제11장 유전공학 해파리의 초록형광단백질(green fluorescent protein)을 이용하면 엽록체가 서로 연결되어 있는 것을 볼 수 있다.

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1 제11장 유전공학 해파리의 초록형광단백질(green fluorescent protein)을 이용하면 엽록체가 서로 연결되어 있는 것을 볼 수 있다.

2 11.1 DNA 변형과 조작을 위한 분자적 도구들 (1) 유전자를 자르고 붙이기 위해서 제한효소와 연결효소가 이용된다 어떻게 수십억 개의 염기쌍으로 이루어진 전체 유전체에서 특정 유전자를 발견하고 분리해낼 수 있을까? 어떻게 수천 개의 가능성 중에서 하나의 정확한 유전자를 식별할 수 있을까? 어떻게 유전자를 어떤 세포로부터 다른 세포로 이동시킬 수 있을까?

3 11.1 DNA 변형과 조작을 위한 분자적 도구들 (1) 유전자를 자르고 붙이기 위해서 제한효소와 연결효소가 이용된다 제한 핵산분해 효소, 제한효소 (restriction enzyme): 박테리아로 침투한 바이러스 DNA를 파괴하기 위해 박테리아의 효소들이 바이러스의 증식을 제한하며, DNA 가닥에서 매우 특이적인 곳을 자르는 것을 발견 역상보성 염기서열(palindrome): 방향을 뒤집어서 읽어도 똑같은 서열을 하고 있는 구조 점착성 말단(sticky end) DNA 연결효소 (ligase)를 첨가해주면 DNA 뼈대에 남아 있는 틈 (nick)을 메워줄 수 있다. 어떤 종류의 DNA들이라도 잘라내어 다른 어떤 종류의 DNA에도 붙임 그림 11.1 DNA 재조합. 제한효소는 DNA의 특정한 염기서열 부위를 자름으로써 󰡐점착성 말단󰡑을 형성한다. (A) EcoRI 효소는 GAATTC 염기서열의 G와 A 사이를 자른다. (B) 이렇게 엇갈리게 자른 모양은 AATT 염기서열로 이루어진 ‘점착성 말단’을 이룬다. (C) 서로 다른 두 종류의 DNA를 같은 제한효소로 자른 다음, 그 조작들을 서로 연결하여 재조합 DNA를 만든다.

4 11.1 DNA 변형과 조작을 위한 분자적 도구들 (2) 역전사효소는 mRNA로부터 DNA를 만든다 잘린 유전체 조각들 중에서 관심 있는 부위를 찾아내는 일은 간단한 일이 아님. 관심있는 단백질에 대한 유전자를 얻는 또 다른 방법은 레트로바이러스 (retrovirus)라고 불리는 일종의 바이러스에서 유래된 매우 특이적인 효소를 이용한다. 이 바이러스는 대부분의 생명체에서 이용되는 이중가닥 DNA 대신 단일가닥 RNA로 이루어진 유전체를 가지고 있다. 역전사효소 (reverse transcriptase)라고 불리는 효소는 단일가닥 RNA를 주형으로 이용하여 DNA 복제할 때와 유사한 방식으로 정확하게 염기서열이 일치하는 이중가닥 DNA를 합성한다. 이렇게 만들어진 DNA를 유전체 DNA와 구분하기 위하여 상보적 DNA (complementary DNA, cDNA)라고 부른다.

5 11.1 DNA 변형과 조작을 위한 분자적 도구들 (2) 역전사효소는 mRNA로부터 DNA를 만든다

6 11.1 DNA 변형과 조작을 위한 분자적 도구들 (3) 벡터는 클로닝과 유전자 발현을 위한 분자적 도구이다 벡터 (vector)는 수백만 개의 복제본 DNA- 이런 복제본을 클론 (clone)-를 만들어 낼 수 있는 클로닝 벡터 (cloning vector) 박테리아들은 플라스미드 (plasmid)라고 하는 작은 원형의 DNA 조각을 가지고 있음을 발견 재조합 플라스미드가 숙주세포에 들어가면, 그것은 수백 개의 유전자 클론으로 복제될 것이다. 발현벡터 (expression vector)들은 어떤 단백질들이라도 매우 많은 양으로 발현시킬 수 있다. 그림 11.2 플라스미드. 플라스미드는 몇몇 생명체의 세포에서 자연적으로 존재하는 작은 원형의 DNA 분자이다. 플라스미드는 그 속에 어떤 DNA가 포함되어 있더라도 염색체와는 독립적으로 복제될 수 있다. 이러한 이유로 플라스미드는 어떤 세포로부터 다른 종의 세포로 DNA를 실어 나르는 물체인 벡터로 이용하기에 매우 적합하다.

