제10장 DNA 구조와 기능 유전체는 꼬마선충과 사람에 이르기까지 지구상에 존재하는 모든 생물체가 관련되어 있음을 보여준다.

(1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 10.1 유전물질의 발견 (1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 미셰르는 1869년 세포의 핵에서 질소와 인을 포함하는 산성 물질을 발견 핵산 (nucleic acid)로 명명 그림 10.1 DNA는 고도로 응축되어 있다. 세균에서 터져 나온 DNA를 보면 세포 안에 DNA가 얼마나 잘 응축되었는지 알 수 있다.

(1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 10.1 유전물질의 발견 (1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 1928년 그리피스는 DNA가 유전물질임을 우연히 발견하였다. 폐렴균은 병원성 S형과 비병원성 R형의 두 종류가 있는데 다당류 성분의 캡슐을 가지고 있는 S형은 매끄러운 모양의 콜로니를 형성하며, 쥐에 주입하면 폐렴을 일으켜 쥐를 죽게 한다. S형의 껍질에 존재하는 다당류가 폐렴을 유발시켜 쥐를 죽게 만든다. 그림 10.2 형질전환물질을 발견한 그리피스의 실험. 폐렴균의 S형은 다당류인 캡슐의 독성 때문에 쥐에 폐렴을 일으켜 죽게 한다. S형의 돌연변이체인 R형은 캡슐이 없어 독성이 없다. 죽은 S형과 살아있는 R형을 섞어 세균에 접종하면 쥐는 폐렴으로 죽는다. 죽은 쥐에서는 살아있는 S형이 발견된다. 따라서 S형에 있는 어떤 물질이 R형을 S형으로 형질전환시킨다.

(1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 10.1 유전물질의 발견 (1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 1944년 에이버리, 멕레오드, 맥카티는 그리피스의 실험을 반복하여 형질전환물질이 DNA 임을 밝혔다. 죽은 S형의 세포내용물을 DNA 분해효소로 처리할 경우 R형을 S형으로 형질전환되지 않았다. 그들은 죽은 S형에서 DNA를 추출하여 살아있는 R형과 함께 쥐에 주입하는 실험을 하여 DNA가 박테리아를 형질전환시킴으로 확인하였다. 그림 10.3 S형의 ‘형질전환물질’은 DNA이다. 형질전환물질을 단백질 분해효소로 처리한 후 살아있는 R형과 함께 쥐에 주입하면 쥐는 폐렴으로 죽었고, 죽은 쥐에서 살아있는 S형이 검출되었다. 그러나 DNA 분해효소로 처리한 경우 형질전환은 일어나지 않았다. 따라서 단백질이 아니라 DNA가 형질전환물질이다.

(1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 10.1 유전물질의 발견 (1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 1950년 허시와 체이스는 대장균과 T4파지 (박테리오파지라고도 함)를 실험에 사용하여 DNA가 유전물질이란 사실을 보여주었다. T4 파지는 1개의 단백질 외투막과 1개의 DNA를 가지고 있다. 단백질에는 황(S)이 있지만 인(P)이 없고 DNA에는 황이 없고 인이 있다. 그림 10.4 박테리오파지는 세균을 감염시킨다. (A) 박테리오파지는 바이러스의 일종으로 단백질 외투막에 핵산을 가지고 있다. 파지는 외투막을 사용하여 세균에 부착하고 DNA를 세균 안으로 주입한다. (B) 이 사진은 한 마리의 세균을 감염시키는 여러 개의 박테리오파지를 보여준다.

(1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 10.1 유전물질의 발견 (1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 방사성 황이 있는 배지에서 배양된 파지는 외투막에서만 방사능이 검출되고 방사성 인이 포함된 배지에서 배양된 파지는 DNA에서만 방사능이 검출된다. 그들은 방사성 황으로 표지된 파지와 방사성인으로 표지된 파지를 각각 대장균에 감염시켰다. 그림 10.5 허시-체이스 실험. 허시와 체이스는 두 종류의 방사능 동위원소를 사용하여 파지의 단백질(35S)과 DNA(32P)를 각각 표지한 다음 배양 중인 대장균과 혼합하여 파지의 감염을 유도하였다. 몇 분이 지난 다음 혼합액을 혼합기로 갈아 파지와 대장균을 분리시키고, 방사선이 어디에서 검출되는가를 조사하였다. 방사성 황은 배양액에 있는 외투막에서만 검출되었고 방사성 인은 세균에서만 검출되었다. 따라서 세균에 침투하는 것은 DNA이고 DNA가 파지의 자손을 증식시키는 유전물질로 증명되었다.

(1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 10.1 유전물질의 발견 (1) 단백질이 아니라 DNA가 유전정보를 운반한다 파지가 대장균에 부착하고 DNA가 세균 안으로 침투하도록 몇 분 동안 섞어 놓은 후 믹서기를 이용하여 세포막에 부착된 파지가 대장균에서 떨어지게 하였다. 이 실험을 통하여 대장균으로 침투하여 파지를 번식시키는 물질은 방사능 인으로 표지된 DNA로 나타났다. 그림 10.5 허시-체이스 실험. 허시와 체이스는 두 종류의 방사능 동위원소를 사용하여 파지의 단백질(35S)과 DNA(32P)를 각각 표지한 다음 배양 중인 대장균과 혼합하여 파지의 감염을 유도하였다. 몇 분이 지난 다음 혼합액을 혼합기로 갈아 파지와 대장균을 분리시키고, 방사선이 어디에서 검출되는가를 조사하였다. 방사성 황은 배양액에 있는 외투막에서만 검출되었고 방사성 인은 세균에서만 검출되었다. 따라서 세균에 침투하는 것은 DNA이고 DNA가 파지의 자손을 증식시키는 유전물질로 증명되었다.

