제5장 유전자 전이의 원리

1. 유전자의 전이 생명체의 가장 경이로운 생명현상 중 하나는 부모를 닮은 새로운 개체를 번식시키는 능력이다. 거의 모든 인류의 역사에서 부모의 형질이 자손으로 전이되는 것을 보고 출생의 신비라고 여겨왔다. 초기인류는 이러한 과정이 어떻게 해서 이루어지는가에 대해서는 알지 못했지만 그들은 이 현상을 선택적 육종에 응용하였다. 우수한 형질을 가진 옥수수 종의 씨앗 만을 파종하거나 인류의 목적에 부합하는 동물을 보존하여 수세대 동안 우수한 유전자의 전이를 통하여 우수한 동식물을 개발하였던 것이다. 그림 5.1 초기 인류는 자손이 그 부모를 닮는다는 것을 주목하였으나 이러한 형질의 전이가 어떻게 일어나는지 알지 못하였다.

사람들은 또한 부모의 특성이 자손으로 전이될 때 종종 그들을 닮지 않는다는 점에 주목하였으며 1800년대 중반 멘델은 이러한 현상에 대하여 최초로 체계적인 실험을 수행하였다. 분리의 법칙 분리의 법칙의 근간이 되는 대립유전자 (allele)는 각 부모가 지닌 형질을 좌우하는 요인으로 생식세포 단계에서 분리되었다가 수정과정을 거치면서 다시 결합한다. 각 부모는 각각의 형질을 결정짓는 유전자를 제공한다는 것이다.

독립의 법칙: 특정형질을 결정짓는 유전자는 다른 유전자와 분리되어 다음 세대로 대물림되며 이러한 분리현상에 의하여 개체 간 차이가 유발된다. 예를 들어, 개체의 색깔, 크기, 모양, 성장률, 번식능력은 모두 분리된 형질이며 어떠한 조합의 형태로도 후대에 전달될 수 있는 것이다.

세포 내의 염색체 제임스 왓슨과 프란시스 크릭은 유전현상의 기본이 되는 DNA 혹은 데옥시리보핵산이라는 소단위가 세포 안에서 어떻게 구성되어 있는가와 복제과정을 발견하였다.

DNA 구조에 대한 단서들 샤가프의 법칙: 구아닌에 대한 아데닌의 상대적 비율은 종에 따라 다르다. 아데닌의 양은 항상 티민과 같고, 구아닌의 양은 시토신과 동일하다. A + G = T + C = 50% 프랭클린의 X-ray 회절상: DNA 구조 내의 원자 집단들의 배열을 해독하는데 중요한 자료를 제공함. DNA 분자내 거리가 2.0 nm, 0.34 nm, 3.4 nm로 반복되어 나타나는 것을 확인

프랭클린의 X-ray회절상 DNA의 지름은 2 nm, 분자 내에서 0.3 4nm 마다 반복되는 배열과 3.4 nm마다 반복되는 배열들을 발견할 수 있다.

웟슨과 크릭의 DNA 모형 철사, 철판, 암나사와 수나사로 만들어진 모형을 제작 나선의 한 회전 속에 정확히 10쌍의 뉴클레오티드가 존재 염기가 쌍을 이루는 특성은 웟슨과 크릭의 주요한 발견

20세기 후반 유전정보의 암호화 및 해독과정 기전을 밝힘 세포 안에서 DNA가 어떻게 기능하는가를 알 수 있게 되었으며 마침내 어떻게 유전자가 후대에 전이되는가에 대해서 이해할 수 있게 되었다. 그림 5.2 특정 DNA 분자의 좌위는 20세기 후반에 밝혀졌다.

2. DNA 서열분석 세포의 핵 안에는 동일한 개체를 만들어낼 수 있는 유전자 암호가 들어있다. DNA는 염기, 당분자, 인, 질소로 엮어진 단위인 뉴클리오티드 (nucleotide)로 구성

뉴클리오티드는 휘어진 긴 사다리 모양과 비슷한 나선구조 서로 연접하는 부위에는 질소가 포함된 아데닌 (A), 티민 (T), 구아닌 (G), 시토신 (C)의 네가지 염기가 사다리의 중앙에 서로 결합된 형태로 존재 아데닌은 티민과 쌍을 이루며 시토신은 구아닌과 쌍을 이룸 인간의 유전자 암호 가운데 가장 짧은 것의 길이는 50염기쌍, 가장 긴 것은 2억5,000만 염기쌍 그림 5.3 DNA는 질소 염기로 연결된 뉴클리오티드 사슬로 이루어져 있다.