7 11.1 DNA 변형과 조작을 위한 분자적 도구들 (4) 유전자 클로닝 실험 설계하기
공여자 DNA 또는 플라스미드 DNA로부터 재조합 DNA를 분리해낼 수 있도록 재조합 DNA 실험을 계획하였다. 인슐린, 혈액응고인자, 면역계 관련 생화학물질들, 생식호르몬 등 그림 11.3 재조합 DNA. 재조합 DNA 분자를 만들기 위해서는 플라스미드와 공여자 세포로부터 추출된 DNA를 같은 제한효소로 자른 다음 함께 섞는다. 이때 몇몇의 공여자 DNA 분자의 점착성 말단은 플라스미드의 점착성 말단과 수소결합을 하여 재조합 DNA 분자를 형성한다. 이런 재조합 플라스미드는 박테리아 속으로 들어가면 박테리아가 분열할 때마다 대량으로 복제된다.

8 + 개념정리 제한효소는 DNA를 매우 특이적인 방식으로 자른다. DNA 연결효소는 DNA 조각들을 서로 붙인다. 역전사효소는 관심 있는 유전자를 포함하고 있는 특정 DNA 부위에 대한 복제본을 mRNA로부터 얻을 수 있는 방법이다. 플라스미드는 원하는 유전자를 숙주세포로 운반하고 그 속에서 유지시켜줄 수 있는 벡터이다. 플라스미드는 원하는 단백질을 대량으로 발현시키기 위해 이용될 수 있다.

9 11.2 중합효소 연쇄반응(PCR)과 DNA 증폭 (1) PCR은 매우 빠른 복제주기를 반복하여 DNA를 증폭한다 중합효소 연쇄반응 (polymerase chain reaction, PCR)은 원하는 DNA 염기서열을 빠르게 수백만 벌 복제해낼 수 있다. DNA 복제에 필요한 프라이머 (primer)로 작용할 수 있는 짧은 조각은 쉽게 만들 수 있다. 그림 11.4 특정 DNA 서열의 증폭. PCR에서는 관심 있는 DNA 서열에 특이적으로 결합하는 특정 프라이머들이 증폭하고자 하는 DNA 서열 부위를 표시해주는 경계 역할을 한다. 이러한 프라이머들과 DNA 중합효소 그리고 무수히 많은 뉴클레오티드들을 이용하여, 이 반응으로 표적 DNA 염기서열을 매우 빠르게 수백만 벌 복제할 수 있다.

10 11.2 중합효소 연쇄반응(PCR)과 DNA 증폭 (1) PCR은 매우 빠른 복제주기를 반복하여 DNA를 증폭한다 매우 미량의 특정 개체로부터 추출된 DNA, 적게는 세포 하나로부터 추출된 양으로도 증폭이 가능하다. 증폭을 원하는 표적 DNA에 대한 부분적인 염기서열 정보 표적 염기서열 부위의 양끝을 인식하는 다량의 프라이머 두 종류 그림 11.4 특정 DNA 서열의 증폭. PCR에서는 관심 있는 DNA 서열에 특이적으로 결합하는 특정 프라이머들이 증폭하고자 하는 DNA 서열 부위를 표시해주는 경계 역할을 한다. 이러한 프라이머들과 DNA 중합효소 그리고 무수히 많은 뉴클레오티드들을 이용하여, 이 반응으로 표적 DNA 염기서열을 매우 빠르게 수백만 벌 복제할 수 있다.