10.1 유전물질의 발견 (2) 데이터와 논리로 DNA 구조가 밝혀졌다 레빈은 핵산에서 오탄당 리보오스와 디옥시리보오스를 발견하여 RNA와 DNA의 차이점을 밝혔다. 그 후 핵산에는 당, 염기, 인산이 하나씩 있다고 밝혔다. 그림 10.6 생명의 비밀. 윌킨스와 프랭클린은 DNA에 X선을 조사하여 DNA가 일정한 간격의 나선형 구조를 갖고 있다고 밝혔다. 이들의 데이터를 이용하여 왓슨과 크릭은 DNA 분자의 이중나선 구조를 발표하였다. 1962년 생명의 비밀을 밝힌 이 업적으로 윌킨스, 왓슨, 크릭은 공동으로 노벨상을 수상하였다. 1958년 사망한 프랭클린은 죽은 사람에게는 상을 주지 않는다는 노벨상 규정에 따라 수상에서 제외되었다.

10.1 유전물질의 발견 (2) 데이터와 논리로 DNA 구조가 밝혀졌다 윌킨스와 프랭클린은 X-선 회절 연구를 통하여 뉴클레오티드가 일정한 간격으로 반복되어 있는 DNA의 3차 구조를 밝혔다. 그림 10.6 생명의 비밀. 윌킨스와 프랭클린은 DNA에 X선을 조사하여 DNA가 일정한 간격의 나선형 구조를 갖고 있다고 밝혔다. 이들의 데이터를 이용하여 왓슨과 크릭은 DNA 분자의 이중나선 구조를 발표하였다. 1962년 생명의 비밀을 밝힌 이 업적으로 윌킨스, 왓슨, 크릭은 공동으로 노벨상을 수상하였다. 1958년 사망한 프랭클린은 죽은 사람에게는 상을 주지 않는다는 노벨상 규정에 따라 수상에서 제외되었다.

10.1 유전물질의 발견 (2) 데이터와 논리로 DNA 구조가 밝혀졌다 왓슨과 크릭이 제시한 DNA의 구조는 DNA의 기능에 대한 단서를 포함하고 있다. 그림 10.6 생명의 비밀. 윌킨스와 프랭클린은 DNA에 X선을 조사하여 DNA가 일정한 간격의 나선형 구조를 갖고 있다고 밝혔다. 이들의 데이터를 이용하여 왓슨과 크릭은 DNA 분자의 이중나선 구조를 발표하였다. 1962년 생명의 비밀을 밝힌 이 업적으로 윌킨스, 왓슨, 크릭은 공동으로 노벨상을 수상하였다. 1958년 사망한 프랭클린은 죽은 사람에게는 상을 주지 않는다는 노벨상 규정에 따라 수상에서 제외되었다.

+ 개념정리 DNA는 모든 생명체의 생식에 필요하고 돌연변이를 유도할 수 있다. 유전물질은 단백질이 아니라 DNA이다. 화학적 분석 결과 DNA는 이중나선 구조로 되어 있다.

(1) 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다 10.2 이중나선 (1) 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다 수소결합으로 연결된 A-T와 G-C 염기쌍이고, DNA의 가로대는 공유결합으로 연결된 디옥시리보오스와 인산이 교대로 배열되어 있다. DNA 뉴클레오티드에는 디옥시리보오스, 염기, 인산이 각각 하나씩 있다. DNA는 흔히 직선 구조로 묘사되지만 실제로는 아주 복잡하고 그 복잡성이 DNA 기능에 도움이 된다. 그림 10.7 DNA 이중나선 구조를 나타내는 세 가지 방법. (A) 풀어진 나선에서 청색의 염기쌍과 초록과 노랑으로 각각 나타낸 당-인산 골격을 보여준다. (B) DNA 이중나선 구조. 당-인산 가로대는 모든 DNA 분자에서 동일하며, 반대방향으로 진행된다. (C) DNA 구성 원소의 3차원적 관계를 보여주는 스페이스-필링 모델.

(1) 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다 10.2 이중나선 (1) 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다 DNA 뉴틀레오티드에 포함된 염기는 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민이다. 아데닌과 구아닌은 2개의 유기 고리 구조를 갖는 퓨린이고 시토신과 티민은 1개의 유기 고리 구조를 갖는 피리미딘이다. 그림 10.8 DNA 염기. 구아닌과 아데닌은 6개의 고리와 5개의 고리를 포함하는 퓨린 유도체이고 시토신과 티민은 6개의 고리를 갖는 피리미딘 유도체이다. 뉴클레오티드에는 염기, 당, 인산이 각각 하나씩 결합되어 있다.

(1) 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다 10.2 이중나선 (1) 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다 퓨린-피리미딘 쌍을 상보적 염기쌍 또는 염기쌍이라 부른다. 상보적 염기쌍은 유전자 기능과 DNA 복제의 기본이다. 그림 10.9 DNA 염기쌍. 퓨린과 피리미딘이 염기쌍을 이루기 때문에 DNA 이중나선은 폭이 일정하다. 아데닌은 2개의 수소결합에 의해 티민과 쌍을 이루고, 시토신과 구아닌 염기쌍 사이에는 3개의 수소결합이 존재한다.

(1) 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다 10.2 이중나선 (1) 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다 DNA 이중나선을 구성하는 2개의 사슬은 서로 반대방향으로 달리고 있는데 이는 화가 에스케르가 그린 손 그림을 연상시킨다. 이러한 머리-꼬리 배열은 DNA가 역평행임을 의미한다. DNA 가닥은 디옥시리보오스의 5번 탄소에서 시작하여 3번 탄소에서 끝이 난다. 두 가닥은 서로 반대방향으로 놓여 있다. 그림 10.10 DNA 가닥은 역평행이다. (A) 화학자들은 유기물에 있는 탄소에 각각 다른 번호를 부여한다. (B) DNA 이중나선의 두 가닥은 서로 반대방향으로 뻗어나간다. 이러한 배열을 역평행이라 한다. (C) 에스케르의 󰡐그림을 그리는 손󰡑. 두 손의 배열은 이중나선을 이루는 2개의 DNA 사슬과 비슷하다.