>>> 유전자 유전자 (gene)는 개체의 특징이나 형질을 조절하는 뉴클리오티드 서열 어떤 유전자는 동물의 털의 색을 결정하며 다른 유전자는 길이나 구조를 조절한다. 꽃의 색깔, 단백질이나 탄수화물의 양을 조절, 나무의 키 동∙식물의 형질은 그가 지닌 유전자의 범위 안에서 결정된다. 돼지가 최대 10마리를 낳을 수 있을 때 영양공급과 기후조건이 충족되지 않을 때에 10마리를 낳을 수 없게 된다. 하지만 그런 환경적인 요인이 충족된다고 해서 10마리 이상을 낳을 수 있는 것도 아님 그림 5.4 환경적인 요소와 유전적인 요소의 조합으로 동물의 생김새가 결정된다.

유전자형 (genotype); 유전자에 의해 결정되는 요소의 발현 표현형 (phenotype); 환경과 유전암호에 의하여 조절되는 개체의 특징 대립유전자: 특정 형질을 조절하는 유전자 쌍 두 유전자가 동일한 경우에는 동형접합성 (homozygous), 다를 경우 이형접합성 (heterozygous) 퍼넷 사각형 대문자 R은 우성인 붉은색, 소문자 r은 열성형질인 흰색을 나타냄

공동우성: 분꽃의 꽃색 유전에서 붉은색과 흰색이 교배될 때 분홍꽃이 나옴 우열의 법칙에는 예외가 존재함 공동우성: 분꽃의 꽃색 유전에서 붉은색과 흰색이 교배될 때 분홍꽃이 나옴 단각소의 유전: 순수혈통의 단각소는 붉은색 (RR), 흰색 (WW) 또는 밤회색이다. 밤회색 또는 반점을 띠는 소는 붉은색과 흰색 모두 (RW)를 지니고 있다. 상위효과 (epistasis); 대립유전자가 아닌 유전자들의 상호작용에 의하여 본래의 유전자를 암호화하지 않고 다른 형태로 그 형질이 나타나는 것 그림 5.5 밤회색 단각우의 부모 중 하나는 붉은색이며, 나머지 하나는 흰색이다.

유전자의 복합적 발현; 특정 형질을 결정짓는 유전자가 하나 이상이라는 뜻 산유량은 몇 가지 유전자 쌍에 의하여 조절되는 좋은 예 산유량의 조절: 모체의 크기와 부피, 적당한 양의 호르몬을 분비시킬 수 있는 능력, 유선의 크기와 기능 등은 다른 유전자 쌍에 의하여 결정된다. 그림 5.6 어미돼지의 산유능력은 다양한 유전적 요인에 의하여 조절된다.

3. 염색체 유전자는 고밀도체인 염새체 내에 집단을 이루고 있다. 거의 모든 식물과 동물은 각 부모로부터 각각 절반씩의 염색체를 물려받아 총 두 세트의 염색체를 지닌다. 염색체 쌍 중 하나는 성을 결정짓는 염색체이다. 그림 5.7 유전자는 세포 핵 안에 존재하는 고밀도체인 염색체 안에 집단으로 존재한다.

거의 모든 고등동물에서 암컷은 XX 염색체를, 수컷은 XY 염색체를 지닌다. 그림 5.8A 수컷 염색체이며, X와 Y 염색체를 가지고 있다. 그림 5.8B 암컷 염색체이며, 두 개의 X 염색체를 가지고 있다.

>>> RNA와 전사 및 번역과정 세포가 분열할 때 유전물질은 새로운 세포로 전이된다. 유전물질은 염색체의 DNA로 암호화되어 있다.

전사(transcription): 세포의 유전정보는 전령RNA라는 RNA로 복제 혹은 전이 유전자 코드는 단백질을 형성시키는 데 필요한 유전정보를 지니는 RNA (ribonucleic acid)라는 물질을 이용하여 복제된다. 전사(transcription): 세포의 유전정보는 전령RNA라는 RNA로 복제 혹은 전이 전령RNA는 핵을 빠져나와 세포질로 이동, 특정 아미노산을 암호화하여 단백질 만듦 그림 5.9 DNA의 전이는 몇 가지 종류의 핵산(RNA)에 의하여 수행된다.

세포질 안에서 유전정보는 전달RNA라는 또 다른 형태의 RNA에 의하여 아미노산으로 번역 (translation) 번역은 유전정보를 해독하여 정보를 사용하는 과정 세포 안에서 이 정보는 리보솜이라고 불리는 세포소기관으로 이동되어 이 안에 존재하는 리보솜 RNA에 의하여 아미노산을 생성시킨다. 그림 5.9 DNA의 전이는 몇 가지 종류의 핵산(RNA)에 의하여 수행된다.

