제15장. 유전체 조작과 연구 유전체 사업 유전공학 분자도구들 생명 윤리

1. 분자생물학과 인간유전체 사업 유전체(genome): 염색체들의 반수체에 포함된 DNA전체(한 개체가 가진 유전자들의 총합). 1953년 DNA이중 나선 구조 밝혀짐 1972년 최초로 재조합 DNA 실험 성공 1977년 맥삼 & 길버트, 생거 염기서열 결정법 개발 1982년 최초의 대규모 DNA 데이터베이스 구축 1986년~2003년. 인간 유전체에 대한 공적, 사적 염기서열 결정이 이루어짐. 논란의 유발.

염기서열의 결정과 컴퓨터의 활용 셀레라 지노믹스 사는 슈퍼컴퓨터의 사용으로 유전체의 염기서열을 더욱 빠르게 진행시킴으로써 인간 유전체 염기서열 결정에 관한 공공의 노력을 더욱 촉발시키는 역할을 했다.

2. DNA 공학의 분자도구들 가위: 제한효소(Restriction Enzyme)-DNA의 특정 염기서열을 인식하여 DNA가닥을 절단한다. 풀: DNA 연결 효소(Ligase)-DNA 분자에 생긴 틈을 인식하여 DNA가닥을 연결시킨다. 클로닝 벡터(Cloning Vector)-플라스미드-세균이 가진 작은 원형의 DNA 분자. cDNA의 클로닝: 역전사효소(Reverse transcriptase)를 이용하여 mRNA를 DNA 서열로 전환시킨 후(cDNA 합성) 클로닝 벡터에 삽입한다.

재조합 DNA 분자의 생성 재조합 DNA (Recombinant DNA) DNA의 절편의 생성과 재조합 DNA의 형성: 제한효소(Restriction enzyme, Ligase)

유전자 전달의 도구: 플라스미드 DNA 상업적으로 개발된 플라스미드 클로닝 벡터. 연구의 편이를 위해 항생제 저항성 유전자, 여러 곳의 제한 효소 부위 등을 포함하고 있다.

DNA 클로닝-동일한 DNA를 다량으로 얻는 과정 재조합 플라스미드들이 어느 한 생물체의 유전체 전부를 포함하게 될 때 이를 유전체 라이브러리(genomic DNA library)라고 하며, 인간의 유전자를 오랜 기간 보관하고 연구할 수 있게 하는 도구가 된다.

cDNA의 합성 바이러스에서 얻어진 역전사 효소(Reverse transcriptase)는 RNA를 주형으로 하여 상보적인 DNA를 합성하는데 사용된다.

3. 유전자 찾아내기 유전자 도서관: 서로 다른 DNA절편들을 가지고 있는 세균 세포의 집합. 유전체 도서관(Genomic library): 특정 생물의 전체 유전체로부터 클로닝된 단편들이 포함된 유전자 도서관. cDNA 도서관(cDNA library): mRNA로부터 유래한 DNA절편들을 포함하고 있는 유전자 도서관. 탐침자(probe): 표지된 핵산 분자로서 원하는 클론과 혼성화됨으로써 클론 검색에 사용한다. 핵산 혼성화(nucleic acid hybridization): 핵산 분자들 사이에 염기쌍 결합이 일어나도록 하는 것. 중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR): 프라이머(primer), DNA 중합효소(DNA polymerase), 자유 뉴클레오티드들을 사용하여 주형 DNA 일부를 증폭.

유전자 골라내기-핵산 혼성화 유전자 도서관(gene library)로부터 원하는 유전자를 탐색하는 과정. 서로 다른 DNA절편을 포함한 세균 세포들로부터 원하는 유전자 클론을 포함한 균주를 골라내는 것은 탐지자(탐침자, probe)라고 하는 핵산 가닥에 의존하여 이루어진다.1

중합효소 연쇄반응(PCR) PCR(Polymerase Chain Reaction)~ DNA중합효소, 프라이머, 뉴클레오티드들, 그리고 주형 DNA를 열순환기(thermal cycler)에서 반응시킴으로써 원하는 유전자를 대량 증폭하는 기술.

4. DNA 분석법 인간의 DNA; 부모로부터 물려받은 고유한 서열의 DNA 배열을 가진다. 모든 인간은 99%의 DNA는 동일하지만 1%는 개인마다 다르다DNA지문(DNA fingerprint). 연속반복서열(tandem repeat): 염색체에 전반에 걸쳐 짧게 반복되어 나타나는 서열.(사람마다 반복 회수가 다를 수 있다.) 제한 단편의 길이가 서로 다를 수 있다. DNA 단편의 길이 분석: 젤 전기영동(Gel Electrophoresis)- 전기장에서 다공성 반고체 매트릭스를 통과시킴으로써 DNA를 크기별로 분리할 수 있다. Ex)한천(agarose), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) Gel Electrophoresis. 서던 분석법(Southern Analysis)-젤 상에서 분리된 DNA절편들을 필터에 옮겨 표지된 핵산 탐침자화 혼성화함으로써 DNA 단편들의 양상을 가시화할 수 있다.