10.2 이중나선 (2) 염색체의 DNA는 고도로 응축되어 있다 만일 인간의 염색체 46개에 있는 DNA 염기를 A, C, T, G로 표기하면 32억 개의 문자가 차지하는 분량은 500쪽의 책 4,000권에 해당된다. 응축은 공간을 줄이고, 또한 세포가 사용할 수 있도록 DNA를 체계화하는 것이다. 146개의 염기쌍이 8개의 히스톤 단백질로 이루어진 구조물 주위를 두 번 휘감아 1개의 뉴클레오솜을 형성한다. 그림 10.11 진핵세포의 DNA는 고도로 응축되어 있다. DNA는 히스톤 단백질을 휘감고 있는 뉴클레오솜 단위로 이루어지며 뉴클레오솜은 실에 꿰인 구슬처럼 연결되어 있다. 이것이 다시 꼬여 30 nm의 지름을 가진 염색사 섬유로 된다. DNA는 세포분열 동안 딸세포로 신속히 이동하기 위하여 염색체 형태로 가장 작게 응축된다. DNA가 복제되거나 RNA가 만들어질 때 DNA는 히스톤 단백질에서 분리되어 노출된다.

+ 개념정리 DNA 분자는 당-인산의 사다리 기둥과 퓨린-피리미딘 염기쌍의 발판으로 된 이중나선이다. DNA 두 가닥은 서로 역평행이며, 5’ 에서 3’ 으로 진행한다. DNA는 고도로 응축되어 핵 안에 존재한다. 진핵세포는 히스톤 단백질을 사용하여 핵 안에서 DNA를 체계적으로 응축한다.

10.3 DNA 복제: 암호 전달 (1) DNA는 반보존적으로 복제된다 이중나선이 풀려 생기는 2개의 가닥을 각각 주형으로 사용하여 새로운 사슬을 만드는 반보존적 복제를 상상 메셀슨과 슈탈은 반보존적 방식으로 DNA가 복제된다고 증명: 방사성 질소 (15N와 14N) 그림 10.12 DNA는 반보존적으로 복제된다. DNA 복제 메커니즘은 반보존적, 보존적 또는 다발적 등의 세 가지로 설명할 수 있다. 밀도이동 실험을 통하여 복제 메커니즘은 반보존적으로 밝혀졌다. 질량이 다른 2개의 방사성 질소(14N과 15N)로 DNA를 표지했을 때 󰡐LL󰡑은 가벼운 질소(14N/14N), 󰡐HH󰡑는 무거운 질소(15N/15N), 󰡐LH󰡑는 가볍고 무거운 질소를 하나씩 포함하는(14N/15N) DNA를 의미한다.

(2) 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다 10.3 DNA 복제: 암호 전달 (2) 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다 DNA 복제에는 많은 효소가 협력하여 정확도를 높인다. DNA 복제 동안 두 가닥의 DNA는 분리된다. 이중나선의 벌어진 부분을 복제분기점이라 부른다. 인간 염색체에는 수백 개의 복제분기점이 있는데 이는 짧은 시간에 많은 DNA를 복제하는 데 필요하다. 그림 10.13 DNA 복제과정의 개요. DNA 복제는 이중나선 DNA가 풀어지면서 시작한다. 풀어진 DNA 가닥들은 주형으로 사용되고 주형 DNA와 상보적인 새로운 DNA 가닥을 만들며 이중나선을 이룬다. 반보존적 복제 방식으로 하나의 DNA로부터 2개의 딸 DNA가 만들어진다.

(2) 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다 10.3 DNA 복제: 암호 전달 (2) 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다 DNA 복제는 복제원점에서 헬리카제가 염기쌍 사이의 수소결합을 끊으면서 시작된다. 그림 10.14 단계별 DNA 복제과정과 복제에 참여하는 효소들의 이름과 기능. DNA 복제에는 헬리카제, 결합단백질, 프리마제, DNA 중합효소, DNA 연결효소를 포함한 많은 효소들이 사용된다. 한쪽 사슬에서는 새로운 딸 DNA가 연속적으로 복제되고 다른 한쪽 사슬에서는 오카자키 절편이라 하는 작은 조각의 DNA가 합성된 후 서로 연결된다.

(2) 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다 10.3 DNA 복제: 암호 전달 (2) 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다 프리마제는 짧은 길이의 RNA 시발자를 만드는데, 이것의 염기서열은 복제될 DNA의 시작 지점에 있는 염기서열과 상보적이다. DNA 중합효소는 RNA 시발자에 주형 DNA와 상보적인 염기쌍을 붙여나간다. DNA 중합효소는 복제 동안 잘못 짝지어진 염기를 잘라내고 올바른 염기를 삽입하여 교정한다.

(2) 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다 10.3 DNA 복제: 암호 전달 (2) 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다 DNA 연결효소는 당-인산 골격을 연결한다. DNA 중합효소는 디옥시리보오스의 3’ 말단에 새로운 뉴클레오티드를 더해 가며 5’ 에서 3’ 방향으로만 복제를 진행한다. (5’ → 3’) 불연속적으로 복제되는 짧은 DNA 조각을 오카자키 절편이라고 부른다.

