에서 양이온 배출 기능이 있을 것으로 예측되는 유전자의 프로모터 인근 부위에 Zur가 결합하여 전사 작용을 조절하는 것을 확인하였다.

그림 3. 방선균 내의 Zur 단백질 결합 부위

양이온 배출 단백질로 예측된 ZitB 기능을 확인하고자 실험을 수행하였으나, 아연이 분화에 필수적인 원소인 까닭에 기능상실 형상은 관찰할 수 없었고, 단백질 과발현을 통해서 세포내에서 변화되는 원소들을 추적하였다. 결과적으로 아연과 철과 코발트와 니켈이라는 전이 원소들의 양이 줄어들고, 세포 내의 아연 부족 현상과 균체의 분화 저해 및 항생제 생산량 감소가 확인되었다.

그림 4. 방선균의 전이 원소 (아연, 철, 코발트, 니켈) 배출 펌프 기능과 항생제 생산 변화

아연 양의 변화에 따른 zitB 전사 활성화 정도는 이미 알려져 있던 Zur 단백질의 아연 반응성및 전사 억제 기작으로 설명할 수 없었다. 수 조분의 일 정도의 농도에 반응하는 기작은 억제 및 활성화에 동시에 작용하는 것을 확인하였고, 수 백만분의 일 정도의 농도에 반응해서 전사 활성화 기작을 새로 확인하였다. 두 번째 활성화 기작은 이미 알려진 DNA 서열이 아닌 다른 서열을 인식하는 것으로 보이며, Zur 단백질이 이분자체가 아닌 다 분자체의 형태로 새로운 서열에 결합하는 것을 통해서 전사 활성화가 이루어짐을 확인 하였다.

  그림 5. Zur 단백질의 2단계 DNA 결합을 통한 전사활성화 기작

3. 기대효과

본 연구는 방선균이 토양에서 다양한 아연 농도에 노출됨에도 하나의 조절 단백질을 이용해서 아연의 흡수, 보관 및 배출 기능을 모두 조절함을 확인하였다. 이는 기존의 금속민감성 조절자들이 좁은 범위의 금속농도에만 반응하는 양상과는 현격히 다른 조절양상이다. 이러한 금속 항상성 조절을 통해서 대사조절을 유도할 수 있으며, 항생제 생산 시기 및 생산 효율을 증대 시킬 수 있으리라 기대한다. 다른 균주에서도 유전자 발현 및 억제를 하나의 시스템을 통해서 조절할 수 있는 가능성을 제공하여 효율적인 세포 공장 제조에 기여할 수 있다.

참고문헌
1. Shin JH1, Jung HJ, An YJ, Cho YB, Cha SS, Roe JH  (2011) “Graded expression of zinc-responsive genes through two regulatory zinc-binding sites in Zur.” Proc Natl Acad Sci U S A. 108(12):5045-50. doi: 10.1073/pnas.1017744108
2. Choi SH, Lee KL, Shin JH, Cho YB, Cha SS, Roe JH. (2017) “Zinc-dependent regulation of zinc import and export genes by Zur.” Nat Commun.  8:15812. doi: 10.1038/ncomms15812.