미생물의 유전 1 MICROBIAL GENETICS 1 Department of Bio-Environmental Science Sunchon National University

유전 : 생명의 중심 현상  유전 (heredity)

Mendel 의 유전법칙  Gregor Johann Mendel (1822 ~ 1884)  the founder of the modern science of genetics  the laws of Mendelian inheritance 분리의 법칙 (law of segregation of genes) 독립의 법칙 (law of independent assortment) 우열의 법칙 (law of dominance)  Rediscovery of the laws (20C) Erich von Tschermak, Hugo de Vries, Carl Correns, William Jasper Spillman  유전인자 ?

유전의 염색체설  Thomas Hunt Morgan (1866 ~ 1945)  초파리 (fruit fly, Drosophila melanogaster)  Chromosomal theory of heredity 유전 현상 : 유전자 (gene) Genes are the mechanical basis of heredity 유전자는 염색체 상에 있음 Genes reside on specific chromosomes Genes occupy specific locations on the chromosome

유전물질 ?  유전물질 (Genetic material)  혈액 ?  단백질 ?  DNA ?  DNA Gene ( 유전자 ) Chromosome ( 염색체 ) Genome ( 유전체 ) Metagenome ( 환경총유전체 )

DNA (deoxyribonucleic acid)  Johannes Friedrich Miescher (1844 ~ 1895)  1869 nuclein (nucleic acid) 백혈구 세포의 핵에서 발견 (nucleus of white blood cell) phosphate-rich

Griffith 의 형질전환 실험  Frederick Griffith (1879–1941)  1928  Streptococcus pneumoniae R (rough) strains – no capsule – 비병원성 S (smooth) strains – capsule – 병원성  형질전환 (transformation) R ( 비병원성 ) → S ( 병원성 )  transforming priniciple ?

Griffith’s transformation experiment

Avery’s Experiment  Oswald Theodore Avery Jr. (1877 ~ 1955)  1944 (Colin MacLeod, Maclyn McCarty)  Griffth 의 실험에서 형질전환을 일으킨 것은 무엇 ? 가열처리된 병원성 폐렴균의 무엇이 비병원성 폐렴균을 병원성 폐렴균으로

Avery’s Experiment  S cell extract + protease + R cells ⇒ S colonies S cell extract + RNase + R cells ⇒ S colonies S cell extract + DNase + R cells ⇒ R colonies  R cells + purified S cell polysaccharide ⇒ R colonies R cells + purified S cell protein ⇒ R colonies R cells + purified S cell RNA ⇒ R colonies R cells + purified S cell DNA ⇒ S colonies ☞ DNA is the transforming principle! transforming principle = hereditary material

Hershey–Chase : Blender experiment  Alfred Day Hershey (1908 ~ 1997) Martha Cowles Chase (1927 ~ 2003)  1952, Bacteriophage T2 DNA : 32 P (no S) Protein : 35 S (no P) When bacteriophages, which are composed of DNA and protein, infect bacteria, their DNA enters the host bacterial cell, but most of their protein does not.  Helped to confirm that DNA is the genetic material

Hershey–Chase : Blender experiments, 1952

DNA 의 구성성분  뉴클레오티드 (Nucleotide)  핵산 (DNA, RNA) 를 구성하는 기본 단위 nucleic acid = polynucleotide  Nucleoside : Pentose + Base Nucleotide : Pentose + Base + Phosphate  오탄당 (Pentose) Ribose (RNA) Deoxyribose (DNA)

 염기 (Base) Pyrimidine : Thymine(T), Cytosine(C), Uracil(U) Purine : Adenine(A), Guanine(G)  인산 (Phosphate, H 3 PO 4 )

DNA 의 구조 

Chargaff’s Rule  1950s, Erwin Chargaff (1905 ~ 2002)

 1 st rule : Base Pair Rule DNA from any cell of all organisms should have a 1:1 ratio of pyrimidine and purine bases. More specifically, the number of guanine units equals the number of cytosine units, and the number of adenine units equals the number of thymine units. This hinted at the base pair makeup of DNA.  2 nd rule The relative amounts of G, C, A, and T bases varies from one species to another. This hinted that DNA rather than protein could be the genetic material.

