Chapter 8 유전자 기능

세포는 어떻게 유전정보에 접근할 수 있는가? 세포분열시 딸세포는 DNA 복제를 통해 완전한 한 세트의 유전정보를 모세포로부터 받는다 유전정보 보존. 그럼 유전정보를 이용하는 방법은? 전사 (Transcription): DNA로부터 RNA를 만드는 과정으로 DNA 이중나선 중 한 가닥이 주형으로 이용된다. 해독 (Translation): mRNA에 있는 유전정보를 이용해 단백질을 만드는 과정 Central dogma: 핵산으로부터 단백질로 정보가 이동한다 (왓슨&크릭)

RNA 는 유전정보를 전달하는데 매우 중요한 역할. DNA와는 몇 가지 다른 점을 가진다.

DNA vs. RNA

표 11.1

단세포 생물의 경우 어떤 유전자는 끊임없이 전사되어야 한다. 에너지의 생성반응을 주도하는 효소와 같은 삶에 필수적인 단백질을 암호화 하는 유전자는 지속적으로 전사. 반면에 환경의 변화에 대응하여 생존할 수 있게 해주는 유전자들은 특정 조건하에서만 전사. 세포는 정교한 전사조절 기능을 가진다.

세균은 오페론을 이용하여 유전자의 발현을 조절한다. 1961년 제이콥, 모노드: 젖당이 있을 때만 효소생산 대장균, 무언가가 정확히 조절. 젖당은 유전자의 발현을 자극: 젖당은 발현 억제자 (repressor) 에 결합 그 억제효과를 없앰. 억제자(repressor): 작동자에 붙어 작동기능 억제. 작동자(operator):유전자의 조절부위에 붙어 전사가 일어나게 오페론(operon):젖당 대사과정에 필요한 효소를 생성하는 유전자와 조절부위를 합해서.

operator

세균에서 오페론 조절은 유전자의 전사를 촉진하거나 억제하는 스위치 역할. 다세포 진핵생물은 더 복잡. 다세포 생명체는 전사인자를 이용하여 유전자의 발현을 조절한다. Transcription factor (전사인자): 외부 신호에 의해 전사인자 활성화되면 전사인자와 RNA 중합효소와 복합체를 형성 유전자 발현 프로모터(promoter): 유전자의 전사를 조절하는 DNA 부분. RNA 중합효소가 붙는 지역. RNA polymerase: RNA를 합성하는 효소

전사인자가 붙는 DNA 서열은 가까이 또는 40kb떨어져 있다. 나선-턴-나선 (Helix-turn-helix), 아연손 (Zinc finger), 루신지퍼 (leucine zipper): -이들이 잘못되면 암과 같은 질환이 생긴다.

전사인자의 DNA 부착

전사과정 RNA 중합효소는 유전자의 전사를 시작하기 위해 DNA의 특정장소에 붙는다 =>이 지역을 프로모터라 한다. 일부 전사인자는 RNA 중합효소가 오기 전에 프로모터에 붙어 RNA 중합효소가 붙을 수 있도록 돕는다. TATA박스

RNA, DNA 주형, DNA 코딩가닥 DNA 복제처럼 전사도 상보적 염기쌍 DNA주형의 3’에서 5’방향으로 RNA는 5’에서 3’으로

3’-CCTAGCTAC-5’ 5’-GGATCGATG-3’ 5’-GGAUCGAUG-3’

하나의 DNA 주형가닥으로 여러 개의 RNA가 동시에 만들어 질 수 있다.

RNA 는 단백질 합성을 총괄한다. RNA가 합성되면 RNA는 자체 분자 내에서 상보적 염기쌍을 이루어 3차 구조를 형성한다. 이러한 구조가 RNA의 기능을 결정.

RNA의 유형 mRNA: 단백질 합성을 위한 정보를 전달. 대부분 500-3000개의 뉴클레오티드 rRNA: 100-3000개의 뉴클레오티드, 단백질과 함께 리보솜을 형성. -단백질 합성시 구조적인 지지. -두 개의 소단위, 세포질에서 떨어져 있다가 단백질 합성시 합쳐진다. -아미노산 사이의 펩티드결합을 도우며, 리보솜과 mRNA가 정확하게 위치하도록 돕는다.