+ 개념정리 여러 종류의 효소가 DNA를 정확하게 복제한다. 헬리카제는 DNA 두 가닥을 분리하고, 그 다음 프리마제가 RNA 시발자를 만들며, DNA 중합효소는 DNA 뉴클레오티드를 첨가한다. DNA 연결효소는 인접한 DNA 두 조각을 연결하고 다른 종류의 DNA 중합효소가 RNA와 부정확한 염기를 제거한다. DNA를 빨리 복제하기 위하여 수백 개의 복제원점에서 복제가 시작된다.

10.4 DNA 수선: 암호를 정확하게 유지함 DNA 복제는 10만 개의 염기당 하나 정도의 비율로 잘못 복제한다. 첫 번째 복구: 광활성화는 광분해효소가 가시광선의 청색 파장에서 에너지를 흡수하여 피리미딘 이량체 사이의 공유결합을 제거한다. 두 번째 복구: 절단 복구는 DNA의 당과 염기 사이의 결합을 자른 다음 피리미딘 이량체와 그 주변의 염기를 제거한다. 그림 10.15 두 종류의 복구 메커니즘. 자외선에 의해 티민 이량체가 형성되어 손상된 DNA는 광활성화 복구 또는 절단 복구에 의해 수선된다. 자외선은 DNA의 동일 사슬에 서로 인접해 있는 2개의 티민 사이에 공유결합을 하나 더 유도하여 이량체를 만들면서 DNA에 손상을 가져온다. 그 결과 DNA 이중나선은 어긋나고 DNA가 복제될 때 돌연변이가 생긴다.

10.4 DNA 수선: 암호를 정확하게 유지함 세 번째 복구: 불일치 복구는 DNA의 두 가닥이 부정확하게 배열되면 작은 루프가 생기는데, 복구 효소들이 이 부위의 DNA를 교정한다. 염기쌍의 불일치는 아주 짧은 길이의 염기들이 반복되어 있는 미소부수체 DNA (microsatellite DNA)에서 생기는 경향이 높다. 일부 유전병은 DNA 복구가 잘못되어 생긴다. DNA 복구체계에 결함이 생기면 염색체가 절단되고, 이온화 방사선 또는 세포분열에 영향을 미치는 화학물질에 노출될 경우 암에 걸리기 쉽다. 그림 10.15 두 종류의 복구 메커니즘. 자외선에 의해 티민 이량체가 형성되어 손상된 DNA는 광활성화 복구 또는 절단 복구에 의해 수선된다. 자외선은 DNA의 동일 사슬에 서로 인접해 있는 2개의 티민 사이에 공유결합을 하나 더 유도하여 이량체를 만들면서 DNA에 손상을 가져온다. 그 결과 DNA 이중나선은 어긋나고 DNA가 복제될 때 돌연변이가 생긴다.

+ 개념정리 세포에 있는 여러 종류의 효소가 DNA를 복제하는 동안 잘못 삽입된 염기를 복구한다. 이 효소들은 티민 이량체 또는 염기쌍의 불일치를 제거하고 유전자 기능을 복구한다. 복구체계가 없으면 세포와 생명체에 심각한 문제를 일으킬 수 있다.

(1) 오페론은 세균에서 유전자 발현을 조절한다 10.5 유전자 발현: 암호의 활동 (1) 오페론은 세균에서 유전자 발현을 조절한다 세포의 특성은 어떤 조건하에서 어떤 유전자가 발현되는가를 반영한 것이다. 세포는 DNA의 정보를 사용하여 단백질을 만든다. 전사 과정은 DNA 두 가닥 중 한 가닥의 염기서열을 이용하여 상보적인 RNA를 만든다. 그 다음의 번역 과정은 RNA의 정보를 사용하여 특수 단백질을 만든다. ‘중심원리’ 그림 10.16 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로. 생물학의 중심원리에 따르면, DNA에 저장된 정보가 RNA로 복사되고(전사), RNA를 이용하여 단백질을 합성한다(번역). DNA 복제는 유전정보를 영원히 자손에게 물려주는 것이다.

(1) 오페론은 세균에서 유전자 발현을 조절한다 10.5 유전자 발현: 암호의 활동 (1) 오페론은 세균에서 유전자 발현을 조절한다 RNA는 리보오스와 우라실을 갖는 점에서 DNA와 다름 RNA는 DNA가 갖지 않은 효소의 기능을 가질 수 있다. 단백질 합성에 필요한 유전정보를 가지고 있는 전령 RNA (mRNA) 아미노산을 운반하는 운반 RNA (tRNA) 리보솜의 구성성분인 리보솜 RNA (rRNA) 만일 세포가 어떤 단백질을 만들고 싶다면 그 유전자의 mRNA 복사본을 합성하기 시작. 어떤 유전자들은 특정 시기에, 특정 세포에서, 필요한 양만큼 발현한다. 그림 10.17 DNA와 RNA는 기능과 구조가 다르다. (A) DNA와 RNA는 기능이 서로 다르다. (B) DNA는 이중나선이고 RNA는 보통 단일가닥이다. (C) DNA는 디옥시리보오스를 RNA는 리보오스를 갖는다. (D) 마지막으로 DNA는 티민을, RNA는 우라실을 갖는다.

(1) 오페론은 세균에서 유전자 발현을 조절한다 10.5 유전자 발현: 암호의 활동 (1) 오페론은 세균에서 유전자 발현을 조절한다 대장균은 젖당이 있을 때만 젖당 분해효소를 만든다. 젖당 유전자의 발현을 자극하는 것은 젖당 자체이다. 대장균에는 젖당을 분해하는 유전자가 3개 있으며 염색체에 연속적으로 위치해 있다. 유전자의 전사를 방해하는 억제자 항상 만듦 프로모터는 RNA 중합효소가 결합하는 부위이며 전사를 위한 스위치처럼 활동한다. 젖당이 존재할 때 젖당은 억제자와 결합하여 억제자가 DNA에 결합하는 것을 방해 그림 10.18 젖당 오페론. (A) 젖당 오페론에서는 젖당을 분해하는 데 필요한 단백질을 암호화하는 유전자 그룹이 하나의 프로모터에 의해 조절된다. (B) 젖당이 없으면 억제자 단백질이 DNA의 작동자에 결합하여 유전자들의 전사를 억제한다. (C) 젖당이 있으면 억제자가 젖당과 결합하여 작동자에 결합하지 못하고 3개의 유전자로부터 전사가 일어난다. 이처럼 세포는 특정 효소를 필요할 때, 필요한 만큼 합성한다.