X-ray Diffraction Analysis : photo 51  1952 Rosalind Franklin (1920 ~ 1958) Maurice Wilkins (1916 ~ 2004) Raymond Gosling (1926 ~ 2015)

DNA Double Helix  1953 James Wastson (1928 ~ ) Francis Crick (1916 ~ 2004)

DNA : Polynucleotide  당 - 인산 골격 (sugar-phosphate backbone) 인산다이에스터 결합 Nucleotide 와 nucleotide 가 phosphodiester bond 방향성 : 5’ → 3’ 5’ end : phosphate group 3’ end : hydroxyl group

DNA : double stranded

DNA : Double helix

DNA 이중나선 구조  Nucleotide 와 nucleotide 가 phosphodiester bond 당 - 인산 골격 (sugar-phosphate backbone)  Double-stranded helix 나선 바깥쪽 : Sugar-Phosphate Backbone ( 당 - 인산 골격 ) 나선 내부 : 염기  Complementary base pairing ( 상보적인 염기 쌍 형성 ) A-T : 2 hydrogen bonds G-C : 3 hydrogen bonds  Antiparallel ( 역평행 ) 5’ >3’ 3’< ’

DNA 복제  DNA Replication DNA 복제 과정의 기본적인 특징과 DNA 복제에 관여하는 효소들의 기능은 모든 생물체에서 동일하다  DNA 복제의 기본 법칙  복제개시점 ( 복제원점, origin of replication, ori )  반보존적 복제 (semiconservative replication)  DNA 중합효소 (DNA polymerase)  High fidelity : 교정 기능 (proofreading)

Meselson-Stahl Experiment

반보존적 복제 (Semiconservative Replication)  1958, Matthew Meselson (1930 ~ ) Franklin Stahl (1929 ~ )

생명의 중심 도그마  Central Dogma of Life (Molecular Biology) 생물체의 유전정보의 흐름 DNA makes RNA and RNA makes protein. 복제 (Replication) 전사 (Transcription) 번역 (Translation)

 복제 (replication) DNA 를 주형으로 하여 DNA 를 복제 DNA 중합효소 (DNA polymerase)  전사 (transcription) DNA 의 한 사슬을 주형으로 하여 RNA 를 전사함 RNA 중합효소 (RNA polymerase) RNA : 전령 RNA (mRNA, messenger RNA) 전이 RNA ( 운반 RNA, tRNA, transfer RNA) 리보솜 RNA (rRNA, ribosomal RNA)  역전사 (reverse transcription) RNA virus RNA → DNA ( 역전사효소, reverse transcriptase

 번역 ( 해독, translation) mRNA 를 주형으로 하여 ribosome 에서 단백질 합성 tRNA 가 필요한 아미노산을 전달함 단백질의 아미노산 서열은 DNA 의 염기서열에 의해 결정됨 단백질 : 세포의 구성물질 또는 효소로 작용

유전암호 (Genetic Code)  유전물질 : protein or DNA?  protein : 20 amino acids  DNA : 4 bases  어떻게 DNA 의 염기서열이 단백질의 아미노산 서열로 바뀌나 ?  유전암호 (genetic code)  triplet codon 3 개의 염기로 구성된 하나의 codon 이 하나의 아미노산 지정  Codon (mRNA), Anticodon (tRNA) mRNA 의 codon 과 tRNA 의 anticodon 은 상보적으로 결합  Start codon : AUG (methionine) Stop codon : UAA, UAG, UGA ( 해당 anticodon 없음 )

유전암호 (Genetic Code)  Codon degeneracy ( 중복성, 퇴행성 ) triplet codon, 4 bases (A, T(U), G, C) 64 codons (4 x 4 x 4) 20 amino acids → 특정 아미노산을 지칭하는 코돈이 하나 이상 존재  해독틀 ( 번역틀, reading frame) 단백질 합성 (translation) : start codon 에서 시작 (AUG) 3 염기씩 읽어 감 (triplet codon) stop codon 에서 끝 (UAA, UAG, UGA)  Universality ( 보편성 ) Preference

아미노산 표기법 AlanineAlaAMethionineMetM CysteineCysCAsparagineAsnN Aspartic acidAspDProlineProP Glutamic acidGluEGlutamineGlnQ PhenylalaninePheFArginineArgR GlycineGlyGSerineSerS HistidineHisHThreonineThrT IsoleucineIleIValineValV LysineLysKTryptophanTrpW LeucineLeuLTyrosineTyrY

