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1 7 장유전자의실체 : 돌연변이를통해알아보기

2 7.1 돌연변이 : 유전적분석의첫번째수단 유전에대한기존실험의주요주제 1 돌연변이란자손에게전달되는염기서열의변이로표현형을바꿈 2 유전자란물리적으로염색체의특정부위에있는 DNA 조각으로대부분의단백질을암호화 3 유전자는실에꿰인구슬과같이단순한변화를보이는것이아닌염기가독립적으로돌연변이될수도있다.

3 7.1 돌연변이 : 유전적분석의첫번째수단 한개의대립유전자를지닌유전자를단일형태성 (monomorphic) 이라고하며여러개의대립유전자를지닌것을다형태성 (polymorphic) 이라고함. 대립유전자의관찰빈도가 1% 보다크고단일형태성이면야생형이라하며다양한대립유전자가존재시발생빈도에따라흔한변이체 (common variants) 라고도함.

4 7.1 돌연변이 : 유전적분석의첫번째수단 유전자의야생형대립유전자를바꾸는돌연변이를전진돌연변이 (forward mutation) 라고하며이러한돌연변이는야생형과비교하여열성또는우성. 예 ) 전진돌연변이가열성 A + ( 야생형 ) a ( 소문자열성 ), 우성일때는 b + B ( 대문자우성 ) 돌연변이가다시야생형으로되돌아가는것을역돌연변이 (reverse mutation), 또는역전 (reversion) 이라고한다. 예 ) a A +, B b +

5 7.1 돌연변이 : 유전적분석의첫번째수단 치환 (substitution): DNA 한가닥상의특정위치에있는염기를다른형염기로바꾸는것. 삽입 (insertion): 염기쌍이 DNA 상에서더해지는형태 결실 (deletion: 염기쌍이 DNA 상에서사라지는형태 이러한돌연변이중유전자기능에관여하는돌연변이의수는적다. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

6 7.1 돌연변이 : 유전적분석의첫번째수단 유전자기능을바꾸는돌연변이는낮은빈도로발생. 따라서동일집단에서표현형에영향을주는돌연변이를발견하기위해서는많은개체를조사하여야함. 예 ) 쥐의털색관련돌연변이실험에서평균 1백만개의배우자중 11개정도가털색에변화. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

7 7.1 돌연변이 : 유전적분석의첫번째수단 유전자당평균돌연변이발생률이 2~12 x 10-6 이라고밝혀졌어도유전자각각에대한발생빈도의차이는크다. 이는돌연변이원인에대한각유전자들의민감도가다르기때문이다. 이유전자에서발생되는돌연변이는대부분전진돌연변이이며역돌연변이발생률은상대적으로매우낮다. 즉, 유전자는기능이변화하기는쉬우나원래기능을찾기는어렵다. 예 ) 알비노유전자쥐한쌍을교배하면대부분이알비노유전자쥐이다.

8 7.2 돌연변이의분자기작 유전적돌연변이는화학반응또는방사능등에의한 DNA 손상에의하여발생. 많은돌연변이가발생즉시 DNA의수선작용에의하여야생형형태로돌아감. 이때수선효소가손상을돌이키지못하면돌연변이는 DNA에영구적으로남게되어유전.

9 DNA의자연발생 탈퓨린화 (depurination): 퓨린염기 A혹시 G의가수분해는사람세포에서매시간약1000번발생. 탈퓨린결과생긴빈자리는아무염기나붙게되어새로합성된 DNA 가닥중 ¾는돌연변이화 탈아민화 (deamination): 탈아민화 ( 아미노 [- NH2] 를제거 ) 는시토신 (C) 을 RNA에만존재하는우라실 (U) 로바꿈. U는 A와쌍을이루어후에 C-G가 T-A로바꿈. 이것을전이돌연변이. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