(2) 전사인자는 진핵세포의 유전자발현을 조절한다 10.5 유전자 발현: 암호의 활동 (2) 전사인자는 진핵세포의 유전자발현을 조절한다 세균에서 오페론은 유전자의 전사를 촉진하거나 억제하는 스위치 역할을 한다. 진핵생물의 유전자 조절은 더욱 복잡한데 세포 유형에 따라 발현되는 유전자 세트가 다르기 때문이다. 전사인자라고 하는 조절 단백질들이 염색체의 특정 부위에 RNA 중합효소가 결합하게 만든 후 전사를 시작한다. 나선고리나선 (helix-turn-helix), 아연손가락 (zinc finger), 루신-지퍼 (leucine zipper) 등의 3차 구조로 접혀있다. 그림 10.19 DNA에 결합하는 전사인자. 전사인자는 DNA에 결합하여 특정 유전자의 전사를 시작하거나 억제함으로써 유전자 발현을 조절하는 단백질이다. 모티프의 이름은 모티프가 DNA에 결합할 수 있는 모양의 특징에 따라 붙여졌다. 나선고리나선 구조가 그림에 예시되어 있다.

10.5 유전자 발현: 암호의 활동 (3) 전사과정을 통해 DNA 암호로부터 RNA가 만들어진다 처음에 TATA 부착단백질이라 부르는 전사인자가 GC 염기 사이에 있는 TATA 박스에 결합한다. TATA 박스에 결합한 TATA 부착단백질은 다른 전사인자를 연속적으로 유인하며, 마지막으로 RNA 중합효소가 유전자 염기서열의 시작 부위 앞에 결합하며 복합체를 이룬다. 그림 10.20 전사의 시작. (A) 유전자의 프로모터 부위에 있는 특정 염기서열을 개시 단백질이 인식한다. (B) TATA 부착단백질이 DNA의 TATA 박스를 인식하고 결합한다. 이것은 다른 전사인자들이 결합하도록 도와준다. (C) 필요한 전사인자가 있으면 RNA 중합효소가 결합하여 RNA를 합성하기 시작한다.

10.5 유전자 발현: 암호의 활동 (3) 전사과정을 통해 DNA 암호로부터 RNA가 만들어진다 RNA도 DNA처럼 5’ → 3’ 방향으로 합성 DNA에 있는 종결 염기서열이 RNA 합성 끝부분을 알려준다. 그림 10.21 RNA, DNA 주형가닥, DNA 암호가닥 사이의 관계. RNA 염기서열은 DNA 주형가닥과 상보적이므로 DNA 암호가닥의 염기서열과 같다. 단, DNA에 있는 티민(T) 대신에 RNA에는 우라실(U)이 있다.

10.5 유전자 발현: 암호의 활동 (3) 전사과정을 통해 DNA 암호로부터 RNA가 만들어진다 그림 10.22 DNA로부터 RNA의 전사. (A) 전사는 개시, 신장 및 종결의 세 단계로 일어난다. 개시는 어느 유전자를 언제 전사할 것인지를 결정하는 조절 단계이다. RNA 뉴클레오티드는 신장 단계에서 첨가되며 유전자의 종결서열이 전사의 종결을 유도한다. (B) 특정 유전자로부터 RNA가 동시에 많이 만들어진다. RNA 중합효소가 전사를 시작한 후 또 다른 RNA 중합효소들이 연속적으로 mRNA를 합성한다.

+ 개념정리 에너지 절약을 위하여 세포는 전사와 단백질 합성을 조절한다. 세균의 젖당 오페론은 전사 조절의 한 예로, 젖당이 있을 경우에만 젖당 분해에 필요한 유전자 세트의 전사를 시작한다. 단백질은 다른 분자와 신호의 존재를 감지하는 분자 스위치처럼 작용한다. 고등생물에서도 전사인자가 RNA 중합효소를 활성화시켜 유전자 발현을 조절한다.

(1) 세 종류의 RNA가 단백질 합성에 관여한다 10.6 번역: 코돈에서 아미노산 (1) 세 종류의 RNA가 단백질 합성에 관여한다 mRNA는 특정 단백질을 암호화한다. 3개의 염기가 하나의 코돈 (codon)이 되고 각 코돈은 특정 아미노산과 대응한다. 리보솜은 단백질을 합성하는 세포 공장으로 수십 개의 단백질과 rRNA로 구성된다. 리보솜은 2개의 소단위로 구성되어 있는데 세포질에 분리되어 존재하다 단백질 합성이 시작되어 합쳐진다. 그림 10.23 리보솜. 진핵세포의 리보솜은 2개의 소단위체로 구성되며, 82개의 단백질과 4개의 rRNA 분자를 포함한다.