11 11.2 중합효소 연쇄반응(PCR)과 DNA 증폭 다량의 뉴클레오티드 네 종류
온천에서 사는 박테리아인 Thermus aquaticus로부터 유래된 DNA 중합효소인 TaqI. 이 효소는 높은 온도의 자연환경에 잘 적응하였기 때문에 PCR을 쉽게 해준다. 왜냐하면, 열을 가하더라도 이 효소는 DNA로부터 떨어져 나오지 않기 때문이다. 그림 11.4 특정 DNA 서열의 증폭. PCR에서는 관심 있는 DNA 서열에 특이적으로 결합하는 특정 프라이머들이 증폭하고자 하는 DNA 서열 부위를 표시해주는 경계 역할을 한다. 이러한 프라이머들과 DNA 중합효소 그리고 무수히 많은 뉴클레오티드들을 이용하여, 이 반응으로 표적 DNA 염기서열을 매우 빠르게 수백만 벌 복제할 수 있다.

12 11.2 PCR과 DNA 증폭 과학수사, 농업, 수의학, 환경과학 및 인간의 건강, 질병 원인 유전자 등
(2) 매우 적은 양의 DNA를 이용해서도 PCR을 통해 원하는 부위만 증폭할 수 있다 과학수사, 농업, 수의학, 환경과학 및 인간의 건강, 질병 원인 유전자 등

13 + 개념정리 PCR은 DNA를 분석하기 위한 강력한 방법으로 검증되었다. 단지 세포 하나로부터도 특정 DNA 부위가 검출될 수 있다. DNA는 연구를 위해서나 클로닝을 위해서 증폭될 수 있다.

14 11.3 DNA의 분리 및 분석 (1) 젤 전기영동을 통해 서로 다른 크기의 DNA 조각들을 분리할 수 있다 DNA는 음전하를 띠고 있는 인산기 덕분에 전기장에서 양극 쪽으로 움직이는 성질이 있다. 이것이 전기영동(electrophoresis)의 원리이다. 아가로스 젤(agarose gel)이라는 반액체성(semi liquid) 매질을 사용한다. 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide)는 염기 하나의 차이처럼 미세한 크기 차이에 의해 DNA를 분리할 때 사용된다. 그림 11.5 살인사건에서 DNA 조각 양상. (A) 서로 다른 DNA 시료를 같은 제한효소로 자를 경우 서로 다른 조각들의 양상이 나타난다. (B) 피고인의 옷에 뭍은 혈흔에서 채취된 DNA 조각 양상이 희생자의 DNA 양상과 일치하지만 피고인 자신의 DNA 양상과는 일치하지 않는다. 이것은 피고인의 옷에 뭍은 혈흔이 피고인 자신의 것이 아니라 희생자의 것이라는 것을 증명하는 증거가 된다.

15 (2) DNA 지문법을 통해 개체의 정확한 식별이 가능하다
DNA 지문법 (DNA fingerprinting 또는 DNA profiling)은 정확한 개체의 식별을 가능하게 해준다. 유전체에서 매우 변이가 높은 특정 지역을 비교 대상으로 하며, 그런 지역으로는 일반적으로 단일염기변이와 반복서열변이 두 종류가 있다. 단일염기다형 (single nucleotide polymorphism, SNP, ‘스닙’이라고 발음함)은 집단 내에서 다형성을 보이는 경향이 있는 단일염기부위를 말한다. 짧은 염기서열은 특수한 반복염기서열의 개수를 비교하는 것 범죄수사에서부터 농작물의 교배에 이르기까지 널리 이용되고 있다. 반복염기서열이 각 개체마다 17~35개 반복

16 11.3 DNA의 분리 및 분석 (3) 핵산혼성화를 통해 관심 있는 DNA 조각을 찾아낼 수 있다
핵산혼성화 (hybridization): 적절한 조건에서 탐지자는 나일론 종이 위의 DNA 중 상보적인 염기서열을 인식하여 염기쌍을 이룬다.

17 + 개념정리 제한효소를 이용해 DNA를 구분 가능한 조각으로 자를 수 있다. 젤 전기영동은 이런 조건들을 크기에 따라 분리한다. 이런 DNA 조각인 전기영동 패턴은 개개인이 고유하며 따라서 각 개체를 식별하는 데 이용될 수 있다. 써던 블롯팅은 클로닝을 하기 위해 관심 있는 DNA 조각을 찾아내는 데 도움을 준다.