10 DNA의자연발생 방사선 : 우주선, X-선과같은자연방사선은당-인산뼈대를파괴. 자외선 (UV): UV선은근접한티민기를결합하여티민이량체 (thymine-thymine dimer) 를발생. 산화 : 산화적손상은 DNA 염기에손상을주어상보적염기결합을방해하여돌연변이를발생. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

11 7.2 돌연변이의분자기작 세균과사람세포에서 DNA 복제시실수율이 10 9 염기쌍당한번발생할정도로매우낮다. 복제과정에는지속적수정을통해실수를최소화. DNA 중합효소는합성기능이외에도핵산분해효소기능을통해교정 / 편집이가능. 이러한기능을통해세포의정확도를 100배정도높임. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

12 DNA 중합효소가실수를하는이유중하나는염기의호변체화 (tautomerization; 토토머화, 수소원자가탄소와산소를왔다갔다하는것 ) 이다. 네개의염기는상호끊임없이변형될수있는유사한화학적구조를지닌두개의호변체 (tautomer) 를지님. 두개의호변체사이의평형은거의 A-T, G-C와염기쌍을이루는구조로되어있음. 하지만주형가닥의염기가드물게다른호변체구조가되면 DNA 중합효소는다른염기를부착. 이드문호변체는염기쌍을다르게생성하며 점돌연변이를유도. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

13 7.2 돌연변이의분자기작 불안정한세뉴클레오티드 (CGG, CAG, CTG, GAA) 의반복서열, 즉불안정세뉴클레오티드반복서열 (unstable trinucleotide repeats) 은사람의경우 20개정도유전자에서발견되며퇴행성신경질환과관련. 예 ) 연약X 증후군의유전 - CGG 반복서열의수 : < 56 ( 야생형 ), ( 돌연변이전유전자형 [pre-mutation alleles]), > 200 ( 질환유전자 ).

14 7.2 돌연변이의분자기작 뮐러 (H. J. Muller) 는강한양의 X-선에쪼이면초파리에서돌연변이발생률을높인다는것을증명. 자연발생적돌연변이율보다는많은돌연변이를유발하는물리혹은화학적물질을돌연변이유발물질 (mutagen) 이라고함. X-선은 DNA 가닥의당-인산뼈대를끊을수있고이때두조각을동시에끊고결합하면작은결실이생김.

15 7.2 돌연변이의분자기작 돌연변이를유발하는또다른물질로염기유사체 (base analogs) 가 있음. 정상염기와화학적구조가유사하여 DNA 복제시끼어들기가능 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

16 7.2 돌연변이의분자기작 염기유사체는정상염기와다른염기쌍을이루고복제시새로운 DNA 가닥에염기치환을일으킴. 다른화학적돌연변이유발물질은직접적으로염기화학적구조및성질을변형하여치환을유발. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

17 7.2 돌연변이의분자기작 또다른돌연변이유발물질로삽입물질 (intercalators; 프로플라빈 [proflavin]) 이있으며연속된염기쌍들사이에끼어들어가복제기구를방해하여한개의염기쌍을결실혹은삽입하게하는판구조의분자. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

18 7.2 돌연변이의분자기작 DNA 수선기작은돌연변이생성을최소화함. 빛수선 (light repair) 혹은광수선 (photorepair) : 자외선에노출되어생긴티민-티민이량체를광분해효소가찾아내어이들사이화학결합을끊어수선. 이러한광분해효소는가시광선이있어야만작용을하며빛을흡수하는색소포 (chromophore) 라는작은분자와광분해효소가결합하여작용.

19 7.2 돌연변이의분자기작 수선시스템은보편적으로변형된염기를제거하고남은가닥을주형으로제거된부위를재합성하는상동의존형수선 (homologydependent repair) 방법을이용. 이는이중나선구조의장점을이용함. 예 ) 염기절제수선 (base excision repair): DNA 글리코실화효소 (DNA glycosylase) 가손상된염기를 제거하고 DNA 중합효소가빈틈을채우며수선. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

20 7.2 돌연변이의분자기작 X-선등은이중가닥을절단하여이중나선의양가닥을자르기때문에커다란결실및다른종류의염색체재배열을유도. 세포는수선시상동성재조합 (homologous recombination) 과정이있어대부분의이중가닥절단을상보적인염색체의염기쌍을이용하여정확히수선.