(1) 세 종류의 RNA가 단백질 합성에 관여한다 10.6 번역: 코돈에서 아미노산 (1) 세 종류의 RNA가 단백질 합성에 관여한다 tRNA에는 3개의 루프가 있다. 이 중 하나에는 안티코돈 (anticodon)을 형성하는 3개의 염기가 있다. 그림 10.24 tRNA. (A) tRNA 내에 있는 특정 뉴클레오티드 사이에 수소결합이 형성되어 tRNA는 클로버 잎 모양의 2차 구조를 이룬다. 맨 윗부분의 진한 색으로 표시된 염기는 안티코돈으로 상보적 서열을 지닌 mRNA의 코돈과 결합한다. 각 tRNA의 한쪽 끝은 CCA 염기서열로 끝나는데 이곳에 특정 아미노산이 이곳에 공유결합으로 연결된다. (B)는 tRNA의 3차구조를 나타내고, (C)는 tRNA가 번역과정에서 제 기능을 하기 위해 리보솜과 상호작용을 하는 루프를 표시한다.

(2) 진핵세포는 mRNA를 핵에서 변형시킨다 10.6 번역: 코돈에서 아미노산 (2) 진핵세포는 mRNA를 핵에서 변형시킨다 세균과 고세균의 경우 mRNA는 단백질로 즉시 번역된다. 진핵세포의 경우 mRNA가 핵을 떠나 세포질로 이동한 후 단백질 합성이 시작. 진핵세포의 mRNA는 단백질 합성에 사용되기 전에 변형된다. 전사동안 고깔형성 (cap): mRNA의 5’ 끝에 변형된 뉴클레오티드가 형성 mRNA 합성이 완성된 후 폴리 A 꼬리: 100-200개의 아데닌이 3’ 끝에 더해짐 인트론과 엑손 그림 10.25 mRNA의 성숙과정. 성숙한 mRNA는 여러 단계를 거쳐 만들어진다. 첫째, 유전자를 포함하는 큰 부위의 DNA가 전사된다. 전사 후 5′ 고깔과 3′-폴리 A 꼬리가 첨가되고 인트론은 잘려진다. 마지막으로 성숙한 mRNA가 핵에서 세포질로 이동한다.

+ 개념정리 RNA는 단백질 합성에 관여하는 분자로 여러 기능을 한다. mRNA는 유전자의 염기서열 정보를 가지고 있다. rRNA는 리보솜의 구성성분이다. tRNA는 mRNA의 염기 3개와 일치하는 특정 아미노산을 운반한다. 진핵세포의 mRNA는 인트론이 제거되고 엑손끼리 연결된 후 번역된다.

10.7 유전암호: 유전자에서 단백질로 (1) 리보솜에서 단백질이 합성된다 mRNA와 단백질 사이의 일치를 유전암호 (genetic code)라 부른다 그림 10.26 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로. mRNA는 부분적으로 풀린 DNA 부위에서 합성된다. 번역은 tRNA가 mRNA 코돈과 아미노산을 연결시키는 과정이다.

10.7 유전암호: 유전자에서 단백질로 (1) 리보솜에서 단백질이 합성된다 유전암호는 트리플렛 (triplet) 그림 10.27 한 번에 3개씩. DNA에 1개 또는 2개의 염기가 추가되거나 제거되면 아미노산 서열이 바뀐다. 그러나 3개의 염기가 추가되거나 제거되면 번역틀은 변하지 않는다. 따라서 유전암호는 3개의 염기로 되어 있다. 이 그림은 크릭의 실험을 간단히 나타낸 것이다.

10.7 유전암호: 유전자에서 단백질로 (1) 리보솜에서 단백질이 합성된다 각 코돈이 지정하는 아미노산을 결정할 수 있었고 모든 유전암호는 번역된다.

10.7 유전암호: 유전자에서 단백질로 (1) 리보솜에서 단백질이 합성된다 단백질 합성이 시작되면 개시-tRNA는 AUG 개시코돈과 결합하고 정확한 번역틀에 리보솜과 정렬된다. 개시코돈은 항상 AUG이므로 개시-tRNA는 메티오닌을 운반하며 단백질의 시작부위에서 발견된다. 그림 10.28 번역 시작. 작은 리보솜 소단위, mRNA와 개시 tRNA가 함께 모여 적절한 방향으로 정렬되면서 번역을 시작한다. 작은 리보솜 소단위를 구성하는 rRNA 하나가 mRNA의 선도서열을 인식하여 결합하고 단백질 인자와 GTP의 도움으로 메티오닌을 운반하는 개시 tRNA가 시작코돈에 결합하여 개시복합체를 형성한다.

10.7 유전암호: 유전자에서 단백질로 (1) 리보솜에서 단백질이 합성된다 단백질 합성의 다음 단계는 신장이라 부르는데 큰 리보솜 소단위가 개시 복합체에 결합 그림 10.29 폴리펩티드 합성. 큰 리보솜 소단위가 개시복합체에 붙고, 두 번째 아미노산 글리신을 운반하는 tRNA가 자신의 안티코돈과 mRNA의 두 번째 코돈과 수소결합을 이룬다. (A) 첫 번째 tRNA가 전달한 메티오닌이 두 번째 tRNA가 전달한 아미노산과 펩티드 결합을 하고 시스테인을 운반하는 세 번째 tRNA가 도착한다. (B) 네 번째 아미노산이 연장되고 있는 폴리펩티드 사슬에 연결되고(C), 종결 코돈에 이르기까지 이 과정이 계속된다. (D) 방출인자가 종결 코돈과 결합하면 완성된 단백질이 tRNA에서 방출되고 (E) 번역에 관여했던 모든 인자들이 해체된다.

