DNA FUNCTION AND GENE EXPRESSION 생물학개론 14주차 강의

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1 DNA FUNCTION AND GENE EXPRESSION 생물학개론 14주차 강의
It is difficult to come up with a single definition of life.

2 DNA 기능과 유전자 발현 RNA는 단백질 합성을 총괄 – 전사 (Transcription)
유전정보로부터 단백질 합성 – 번역 (Translation) 돌연변이- 잘못된 유전정보 겸상적혈구 빈혈증 (Sickle cell anemia)

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

4 전사과정 RNA 중합효소는 유전자의 전사를 시작하기 위해 DNA의 특정장소에 붙는다 =>이 지역을 프로모터라 한다.
일부 전사인자는 RNA 중합효소가 오기 전에 프로모 터에 붙어 RNA 중합효소가 붙을 수 있도록 돕는다. TATA박스 DNA 복제처럼 전사도 상보적 염기쌍 DNA주형의 3’에서 5’방향으로 RNA는 5’에서 3’으로 합성

5 RNA의 유형 mRNA: 단백질 합성을 위한 정보를 전달. 대 부분 500-3000개의 뉴클레오티드
rRNA: 개의 뉴클레오티드, 단백질 과 함께 리보솜을 형성. - 단백질 합성시 구조적인 지지. - 두 개의 소단위, 세포질에서 떨어져 있다가 단 백질 합성시 합쳐진다. - 아미노산 사이의 펩티드결합을 도우며, 리보 솜과 mRNA가 정확하게 위치하도록 돕는다.

6 아미노산의 수 20개, mRNA 염기수 4개, 즉 코 돈은 적어도 mRNA 염기 한 개 이상으로 되어 야만 한다.
세포는 유전정보를 가지고 어떻게 단백질을 만들어 가는가? 아미노산의 수 20개, mRNA 염기수 4개, 즉 코 돈은 적어도 mRNA 염기 한 개 이상으로 되어 야만 한다. 만약 mRNA 염기 하나로만 코돈이 정해진다면? 코돈이 두 개의 염기로 정해진다면? 세 개는? 서로 다른 20개의 아미노산을 지정하기 위해서 는 적어도 세 개 이상? 네 개의 아미노산만 지정 가능 16개 다른 아미노산 가능.

7 프란시스 크릭 유전코드의 트리플렛 성질 확인실험
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.

8 유전암호는 염기서열을 중복하여 사용하는가? AUCAGUCUA, 세개의 코돈 만약 중복된다면? 7개의 코돈
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.

9 유전암호의 특징 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.

10 어느 코돈이 어떤 아미노산을 지정하는가? 1961년에 실험을 통해 코돈과 아미노산과의 관계를 확인
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 타 이로신. 하지만 무엇이 무엇인지를 몰랐다. UUUAUAUUUAUA로 확인. 즉 UUU는 페닐 알라닌, 아이소루신 은 AUA, 그리고 UAU는 타이로신 결론.

11 유전암호 Genetic Code

12 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.

13 단백질 합성과정 4. 해독의 다음 단계인 신장 (elongation)을 시작하기 위해 큰 리보솜 소단위가 개시복합체에 붙는다.
5. 두 번째 아미노산이 메티오닌과 정렬한다. 이들 사이에 펩티드 결합형성, 첫 번째 tRNA가 떨어져 나온다 (후에 재활용 된다) 6. 다음 단계로 리보솜이 mRNA를 따라 코돈을 하나씩 움직이면서 세 번째 tRNA가 더해진다. 7. 리보솜이 mRNA의 종결코돈 (UGA, UAG, UAA)에 닿으면 방출인자가 종결코돈에 결합, 신장이 중지된다.일반적으로 종결코돈을 인지하는 tRNA는 없다 (돌연변이 는 예외).

14 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.

15 단백질의 구조형성 아미노산의 서열로만은 기능적인 단백질의 구조를 형성 하기에 충분하지 않다. 다른 단백질의 도움필요.
샤페론 단백질: 다른 단백질의 구조형성을 도와주는 단 백질 DNA 복제 오류가 회복효소에 의해 교정되는 것처럼 단 백질도 잘못 접혀서 구조가 잘못되면 교정을 받는다. 구 조가 잘못되면 기능상실가능-->질환 예: 낭포성섬유증: 구조가 잘못되어서 세포막에 정착되지 못한 다. 세포막에서 염소이온의 흐름을 조절. 알츠하이머: 아밀로이드 단백질의 부적절한 구조로 광우병: 프리온 단백질 입자가 비정상적으로 응집

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

17 단백질의 구조 우리는 전체 DNA 서열을 다 파악해도 단백질의 모양을 지정하는 규칙은 알지 못한다.
GenBank는 유전자 서열, 단백질 서열 정보를 모은다. 여러 정보를 조합해서 새로운 분자의 기능을 추측할 수 있다. 유전체학의 데이타베이스. 예: 세포막에 위치한 단백질은 특정 아미노산들이 서로 수소결합을 해서 형성한 7개의 특이한 루프로 세포막 에 끼어들어가 있다. 따라서 새로운 단백질이 이러한 7개의 루프를 지닌다 면?