리보솜

tRNA: 한 쪽은 mRNA 코돈에 붙고 다른 쪽은 특정 아미노산에 붙는 연결자 이다

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RNA의 유형

RNA 성숙과정 원핵생물에서는 DNA가 RNA로 전사되자마자 바로 단백질로 된다. 이는 이 두 과정을 분리하는 핵이 없기 때문 진핵세포는 RNA 성숙과정: 1. Cap: 짧게 변형된 뉴클레오티드 서열로 구성, 5’ 말단에 부착. 2. 폴리 A 꼬리: 3’ 말단에 100-200개의 아데닌이 첨가, mRNA가 핵에서 나오는 것을 용이하게 해줌. 해독이 잘 일어나게 도와줌.

3. 인트론이 제거된다. 인트론: RNA로는 전사되지만 해독되지 않는 염기서열. 65-100000 염기쌍. 사람의 경우 콜라겐 유전자는 50개의 인트론을 가진다. -유전자 마다 다르다. -유전자 발현과 재조합에 관여하는 것으로 알려짐. -DNA 복제될 때 실수가 없도록 점검 스플라이싱: 인트론 제거 엑손: 해독되는 RNA 부분

DNA 가 복제될 때 실수가 없도록 점검하는 것처럼, 새롭게 만들어진 RNA 분자에도 이상이 없는지를 점검한다. 예: 너무 짧은 mRNA는 핵을 빠져 나오지 못하도록, tRNA는 정확한 구조인지, 아미노산이 붙는 CCA가 있는지 등.

세포는 유전정보를 가지고 어떻게 단백질을 만들어 가는가? 전사의 다음 단계는 해독, 염기로 된 유전정보를 특정 아미노산으로 바꾸어 준다. 특정 mRNA 코돈은 특정 아미노산을 불러온다. mRNA와 단백질의 화학적 언어 사이의 일치성을 유전암호 (genetic code)라 한다.

그림 11. 11

세포는 유전정보를 가지고 어떻게 단백질을 만들어 가는가? 아미노산의 수 20개, mRNA 염기수 4개, 즉 코돈은 적어도 mRNA 염기 한 개 이상으로 되어야만 한다. 만약 mRNA 염기 하나로만 코돈이 정해진다면? 코돈이 두 개의 염기로 정해진다면? 세 개는? 서로 다른 20개의 아미노산을 지정하기 위해서는 적어도 세 개 이상?

프란시스 크릭과 연구원들은 유전코드의 트리플렛 (triplet) 성질을 확인하기 위해 실험. 염기서열과 단백질 생성물을 알고 있는 유전자 내에 하나, 둘, 세 개의 염기를 더해 나갔다. 하나 또는 두 개의 염기 첨가로 변형된 염기서열은 다른 아미노산 서열이 되게 함. 하지만 세 개를 첨가하거나 뺀 경우는 첨가 또는 제거된 염기에 해당되는 아미노산을 제외하고 나머지가 본래의 아미노산 서열로 되돌아 옴.

프란시스 크릭 유전코드의 트리플렛 성질 확인실험

유전암호는 염기서열을 중복하여 사용하는가? AUCAGUCUA, 세 개의 코돈 가능 만약 중복된다면? 7개의 코돈 가능 만약 중복된다면 제한된 염기수에 최대의 유전정보를 저장가능. 하지만 특정 아미노산 뒤에 항상 어떤 아미노산 뒤에 오기 때문에 단백질의 다양성이 제한될 수 있다. 예: AUC 경우에 중복시 AUC 코돈 다음에는 항상 UC로 시작되는 코돈이 와야 한다. 하지만 아미노산은 꼭 다른 아미노산 뒤에 오는 규칙은 없다.

mRNA는 아미노산을 불러오는 유전정보 외에 또 어떤 특징을 갖는가? AUG 시작, UGA, UAA, UAG 종결코돈 또한 mRNA 5’ 쪽에 해독되지 않는 선도서열 (leader sequence) 가 있고 원핵세포에서 이러한 선도서열이 rRNA 과 수소결합 (샤인달가노 서열), 3’ 위치에도 해독되지 않는 부분이 있다.