10.7 유전암호: 유전자에서 단백질로 (1) 리보솜에서 단백질이 합성된다 리보솜이 종결코돈 (UGA, UAA, UAG)에 도달하면 방출인자가 붙어 신장을 멈춤 그림 10.29 폴리펩티드 합성. 큰 리보솜 소단위가 개시복합체에 붙고, 두 번째 아미노산 글리신을 운반하는 tRNA가 자신의 안티코돈과 mRNA의 두 번째 코돈과 수소결합을 이룬다. (A) 첫 번째 tRNA가 전달한 메티오닌이 두 번째 tRNA가 전달한 아미노산과 펩티드 결합을 하고 시스테인을 운반하는 세 번째 tRNA가 도착한다. (B) 네 번째 아미노산이 연장되고 있는 폴리펩티드 사슬에 연결되고(C), 종결 코돈에 이르기까지 이 과정이 계속된다. (D) 방출인자가 종결 코돈과 결합하면 완성된 단백질이 tRNA에서 방출되고 (E) 번역에 관여했던 모든 인자들이 해체된다.

10.7 유전암호: 유전자에서 단백질로 (1) 리보솜에서 단백질이 합성된다 세포는 한 번 만들어진 mRNA로부터 특정 단백질을 많이 만든다. 특정 mRNA가 많이 만들어지고 각 mRNA에는 수십 개의 리보솜이 결합한다. 하나의 mRNA로부터 많은 수의 단백질이 만들어질 수 있다. 그림 10.30 하나의 mRNA로부터 많은 양의 단백질이 동시에 합성된다. 여러 개의 리보솜은 하나의 mRNA로부터 많은 양의 단백질을 동시에 합성할 수 있다. (A) 리보솜에 다양한 크기의 폴리펩티드가 달려있다. 리보솜이 유전자 끝에 더 가까이 있을수록 리보솜에 달려있는 폴리펩티드의 길이는 더 길다. 샤페론 단백질은 폴리펩티드가 특징적인 구조를 형성하도록 접힘을 도와준다. (B) 현미경 사진에서, 왼쪽에 있는 리보솜은 번역을 방금 시작하여서 폴리펩티드가 간신히 보일 정도이다. 번역이 더 진행되면 폴리펩티드는 길어진다. 샤페론은 보이지 않는다. 리보솜의 지름은 20~30 nm이다.

10.7 유전암호: 유전자에서 단백질로 단백질은 복잡한 3차구조를 이루어야 기능을 나타낸다. (2) 단백질 접힘은 샤페론 단백질에 의해 도움을 받는다 단백질은 복잡한 3차구조를 이루어야 기능을 나타낸다. 단백질의 아미노산 서열 순서와 샤페론 단백질의 도움을 받아 올바른 접힘이 일어나고 3차 구조가 형성된다. 단백질의 접힘이 잘못되면 질병을 유발한다. 낭포성 섬유증 돌연변이, 알츠하이머병, 그림 10.30 하나의 mRNA로부터 많은 양의 단백질이 동시에 합성된다. 여러 개의 리보솜은 하나의 mRNA로부터 많은 양의 단백질을 동시에 합성할 수 있다. (A) 리보솜에 다양한 크기의 폴리펩티드가 달려있다. 리보솜이 유전자 끝에 더 가까이 있을수록 리보솜에 달려있는 폴리펩티드의 길이는 더 길다. 샤페론 단백질은 폴리펩티드가 특징적인 구조를 형성하도록 접힘을 도와준다. (B) 현미경 사진에서, 왼쪽에 있는 리보솜은 번역을 방금 시작하여서 폴리펩티드가 간신히 보일 정도이다. 번역이 더 진행되면 폴리펩티드는 길어진다. 샤페론은 보이지 않는다. 리보솜의 지름은 20~30 nm이다.

+ 개념정리 유전암호는 mRNA에 있는 유전정보와 아미노산 사이를 일치시킨다. 각 코돈은 하나의 아미노산을 지정하고 3개의 종결 코돈이 있다. 미토콘드리아와 엽록체를 제외하고 모든 생명체는 동일한 유전암호를 사용한다. 여러 개의 코돈이 동일 아미노산을 지정한다. 코돈의 염기는 중복 사용되지 않는다. 리보솜에서 mRNA와 아미노산이 정렬되고 아미노산이 결합하여 단백질로 된다. 샤페론과 여러 단백질은 합성되는 단백질이 옳게 접히도록 도와준다.

(1) 겸상적혈구빈혈증은 단일 염기 돌연변이 결과로 생긴다 10.8 돌연변이 (1) 겸상적혈구빈혈증은 단일 염기 돌연변이 결과로 생긴다 돌연변이는 유전물질의 물리적 변화를 의미 돌연변이는 화학물질이나 방사능에 의해 유도될 수 있다. 침묵 돌연변이는 세포에 영향을 주지 않는다. 그림 10.31 겸상적혈구빈혈증은 염기 하나가 변하여 생긴다. 헤모글로빈은 몸 전체로 산소를 운반한다. 정상 헤모글로빈(A)은 둥근 모양이며 서로 응집되지 않는다. 겸상적혈구빈혈증(B)의 경우, DNA 염기 하나가 변하여 헤모글로빈을 구성하는 아미노산 발린이 글루탐산으로 바뀌었다. 그 결과 헤모글로빈의 표면에 변화가 생겨 긴 막대기 모양으로 응집되면서 적혈구의 모양이 달라진다. 겸상적혈구는 혈액순환을 저해하고 빈혈 등의 합병증을 유발한다.

(1) 겸상적혈구빈혈증은 단일 염기 돌연변이 결과로 생긴다 10.8 돌연변이 (1) 겸상적혈구빈혈증은 단일 염기 돌연변이 결과로 생긴다 겸상적혈구빈혈증은 염기 하나가 바뀌어 생기는 유전병이다. 베타 헤모글로빈 유전자의 염기서열을 분석한 결과 정상인의 6번째 코돈은 CAC이지만, 겸상적혈구빈혈증은 CTC로 나타났고 글루탐산이 발린으로 바뀐 돌연변이 그림 10.31 겸상적혈구빈혈증은 염기 하나가 변하여 생긴다. 헤모글로빈은 몸 전체로 산소를 운반한다. 정상 헤모글로빈(A)은 둥근 모양이며 서로 응집되지 않는다. 겸상적혈구빈혈증(B)의 경우, DNA 염기 하나가 변하여 헤모글로빈을 구성하는 아미노산 발린이 글루탐산으로 바뀌었다. 그 결과 헤모글로빈의 표면에 변화가 생겨 긴 막대기 모양으로 응집되면서 적혈구의 모양이 달라진다. 겸상적혈구는 혈액순환을 저해하고 빈혈 등의 합병증을 유발한다.