아미노산은 단백질을 이루는 블록이며 모든 개체는 단백질로 구성되어 있다. 거의 모든 고등동물은 약 100,000 종류 가량의 단백질로 이루어져 있다. 각 아미노산의 유전정보는 코돈 (codon)이라고 불리는 세 개의 뉴클리오티드 안에 들어 있으며 이는 세포 안에서 특정 아미노산을 만들도록 한다. 전체 게놈 (genome) 중 약 10%만이 아미노산을 생성시킬 수 있는 코돈을 지니고 있다고 알려져 있다. 엑손 (exon; 암호화 영역), 인트론 (intron; 비암호와 영역) 게놈 내부에는 암호화 능력이 없는 다른 영역이 존재하며 이러한 영역의 목적은 아직 명확하게 알려져 있지 않다. 그림 5.10 각 아미노산의 유전자 코드는 특정 아미노산을 지정하는 코돈이라 불리는 3개의 연속된 뉴클리오티드 안에 담겨 있다.

유전암호와 아미노산 유전암호의 수는 아미노산 수보다 많다  암호의 redundancy(즉, 여러 암호가 하나의 아미노산을 지정할 수 있다) 64개 중 하나는 개시코돈(AUG), 3 개는 아미노산을 지정하지 않으며 번역을 끝내는 종결암호(UAA, UAG, UGA)로 사용된다. 미토콘드리아는 약간 다른 암호체계를 갖는다.

mRNA전사체의 번역(코돈 암호해독) DNA 삼중자 암호(triplet code)와 번역과정 : 이들 암호는 단백질에 위치할 아미노산들을 지정함으로써 단백질의 아미노산 순서를 결정하게 된다.

4. 유전자 지도 작성 염색체에 배열되어 있는 뉴클리오티드 서열은 한 개체의 형질을 조절하는 유전자 코드이며 세대 간 전이된다. 1980~90년대 과학자들은 한 개체의 모든 유전자와 염색체의 뉴클리오티드 서열이 어떻게 배열되어 있는가를 밝히는데 몰두하였다. 만약 우리가 유전적 질환을 일으키는 유전자를 정확하게 알 수 있다면 그 특정 유전자를 치료하여 질병을 퇴치할 수 있게 되는 것이다. 인간 게놈 지도 작성, 즉 인간의 DNA 서열분석은 유전자 좌위를 찾아내는 것에 초점을 맞추어 시행된 거대한 프로젝트의 결과물로 2001년에 완성되었다. 그림 5.11 이 컴퓨터 화면에는 DNA 배열을 보여주고 있다. 이러한 배열은 게놈의 지도작성에 사용된다.

모든 인간이 99.9%가 동일한 서열의 유전자를 지닌다는 사실이 밝혀지면서, 인종 간 서열의 차이를 둘러싼 논쟁은 끝이 났다. (의문점) 인간의 유전정보 서열이 거의 동일한데도 불구하고 왜 인간 개개인은 서로 다른가? 모든 인간 게놈은 30억 염기쌍으로 구성되고 0.1%에 해당하는 300만개의 염기에서 나오는 각 개인 간의 다양한 차이 염색체의 암호화 부위의 큰 영역이 매우 적은 수의 유전자를 암호화한다는 풀리지 않는 의문 그림 5.12 한 유전자는 엑손이라 불리는 암호화 영역과 인트론이라 불리는 비암호화 영역으로 구성된다.

과학자들은 인간 30억 염기쌍에서 약 100,000~150,000개의 유전자가 존재할 것으로 예상 34,000개의 유전자만 존재한다는 것을 알게 된 뒤 매우 놀랐다. 비암호화부위도 유전자 전이과정에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 서열 중에는 특정 유전자의 발현 여부를 조절하는 조절서열 부위가 존재한다. 이러한 조절자는 언제 복제를 중지할지 명령하거나, 혹은 효소의 분비를 제어하거나 그 밖의 여러 조절기전을 담당한다. 우리가 신체 각각의 형질을 조절하는 특정 유전자를 정확하게 찾아낼 수 있다면 우리는 유전병 및 기타 다른 난치병의 원인을 알 수 있게 될 것이다. 그림 5.13 각각의 다양한 형질을 조절하는 특정 유전자를 찾을 수 있게 된다면, 우리는 유전형질의 비밀을 풀 수 있을 것이다.

RNA 분자의 가공과정 변형1. 변형2. 변형3. 스플라이싱(splicing)