DNA 지문분석(DNA fingerprinting)

5. 자동 염기서열 결정(Automated Sequencing) ddNTP: dideoxy nuclotides (ddATP, ddCTP, ddGTP, ddTTP)-DNA합성 중단 유발. dNTP:표준 DNA 뉴클레오티드(deoxy nucleotide; dATP, dCTP, dGTP, dTTP)-DNA합성 지속. 염기서열을 결정할 DNA 부분을 PCR 증폭 첨가된 NTP들의 종류에 따라 무작위적으로 합성이 중단된 조각들이 생김 자동화 분석법에서는 변형된 네 뉴클레오티드들이 서로 다르게 표지됨. 해상도가 높은 젤 전기영동 실시 레이저로 젤을 스캔하여 DNA합성이 빨리 중단된 것부터 뉴클레오티드 결정함

자동 DNA염기서열 분석 (automated DNA sequencing) 주형 DNA가닥에 상보적으로 수소결합을 하지만 뒤쪽으로 신장이 불가능한 변형된 염기를 사용하여 DNA 복제를 수행하면 이로부터 생겨난 단편들은 주형 DNA의 염기순서를 표현하게 된다. 자동염기서열 분석장치는 종결 염기를 서로 다른 형광물질로 표지하고 전기영동 후 레이저가 이 단편들을 추적하는 방법을 사용한다.

6. 실용 유전학 생물체들의 유기화합물 생성 능력을 이용함. 맞춤 식물: 환경의 부담을 줄이면서 식량을 증대하기 위해 유전공학을 이용해 식물의 일부 특징들을 변화시킴(형질전환 식물들), 아그로박테리아의 Ti 플라스미드를 이용함. Ex)제초제 저항성 작물, 리그닌 결핍 목재 등의 생산. 가축 생물공학: 유전자들의 기능과 조절 연구를 위한 유전자 녹아웃 동물, 유용물질 생산 동물 등의 생산 및 기타 유용 형질을 가진 가축 생산. 편리함을 목적으로 한 유전공학 윤리적 문제 야기

형질전환 식물들 제초제 저항성 식물 리그닌 생합성의 부분 억제 식물들 형질 전환 식물들. 식물의 표현형(생산성, 환경 영향 등을 위한)을 변형시키고자 유전 공학이 사용된다.

식물로의 유전자 전달과정 식물을 감염시키는 Agrobacterium tumefaciens로부터 Ti 플라스미드가 분리되어 조작됨으로써 식물에 효율적으로 유전자를 전달 시킬 수 있다.

가축생물공학 항응고인자인 안티트롬빈III를 생산하는 형질전환 염소, 형광단백질을 생산하는 형질전환 쥐, 더운 환경에서 사육이 가능한 누드 닭.

7. 유용성과 위험성에 대한 고찰 예기치 못한 위험; SCID-X1중증 면역결핍증에 대한 유전자 치료 줄기세포에 정상적인 IL2RG유전자를 도입하여 유전자 치료에 성공했으나 일부에서 백혈병이 발생하였다. 우생공학(Eugenic Engineering);질병과 상관 없이 바람직한 형질로의 개선에 관한 윤리적인 문제. Ex)슈퍼 휴먼의 출현 문제. 유전자 녹아웃 세포들과 장기 공장; 이종장기이식(xenotransplantation)-돼지의 항원 유전자를 조작함으로써 인간에게 이식할 수 있는 장기 제공종을 넘어선 바이러스 전파에 대한 우려. 프랑켄푸드(Frankenfood); 식품 독성의 문제, 사회정서적 문제, 슈퍼 잡초의 출현 가능성, 과대 광고에 의한 편파적 의견 형성 문제 등등.

유용성과 위험성 유전자 치료를 받은 아이들. SCID, Canavan 등의 질병에 대해 유전자 치료가 행해졌다. 어떤 사람들은 나았고, 어떤 사람들은 사망했으며, 어떤 사람들은 암에 걸렸다.

유전자 녹아웃과 장기공장들 이종장기 이식을 위한 유전공학. 면역계 인식의 원인이 되는 유전자를 제거함으로써 서로 다른 종에게 장기이식을 할 수 있는 날이 올지도 모른다.

8. 새로운 세계를 향하여 유전체학(Genomics)의 발달 구조유전체학-개인의 유전체 서열 분석 및 유전자 지도 작성을 다루는 분야, 비교유전체학-유전체들 사이의 유사성과 차이점을 분석하여 생물집단 사이의 진화적 연관성을 밝힘. 인간 유전자 치료(Human gene therapy); 현재는 결핍 유전자의 전달에 그침 삽입 장소에 따라 더 큰 문제가 생길 가능성 존재. One-to-one swap(일대일 유전자 교환)식 재조합은 아직 미완 상태. DNA칩:유전체 전체에 들어 있는 모든 유전자들을 작은 유리판 위에 차례로 점적한 마이크로어레이(Microarray). 세포 사이의 유전자 발현 양상 차이를 확인하는 데 사용.

DNA Chip DNA chip이라 불리는 DNA microarray. 크기 1.9cm인 이 칩은 효모의 모든 유전자들을 포함하고 있다. 발효 동안 활성화된 유전자(초록)와 호기성 호흡시 활성화된 유전자(적색)들의 발현 양상이 비교될 수 있다.