18 11.4 DNA 염기서열분석 DNA 염기서열분석 (DNA sequencing): 어떤 DNA 분자의 염기서열을 읽어내는 기술

19 11.4 DNA 염기서열분석 (1) 생어법을 통한 DNA 염기서열분석에서는 복제과정 동안 작은 조각들이 생성된다 생어(Frederic Sanger)법: 관심 있는 염기서열에 상보적으로 결합하는 일련의 DNA 조각들을 크기순으로 순차적으로 만들어내는 것 그림 11.6 DNA 염기서열 결정. 생어법을 이용한 DNA 염기서열분석에서는, 알고자 하는 DNA와 상보적인 복제 가닥이 중간에 다이데옥시뉴클레오티드가 삽입됨에 따라 중도에 복제가 중단된다. 과학자들 또는 컴퓨터는 그 조각들을 크기 순서대로 배열함으로써 염기서열을 유추한다. 미세한 양의 각 조각들을 눈으로 확인하기 위해 방사능 표지를 한다.

20 11.4 DNA 염기서열분석 (2) 이미 알려진 유전자들을 이용한 DNA 칩은 유전자분석을 간편하게 해준다 염기서열을 알고 있는 짧은 DNA 조각들을 DNA 마이크로칩 또는 DNA 마이크로어레이 라고 하는 작은 유리판에 고정시킨다. 그림 11.7 핵산혼성화를 이용한 염기서열분석. 작은 유리 마이크로칩 위에 고정되어 있고 이미 염기서열이 알려져 있는 짧은 DNA 조각들과 표지된 알고자 하는 DNA 조각의 염기들은 염기쌍을 이룬다. 염기 결합을 한 짧은 서열을 알아내고, 이것들을 서로 겹치게 배열하여 알고자 하는 DNA의 염기서열을 읽어낸다.

21 + 개념정리 어떤 DNA 분자의 정확한 염기서열은 화학적으로 결정될 수 있다. 생어법에서는 끝부분의 염기서열이 알려진 여러 조각들이 만들어진다. 최근에는 칩에 대한 핵산혼성화 반응과 컴퓨터 기술을 이용하여 염기서열을 재구성한다.

22 11.5 DNA 재조합 기술의 응용 (1) 형질전환기술은 어떤 생명체의 유전자들을 바꾼다
형질전환기술(transgenic technology): 다세포 생물을 대상으로 하는 재조합 DNA 기술 수용세포에 전기충격을 가하여 순수 DNA 분자가 들어갈 수 있는 일시적인 구멍을 만듦 DNA를 주사하거나 쏘아서 넣음 리포좀(liposome)이라고 하는 지방성 소낭 속에 DNA를 넣어서 보냄 감염성 바이러스에 DNA를 실어서 넣음 그림 11.8 세포에 DNA를 첨가하기. DNA는 그것 자체만으로 또는 바이러스나 리포좀 속에 포장된 상태로 세포 내로 주입될 수 있다.

23 11.5 DNA 재조합 기술의 응용 (1) 형질전환기술은 어떤 생명체의 유전자들을 바꾼다
서로 다른 종으로부터 유래된 외부 유전자의 조합을 통하여 치료약물로 이용되는 칼시토닌 단백질 유전자를 만드는 것 혈액응고인자 등, 병충해 저항성 식물 등 그림 11.9 유전자 합성. 형질전환기술은 서로 다른 개체에서 유래된 유전자 조각들을 서로 합쳐서 유용한 물질을 만들어내는 새로운 유전자를 창조해낼 수 있다. 양, 연어 그리고 사람으로부터 유래된 유전자들을 서로 합쳐서 토끼의 수정란에 주입하여 뼈 질환 치료에 사용되는 칼시토닌을 분비하는 형질전환 토끼를 만들 수 있다. 인간의 α-락토글로불린 유전자는 이 치료약물이 토끼의 젖으로 분비될 수 있게 해준다.

24 11.5 DNA 재조합 기술의 응용 (2) 유전자치료법은 선천적 유전질환의 치료를 목표로 한다
유전자치료법(gene therapy)은 체세포에서 정상적인 기능을 수행하지 않는 유전자를 대체해준다. 1990년 다실바라는 4살 된 여자 아이는 선천적 면역결핍을 초래한 비정상 유전자를 대신하여 정상 유전자가 포함된 자신의 백혈구를 이식 받았다. 그러나 곧 변형된 백혈구가 자연사함에 따라 더 강한 치료를 받아야만 했다. 그 이후 유전자치료법은 매우 제한적으로 임상적 성공을 거두었다.