(2) 돌연변이는 자연적으로 생기거나 유도될 수 있다 10.8 돌연변이 (2) 돌연변이는 자연적으로 생기거나 유도될 수 있다 돌연변이는 자연발생적으로 생기거나 화학물질 또는 자외선에 의해 유도될 수 있다. 돌연변이를 일으키는 물질을 돌연변이원이라고 부른다. 정상 키를 가진 부부 사이에서 왜소증이라 부르는 상염색체 우성의 난쟁이 아이를 낳을 수 있다. 염기는 토토머라고 부르는 미세한 차이가 있는 두 종류로 존재할 수 있다. 짧은 순간, 각 염기는 불안정한 토토머 형으로 존재하는데 만일 그러한 불안정한 염기가 우연히 새로 합성되는 DNA에 포함되면 그 실수는 고정된다. 그림 10.33 유전자 중복과 결실. 알파글로빈 유전자는 중복되어 있기 때문에 제1감수분열 동안 상동염색체가 정열이 잘못되면 돌연변이가 일어나기 쉽다. 알파글로빈 유전자 하나가 없는 사람은 빈혈을 일으킬 수 있다.

(2) 돌연변이는 자연적으로 생기거나 유도될 수 있다 10.8 돌연변이 (2) 돌연변이는 자연적으로 생기거나 유도될 수 있다 반복 염기서열이 있는 유전자는 감수분열 동안 정렬이 잘못되어 돌연변이가 잘 일어난다. 색맹도 이러한 종류의 돌연변이에 해당한다. 그림 10.32 자연발생 돌연변이. DNA 염기는 화학적으로 다소 불안정하여 짧은 순간 동안 변형된 형태로 존재한다. 복제분기점에 불안정한 형태의 염기가 있다면 복제 동안 잘못된 염기쌍을 이룰 수 있다. 이러한 상태에서 두 번째 복제가 일어나면 딸세포 중의 하나는 본래의 염기와 다른 돌연변이 염기쌍을 갖게 된다.

10.8 돌연변이 (3) 돌연변이는 효과에 의해 분류된다 점돌연변이는 DNA 염기 중 단 1개가 변한 것이다. 미스센스 돌연변이는 코돈의 변화로 인하여 하나의 아미노산이 다른 아미노산으로 변한 것이다. 예, 겸상적혈구빈혈증

10.8 돌연변이 (3) 돌연변이는 효과에 의해 분류된다 넌센스 돌연변이: 단 1개의 염기 변화로 인하여 아미노산을 지정하는 코돈이 종결 코돈으로 변한 것이다. 그 결과 단백질의 크기가 작고 표현형에 심각한 영향을 미친다. 번역틀 돌연변이: 번역틀을 파괴하고 아미노산 서열을 파괴한다.

+ 개념정리 돌연변이는 유전자를 구성하는 DNA 염기서열에 변화가 일어난 것이다. 점돌연변이 결과 단백질은 변화가 없거나 엄청나게 변할 수 있다. 번역틀 돌연변이는 단백질 합성을 일찍 중단시켜 단백질의 기능을 잃게 할 수 있다. 일부 점돌연변이는 단백질의 일부를 변화시켜 생명의 다양성을 가져온다. 돌연변이는 원인과 효과에 의해 분류된다. 방사능과 화학물질이 가장 흔한 돌연변이원이다. 그러나 대부분의 돌연변이는 DNA 복제의 실수를 통해 자연발생적으로 생긴다.

10장 핵심내용 일련의 실험을 통하여 DNA가 유전물질로 밝혀졌다. DNA는 여러 개의 복제원점에서 풀려져 5’ → 3’ 방향으로 복제된다. 여러 종류의 효소들이 협력하여 새로운 가닥을 만들며 새로 합성되는 DNA를 교정한다. 세포는 여러 종류의 복구 시스템을 사용하여 유전정보의 정확성을 유지한다. 유전정보는 RNA로 전사된 후 아미노산 서열로 번역된다. RNA는 단일가닥의 핵산으로 DNA와 유사하지만 티민과 디옥시리보오스 대신 우라실과 리보오스를 포함하고 있다.

세균에서 오페론은 같은 대사작용에 참여하는 유전자 그룹의 발현을 조절한다 세균에서 오페론은 같은 대사작용에 참여하는 유전자 그룹의 발현을 조절한다. 다세포 생물에서 전사인자는 특정 세포에서 어떤 유전자가 언제 발현되는가를 조절한다. 이러한 전사인자들은 공통적인 모티브를 가지고 있다. 고등생물에서 전사 후 인트론이 제거되고 나머지 엑손이 연결된다. 세 종류의 RNA가 번역에 관여한다. mRNA는 단백질을 암호화하는 유전정보를 포함한다. rRNA는 단백질과 결합하여 단백질을 합성하는 리보솜을 형성한다. tRNA는 mRNA 코돈과 상보적인 안티코돈과 아미노산이 결합하는 부위를 가지고 있다. 코돈은 mRNA의 연속적인 염기 3개로 특정 아미노산을 지정한다. 유전암호는 코돈과 아미노산을 일치시킨다. 리보솜은 mRNA에 암호화된 지시에 따라 단백질을 조립한다.