어느 코돈이 어떤 아미노산을 지정하는가? 1961년에 실험을 통해 코돈과 아미노산과의 관계를 확인.

어느 코돈이 어떤 아미노산을 지정하는가? 합성된 UUUUUUUU 페닐알라닌으로만 구성된 폴리텝티드 형성, 그리고 항상 페닐 알라닌의 수는 mRNA 염기수의 1/3 =>트리플렛, 중복되지 않는다.

AAAAAAA…  리신 GGGGGG…  글리신 CCCCCC…  프롤린 등등 AUAUAUAU…  코돈 AUA 와 UAU를 지닌다. 아이소루신과 타이로신. 하지만 무엇이 무엇인지를 몰랐다. UUUAUAUUUAUA로 확인. 즉 UUU는 페닐 알라닌, 아이소루신은 AUA, 그리고 UAU는 타이로신 결론.

표 11. 3

표 11. 4

단백질 합성과정 단백질 합성을 위해 mRNA, 아미노산을 운반하는 tRNA, 리보솜, ATP와 GTP, 그리고 다양한 단백질 인자들이 필요. 작은 리보솜 소단위에 있는 짧은 rRNA 서열과 mRNA선도서열이 수소결합. 아미노산을 지정하는 시작코돈은 AUG, 메티오닌을 운반하는 tRNA가 온다. 이것에 결합되어 있는 mRNA, 그리고 메티오닌을 달고 있는 개시 tRNA가 개시복합체를 형성.

짧은 rRNA서열과 mRNA 수소결합 개시복합체 형성

해독의 다음 단계인 신장 (elongation)을 시작하기 위해 큰 리보솜 소단위가 개시복합체에 붙는다. 두 번째 아미노산이 메티오닌과 정렬한다. 이들 사이에 펩티드 결합형성, 첫 번째 tRNA가 떨어져 나온다 (후에 재활용 된다) 다음 단계로 리보솜이 mRNA를 따라 코돈을 하나씩 움직이면서 세 번째 tRNA가 더해진다.

elongation peptide

리보솜이 mRNA의 종결코돈 (UGA, UAG, UAA)에 닿으면 방출인자가 종결코돈에 결합, 신장이 중지된다. 일반적으로 종결코돈을 인지하는 tRNA는 없다 (돌연변이 는 예외).

Release factor

단백질 합성은 경제적이다. 세포는 하나 또는 두 개의 유전자 복사본에서 다량의 특정 단백질을 생산할 수 있다. 인간의 면역계의 플라즈마 세포는 1초에 2000개의 동일한 항체 단백질을 생성. 이를 위해서는 다량의 RNA, 리보솜, 효소 등이 끊임없이 공급되어야. 하나의 mRNA에서 많은 양의 단백질이 만들어 질 수 있다.

다량의 단백질 복사본 만들기

단백질의 구조형성 아미노산의 서열로만은 기능적인 단백질의 구조를 형성하기에 충분하지 않다. 다른 단백질의 도움필요. 샤페론 단백질: 다른 단백질의 구조형성을 도와주는 단백질 DNA 복제 오류가 회복효소에 의해 교정되는 것처럼 단백질도 잘못 접혀서 구조가 잘못되면 교정을 받는다. 구조가 잘못되면 기능상실가능-->질환 예: 낭포성섬유증: 구조가 잘못되어서 세포막에 정착되지 못한다. 세포막에서 염소이온의 흐름을 조절. 알츠하이머: 아밀로이드 단백질의 부적절한 구조로 광우병: 프리온 단백질 입자가 비정상적으로 응집

인슐린은 처음에 80개의 아미노산, 단백질 분해효소에 의해 51개 아미노산으로 바뀌어야 기능단백질이 된다. 헤모글로빈은 4개의 글로빈이 합쳐져야 기능.