21 7.2 돌연변이의분자기작 비상동성말단연결 (nonhomologous end-joining, NHEJ) 은상동성을가진서열을주형으로이용하는것이아니라잘린부분끝이 DNA-PKcs와 Ku 단백질 (Ku70과 Ku80) 의복합체에의하여그대로연결. Ishida et al. (2013)

22 7.2 돌연변이의분자기작 DNA 중합효소의백업수선시스템인메틸-지시성짝짝이수선 (methyldirected mismatch repair) 이보정. 예 ) 세균에서부모가닥은아데닌메틸화효소 (adenine methylase) 에의하여 A에 메틸기부착. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

23 7.2 돌연변이의분자기작 새로운가닥은 A에메틸기가없어이를구별가능 (MutS, MutL 단백질 ) MutL은 MutH를이용하여돌연변이염기와가장가까운곳의메틸기가부착된 DNA 가닥을끊고 DNA 핵산말단가수분해효소가 이를자름. 마지막으로수선 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

24 7.2 돌연변이의분자기작 손상된뉴클레오티드를수선하는시스템은매우정확하지만가끔감당할수없는돌연변이염기의발생이초래. 이때세균은 SOS 체계라는비상수선시스템을작동하며이순간에만생성되는무작위로 DNA를생성하는 DNA 중합효소 (SOS 중합효소 ) 를이용하여이를수선한다. SOS 중합효소는 ¼의확률로만옳은뉴클레오티드를붙이기때문에돌연변이가남음.

25 7.2 돌연변이의분자기작 또다른비상수선시스템, 미세상동매개성말단연결 (microhomology-mediated end-joining, MMEJ) 은상동성재조합혹은 NHEJ 로수선되지못한이중가닥절단을 수선. End-joining 1 nonhomologous end-joining, NHEJ 2 microhomology-mediated end-joining, MMEJ HR single strand annealing, SSA double strand break repair, DSBR break induced replication, BIR Seol et al. (2018)

26 7.2 돌연변이의분자기작 DNA 수선기작의결함은유전질환을발병 예 ) 색소건피증환자는뉴클레오티드절제수선불가능. 따라서자외선으로인한돌연변이를제거할수없기때문에햇볕에장시간노출되면피부세포에돌연변이가생겨피부암이발병. 루이스토마스 (Lewis Thomas) 는 DNA가실수를한다는것이놀라운일이라말하였고이러한돌연변이는환경의변화에대한표현형의다양성을형성하여적응력을높이는요인중하나.

27 7.3 돌연변이가말해주는유전자구조 상동염색체상에있는각각의대립유전자는돌연변이발생시서로상보적 (complement) 으로정상의표현형을형성하도록각각의기능을보완한다. 열성돌연변이에대한상동염색체의돌연변이유 / 무확인을통한상보성검사 (complementation testing) 로이를확인할수있다.

28 예 ) 초파리의상보성검사를통해결과를표로정리하여이에대한재조합빈도를유전자지도화할수있다. 이렇게초파리눈색에대한거리를통해각형질의유전자에대한관련성을알수있다. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

29 7.3 돌연변이가말해주는유전자구조 상보성검사가동일한유전자에생긴돌연변이와다른유전자에생긴돌연변이를구별해낼수있다고해도어떤방식으로표현형을변경하는지에대해서는명확하지않다. 때로는동일한유전자내에위치한 2개의다른돌연변이가재조합을거쳐야생형재조합유전자생성가능. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

30 7.3 돌연변이가말해주는유전자구조 1950년대말미국유전학자벤저 (Seymour Benzer) 는 E. coli 를사용하여이러한상보성이없는돌연변이염기의유전자재조합으로인한야생형유전자형성을증명. 유전자내에어떤위치는자연적돌연변이의빈도가다른위치보다상대적으로높음. 이러한위치를다발점 (hot spot). 화학물질등을사용한인위적돌연변이의다발점은자연적돌연변이와차이가있음.