25 11.5 DNA 재조합 기술의 응용 (3) DNA 마이크로어레이는 유전자 발현을 탐지한다
DNA 마이크로어레(microarray)이 또는 DNA 마이크로칩은 유전자들 또는 유전자들의 조각들을 좁은 면적의 특정 위치에 심어 놓은 것을 말한다. DNA 마이크로어레이는 유전자 발현양상을 간단히 한눈에 볼 수 있게 해준다.

26 + 개념정리 재조합 기술에 사용되는 여러 도구들은 어떤 개체 전체의 유전자들을 변형시키거나 어떤 개체의 유전정보를 재설정하여 새로운 단백질 또는 결핍된 단백질을 만들 수 있게 하는 데 응용될 수 있다. 다른 기술들은 여러 세포군들로부터 유전자 발현 양상을 관찰하는 데 이용될 수 있다.

27 11.5 유전자 억제: 안티센스 기술과 유전자 제거 기술
(1) 안티센스 기술은 유전자 발현을 중단시킨다 안티센스 기술(antisense technology)에서, 어떤 mRNA에 상보적인 RNA 서열은 그 mRNA에 결합함으로써 단백질 합성을 저해하여 그 유전자의 발현을 막는다. 바이러스의 합성 억제, 창자염을 일으키는 크론병, 마른버짐, C형 간염, 다발성경화증 또는 암 등을 목표로 함 그림 유전자 발현 억제. 안티센스 기술은 상보적 염기서열 또는 이와 유사한 물질을 이용하여 mRNA에 붙이고, 이를 통해 단백질의 합성을 막는다. 대부분의 세포 속에 존재하는 RNA 분해효소는 이렇게 억제된 mRNA를 제거한다. 안티센스 메커니즘은 바이러스 감염에 대항하기 위해 자연 상태에서 존재하는 메커니즘이다.

28 11.5 유전자 억제: 안티센스 기술과 유전자 제거 기술
(2) 유전자제거 기술은 발생의 각 단계를 이해하는 데 도움을 준다 유전자제거기술(knockout technology)은 보다 기초적인 연구기술로, 어떤 유전자의 기능을 저해함으로써 그 유전자의 기능을 알아보는 데 이용된다. 오늘날 과학자들은 사람에서 질병을 일으키는 원인 유전자와 유사한 생쥐의 유전자를 빈번히 제거하는데, 이를 통해 그 질병이 어떻게 생겨나는지를 연구할 수 있다.

29 + 개념정리 하나의 세포 또는 전체 개체 수준에서 어떤 유전자의 역할을 연구하기 위해 그 유전자 발현을 저해될 수 있다. 각 발생단계에서 관여하는 서로 다른 유전자들의 기능은 초기 발생과정에서 그 유전자들을 제거함으로써 밝혀질 수 있다.

30 11장 핵심내용 어떤 생명체에서 분리된 유전자는 또 다른 어떤 생명체에 넣어 주더라도 똑같이 이용될 수 있다.
분자적인 도구들을 이용하면 특정 DNA 조각을 잘라내 다른 DNA에 붙여서 재조합DNA를 만들 수 있다. 플라스미드는 다루기가 매우 쉬우며, 유전자들을 박테리아 속에 보관할 수 있게 해준다. 제한효소로 DNA를 자르면 그 DNA의 종류에 따라 고유한 양상의 DNA 조각들이 생겨난다. DNA 염기서열을 알아내는 방법은 현재 두 가지가 알려져 있다. 생명체의 세포에 특정 유전자를 도입하여 형질전환 종을 만들 수 있는데, 이를 통해 특정 단백질을 생산하거나, 유전자치료법으로 결핍된 단백질을 대체할 수 있다. 재조합기술을 이용하여, 물질대사 과정에서 또는 다세포 생물의 발생에서 특정 유전자의 역할을 연구할 수 있도록 유전자 발현을 억제할 수 있다.