18 돌연변이-잘못된 유전정보 돌연변이: 유전물질에 물리적인 변화
염기 하나의 치환, 또는 그 이상의 DNA 뉴클레오타이 드가 삽입하거나 삭제, 또는 염색체의 사이의 교차 돌연변이는 아미노산을 암호화하는 유전자 부분, 전사 를 조절하는 부위, 인트론 또는 스플라이싱 후 엑손을 연결하는 중요한 부위 등에서 일어날 수 있다. 침묵돌연변이: DNA 변이가 표현형에 영향을 미치지 못하는 변이 어떤 것은 질환은 유발하지 않지만 개인의 성향을 다 르게 만들 수 있다. 돌연변이를 통해 다양한 자손을 만들어 진화를 가능

19 돌연변이의 원인은? 자연적, 화학약품 또는 방사능 Mutagen: 돌연변이 유발물질
정상키 부모, 우성인 난쟁이를 가지는 이유? 돌연변이 빈도: 기관, 유전자에 따라 다르다. 복잡한 기관 보다는 세균이나 바이러스에서 돌연변이가 더 빈 번히 일어난다. 이유는 DNA가 더 자주 복제되기 때문 유전자가 커도 더 자주 일어난다. DNA서열이 GCGCGC처럼 반복적 일 때 더 일어난다.

20 돌연변이 유발물질 알킬화 물질: 염기를 변형시켜 염기쌍을 다르게 맺는다. Mismatch유도
어떤 물질은 뉴클레오타이드 삽입 또는 제거 방사선은 DNA를 자르거나 티민 이중체 형성 유해한 환경에 노출, 우주에서 오는 우주선, 방사선, 원 자폭탄, 체르노빌 에임즈테스트: 배양액에서 세포를 이용하여 돌연변이 측정 90%의 돌연변이 유발물질은 암을 유발한다. Alkylation is the transfer of an alkyl group from one molecule to another. An alkyl is a univalent radical containing only carbon and hydrogen atoms arranged in a chain

21 돌연변이 유형 생식세포 돌연변이: 체세포 돌연변이: 점 돌연변이: DNA 염기 하나가 변한 것.
-Missense: 특정한 아미노산을 암호화하는 코돈을 다른 아미 노산을 암호화 하는 코돈으로 바꾼다. 중요한 위치에 일어나면 문제. 구조 기능 등 -Nonsense: 염기 하나의 돌연변이로 아미노산을 지정하는 코 돈을 종결코돈으로 바꾼다. 3의 배수가 아닌 염기가 첨가 또는 삭제. Reading frame을 파괴  틀 돌연변이 frameshift mutation

22 반복염기서열 변화 예) 이영양성근긴장증(myotonic dystrophy): 할아버지 세대에 는 팔뚝에 미미한 허약함. 딸 세대는 팔 다리의 허약함, 자손들은 심각한 근육이상. 염색체 19번에 CTG 염기서열이 늘어나면서 생김 정상인은 2-28개, 질환은 28-50개로 증가. 예: 헌팅턴병, X 염색체 약화증: 헌팅턴병은 GTC 반복, 비정상 적 단백질은 뇌세포의 핵에 섬유성 괴종을 형성 전이인자(transposable elements): 인간의 게놈의 10%. DNA 가 유전자 사이를 옮겨 다니면서 다른 유전자의 발현을 억제. 바 이러스도 같은 작용이므로 포함.

23 돌연변이에 대한 자연적인 방어전략 유전암호가 돌연변이 효과를 최소화
아미노산 20종류. 코돈은 종결코돈을 제외하고 61개가 있어서 여유코돈이 존재. 동일한 아미노산을 암호화하는 다른 코돈을 퇴화코돈 (degenerate codon) 이라 한다. 코돈의 세 번째 위치에서의 염기가 변해도 같은 아미노 산을 지정. 예) CAA와 CAG 모두 글루타민을 지정 코돈의 두 번째 염기가 바뀌더라도 종종 유사한 구조를 갖는 아미노산을 불러와 단백질 구조의 변화를 최소화 또 단백질의 기능에 치명적인 부위에 일어난 변화가 아 니라면 표현형에 크게 영향을 미치지 않을 수 도 있다.