31 관계를설명. 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 멘델의실험은유전자가형질을조절할수있다는사실을정립하였으나구체적인기작은설명하지않는다. 20세기초연구자들은유전자형-표현형간의상관관계를이해하기위한돌연변이연구를진행 년대비들과에드워드타튬은 한개의유전자한개의효소를생성한다. 라는가설을세워붉은빵곰팡이실험을하였다. 이것을통해유전자와특정생화학적반응을촉매하는효소와의직접적인

32 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 한유전자, 한효소가설이유전자가효소와같은표현형에영향을주는지를이해하는데중요한발전계기가되었지만, 유전자의기능이효소에만국한되어있는것이아니다. 효소가단백질이라는점을고려하면단백질의구조, 이동등의각기능에관련된유전자가다르고복합적으로연결되어있기때문이다.

33 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 단백질 (protein) 은아미노산 (amino acid) 단위체가모여서된중합체. 세포는단백질합성을위해 20개아미노산을사용. 모든아미노산은특정기본성질이있고, NH 2 -CHR-COOH로표기. 카르복시산 (carboxylic acid) 으로알려진 COOH는산성이고아미노그룹 (amino group) 으로알려진 NH2는염기성. R 그룹은 20개아미노산을구조적으로구별하게하는곁가지. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

34 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 20개아미노산에두개의보기드문아미노산이특정환경에의하여포함될수있음. 예 ) 셀레노시스테인, 피콜리신 ( 원핵생물단백질에서만존재 ) 단백질합성과정에서세포의단백질합성기구가펩티드결합 (peptide bond) 으로한아미노산의 COOH 그룹과다음아미노산의 NH 2 그룹을연결하여아미노산결합을형성. 이렇게연결된한쌍의아미노산을디펩티드 (dipeptide), 여러아미노산이연결된것을올리고펩티드 (oligopeptide) 라고함. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

35 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 단백질을이루는수백, 수천개의아미노산이펩티드결합으로연결된것은폴리펩티드 (polypeptide) 라고함. 따라서단백질은아미노산의선형중합체이다. DNA와같이단백질도화학적방향성이있다. N 말단 (N terminus) 은어떤연결도되어있지않은아미노그룹이고 C 말단 (C terminus) 는 카르복시산그룹으로되어있다. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

36 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 각단백질은특정아미노산의서열로되어있고단백질의화학적성질은아미노산의종류와연결수에따라결정된다. 유전자에변이를주는돌연변이는단백질의아미노산서열을바꾼다. 1950년대중반잉그램 (Vernon Ingram) 은어떤돌연변이가해당단백질에어떤변이를주는지규명하였으며아미노산한개를다른아미노산으로바꾸는돌연변이가헤모글로빈의구조와기능을바꾸어낫형적혈구빈혈증을일으킨다는것을보여줌.

37 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 DNA 의변화가단백질에영향을주는돌연변이의형태 단백질의아미노산형태를변화시 켜유전자의기능에영향 단백질의아미노산형태를종결코돈으 로변화시켜유전자의기능에영향 삽입또는결실에의하여 DNA 의염기 순서변화 단백질의아미노산형태 에변화

38 결합을한다. 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 단백질의아미노산서열이단백질의 3차구조를결정. 폴리펩티드를이루는직선상의아미노산서열을 1차구조 (primary structure) 라고하며특정한 1차구조는사슬이어떤 3차구조로배열될지를지정. R 그룹의화학적성질은다른특징때문에아미노산은서로를인식하고수소또는이온결합을한다. 예 ) 비극성아미노산은소수성부위를물로부터보호하기위하여서로

39 이러한상호결합은 3차원구조로폴리펩티드를안정화시키는것을도움. 2차구조는독특한기하학적구조를가진부위를형성함으로써 3차원모양을결정 1차구조는또한 2차구조와함께접힘과뒤틀림을만들어 3차구조를형성 즉, 아미노산서열은 1차, 2차, 3차구조를직접적으로결정 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

40 7.4 돌연변이가말해주는유전자의기능 다량체성단백질생성에한개이상의유전자가관여하고모든단백질이다효소가아니기때문에 한유전자, 한효소. 가설은유전자의기능을정의하기에충분하지않다. 더정확히말하면 한유전자, 한폴리펩티드. 라고해야할것이다. 하지만이또한모든유전자의기능을다말해주지않는다. 그이유는몇몇의유전자는단백질생성과무관하고단백질로전이되지않는 RNA를암호화하기때문이다.

41 7.5 식물유전체의변화 유전체는시간을두고변화, 어떤변화는느리게, 어떤변화는급격히 느리게변하는것들로는주로염색체구조적변이와수의변이가있다. 급격히변하는것들로유전체크기, 반복서열 DNA 습득 / 소실, 후성유전학적변이 (DNA의염기서열이변화하지않는상태에서이루어지는유전자발현의변화 ) 등이있다.

42 7.5 식물유전체의변화 식물유전체도시간을두고돌연변이가축적된다. 돌연변이에는염기쌍치환 (base pir substitutions), 길이의변이 (length variation; 삽입 / 결실 ), 재배열 (rearrangements) 등이있다. 염기쌍치환의빈도는 4개의염기 A, T, G, C 에서다르게발생.

43 7.5 식물유전체의변화 퓨린이퓨린으로피리미딘이피리미딘으로염기가바뀌는것을전이 (transition) 돌연변이, 퓨린과피리미딘이서로바뀌는형태를전환 (transversion) 돌연변이라고함. 무작위돌연변이의경우, 전환돌연변이가전이 돌연변이보다많아야함. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

44 7.5 식물유전체의변화 하지만전이돌연변이가흔하며그이유는구조적문제로만약전환돌연변이가발생하면이중나선의두께가바뀌고 DNA 수선기구에쉽게노출되어수선되기때문. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

45 G-C 인것을이용, 이러한현상을코돈편중 (codon bias) 라고함. 7.5 식물유전체의변화 돌연변이와교차의복합적효과는유전체염기조성에차이를만들수있다. 염기조성이 A-T, G-C가각각절반을차지한다고예상하지만, 실제로는식물종에따라다르다. 예 ) 아미노산을형성하는 3개의염기 (codon) 중마지막에해당하는염기에서양귀비는 36% 가 G-C, 호밀은 68% 가 G-C 이다. 단백질합성기구들은유전자의대부분에서코돈의마지막염기쌍이

46 7.5 식물유전체의변화 염기쌍의불균형에대한현재신뢰할만한가설은 G-C가많은곳에편중되어일어나고실제로 G-C 염기쌍의빈도는유전자내에서와염색체전체에서교차와관련되어져있으며, G-C 편중유전자들은메틸화에표적이더잘되어돌연변이에서더높은비율로일어난다. 라는것이다. 포유동물의경우 G-C 함량이특이적으로높은 G-C 섬 (G-C islands) 가존재하며주로유전자의프로모터부위에존재

47 7.5 식물유전체의변화 DNA를통해 RNA가연결될때시작되는부분. RNA는단백질합성에사용되기때문에프로모터를사용하여단백질합성에관여하여유전자의기능에영향을미침. 염기서열들간에삽입과결실이외에단일염기다형성 (single nucleotide polymorphism, SNP) 가존재. 각종의 DNA 다형성부위는염기서열의유사성 (sequence similarity) 에영향

48 7.5 식물유전체의변화 생명에영향을미치는유전자의경우자연선발에서변화를허용하지않아유전자의염기서열에대한변화가없으며종마다차이를보이지않아보존적 (conserved) 이라고한다. 어떤부위의염기서열들이나염기서열들간의조합은돌연변이가일어나도효과가덜한경우가있는데이러한부위는보존성이낮다. 유전자의단백질의구성정보를담고있는엑손 (exon) 부위와달리인트론 (intron) 부위는종마다차이를보일수있다.

49 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

50 7.5 식물유전체의변화 또한전사개시부위의바로윗부분의염기서열 (TSS) 은훨씬상위에존재하는서열들보다보존성이높고 ' 보존된비-암호화염기부위 (conserved non-coding sequence, CNS)' 라고부른다. 포유동물의유전체 CNS들은길이가몇백만 bp정도되는경우도있고유전자발현조절도하지만식물의 CNS들은길이가작고유전자부근에종종존재한다.

51 7.5 식물유전체의변화 식물의연관지도작성 연관지도작성은두양친식물의교배에서부터시작. 교배를하기전에양친의각식물체들은여러세대에걸쳐서자가-수정을실시하는데이러한과정을동계교배 (inbreeding) 이라고함. 여러세대동안동배교배를하면생물체는유전체전체에걸쳐동형접합으로되므로유전체내의어느부위의유전자나염기서열도상동염색체쌍이같게되는순계 (inbred) 가된다.

52 마커 ) 라고한다. 7.5 식물유전체의변화 될수있는한서로다른두순계식물을선발하는데, 그이유는이들양친들간의차이 ( 다형성 ) 만이지도작성에이용되기때문이다. 이러한차이들은과실색깔이나줄기에서의가지형성의차이와같은표현형적인차이일수도있지만, 이러한표현형적인차이는양친간에보통그리많지않다. 더높은빈도의차이는 DNA-수준의다형성 (SNPs, SSR)dp 의하여발생하며이러한다형성의위치를표지하는것이표지인자 (marker,

53 7.5 식물유전체의변화 예를들어 F 1 식물체를자가수정시켜 F 2 개체를분자표지에의하여평가하였을시아래그림과같은결과를얻을수있다. 이를통해재조합유전자형을평가. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

54 비연관된유전자의경우 F 2 세대에서임의적분리에의하여빈도가멘델유전의독립의법칙에의하여분리가되지만, 연관되있을경우는이와다른분리비를보인다. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

55 이러한표지인자에의하여탐지된유전자형의재조합율을계산하여연관된유전자들의순서를통계적으로결정할수있다. 육종실험에서연관지도작성을통해두개의표현형이다른품종을교배하여원하는식물체를선발할수있는데이것을분자육종 (molecular breeding) 또는표지인자이용선발 (marker assisted selection) 이라고한다. 출처 : 하트웰의유전학, 홍릉과학출판사

56 7.5 식물유전체의변화 유전자좌에서표현형변이와관련된대립유전자를발굴하는방법은여러가지가있으나가장중요한방법이양적유전자 (quantitative trait locus, QTL) 지도작성과연관성분석 (association analysis) 이다. QTL분석은교배가아닌일반집단을분석하는반면연관성분석은항상교배에의하여만들어진집단에서교차를이용하여분석. 이두방법은복잡한통계적분석방법에차이가있지만그밑에깔려있는지도작성을위한원리등과같은논리는유사.

57 크기, 개수, 길이, 무게, 광합성률, 색깔등 7.5 식물유전체의변화 질적형질 소수유전자가형질에관여하고, 표현형이분명히구별되어관련유전자의영향이잘드러나는불연속변이와관련된형질. 예 ) 화형, 병저항성등 양적형질 다수의유전자 (polygene) 가형질에관여하고, 표현형의연속변이함으로서관련유전자의기능이잘드러나지않는형질. 예 )

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