Chapter 1

Size: px

Start display at page:

Download "Chapter 1"

오현 모
5 years ago
Views:

1 Chapter 1 Introduction to Molecular Biology 1

2 What is molecular biology? Molecular Biology 라는용어는 1938 년 Warren Weaver 에의하여최초로사용되었다. A research approach in which physics and chemistry are used to address fundamental biological problems Molecular explanations for biological processes An interdisciplinary approach seeking to explain genetic phenomenon in chemical and physical terms 그당시에 biochemistry와 genetics 분야에서많은연구가수행되어왔지만어떻게유전정보가유전자속에있는가, 어떻게유전자가복제되어자손에게전달되는가, 어떻게유전자속에있는정보가특정형질을나타나는가하는여러가지문제들은여전히해결하지못한상태였다. 이러한문제들을해결하기위하여생화학, 생물물리학, 화학, 유전학, 발생학, 면역학등모든학문분야가연관을맺으며노력을기울여분자생물학이라는학문이탄생하게 2 되었다.

1.1 The intellectual foundations of molecular biology 많은사람들이동식물에서특정 trait 이유전될때언제이들이유전되고언제이들이사라지는가를전혀알지를못하였다. 이를연구한사람이 Mendel 1822 년출생. 이름은 Johann Mendel 1843 년 21 세의나이로수도원에들어가이름을 Greg Mendel 로바꿈.

3 1.1 The intellectual foundations of molecular biology 많은사람들이동식물에서특정 trait 이유전될때언제이들이유전되고언제이들이사라지는가를전혀알지를못하였다. 이를연구한사람이 Mendel 1822 년출생. 이름은 Johann Mendel 1843 년 21 세의나이로수도원에들어가이름을 Greg Mendel 로바꿈. 가난한집에태어났으나수도원장은그의영리함을알아 Univ. of Vienna 로보냄 이곳에서물리, 수학, 화학을배움 질문 ; What is inherited? How is it inherited? What is the role of chance in heredity? 이를해결하기위하여 Mendel은다른사람과다른실험을함 1) Garden pea (pisum sativvm) 을재료로선택 ; 자가수정, 타가수정이가능하고짧은시간에많은자손을얻을수있음 2) 실험을한 trait이대조적임 ; 예 ) yellow vs green 3) pure-breeding line 끼리교배, 또한 hybrid를이용 4) Mating 을철저히 control 5)Large number of plant ( careful quantitative analysis) 6) Brillinat practical experimentalist ( 장, 단식물을연구할때그늘에위치하지않게함 3

4 Fig. 2.5

5 Mendel s laws of inheritance Law of independent segregation( 분리의법칙 ) 특정유전자는 allele 의형태로존재하며각부모로부터한 allele 이전달된다. 두가지 allele 은생식세포를만들때분리되고생식과정에서다시결합한다. Law of independent assortment ( 독립의법칙 ) 특정한형질인식물의모양과색은서로간섭하지않고독립적으로유전한다. 멘델은운이좋게다른염색체에존재하는유전자들에의하여결정되는형질을연구함. Law of dominance ( 우열의법칙 ) 각특성에대하여열성과우성이있고 F 2 에서 3:1 의비율로표현이나타난다. Miescher s discovery of DNA 백혈구의한 fraction (nuclein 이라고명명 ) 이높은 phosphorous 농도와산성물질을갖고있는것을발견함 Cell nuclei contain protein and nucleic acid 5

9 Law of dominance ( 우열의법칙 )

10 Law of independent segregation( 분리의법칙 )

16 Law of independent assortment ( 독립의법칙 )

19 1863 년 43 세의 Mendel 은 Expreiment on plant hybrids 라는논문을발표 년부터 1900 년까지그의논문이몇번인용되었으나 plant breeder 로서만인용되었고그의법칙에대하여는인용이되지않음. Mendel 은 variation 의유전에대한법칙을연구하였지만 Charles Darwin ( ) 은 Variation 을진화의과정으로만바라봄

20 Extensions to Mendel 아래그림처럼다양한렌즈콩의색은 Mendel 법칙의예외를생각하게한다

21 Dominance is not always complete

22 Incomplete dominance

23 Codominant allele

24 A gene may have more than two alleles I A ; sugar A 를추가함으로 A 형 I B ; sugar B 를추가함으로 B 형 ii; sugar adding enzyme 를만들지못함 혈액형에는 I A, I B, i 3 가지 allele 이있음 I A, I B, 는 i 에우성 1944 년영화배우 Joan Barry (A 형 ) 가 Charlie Chaplen (O 형 ) 을아이의아버지라고고소 ; 그러나아이는 B 형임

25 Multiple allele 가운데서우성을가려내는방법

Mutations are the source of new alles Wild type allele; allele frequency 가 1% 이상 Mutant allele; allele frequency 가 1% 이하 Monomorphic; a gene with only one wild type allele (

26 Mutations are the source of new alles Wild type allele; allele frequency 가 1% 이상 Mutant allele; allele frequency 가 1% 이하 Monomorphic; a gene with only one wild type allele ( 옆의그림 ) Wild type allele; agouti (dark grey) 가 99% 이상나머지 14 개의 mutant allele (1% 이하 ) 발견됨 Polymorphic ; 하나이상의 wild type allele 혈액형은 3 개의 allele 이모두 1% 이상의 allele frequency 가있음

27 Pleiotrophy; 하나의 gene 이하나이상의형질을지배할때 예 ) 뉴질랜드의마오리족에는호흡기에문제가있는사람이동시에불임이됨 ; 편모와섬모의운동에관여하는하나의유전자에이상이생김호흡기능과생식에문제가생김 치사유전자 ; visible phenotype 와 Viability 에영향 Wild type (AA) dark grey 와 yellow mice 를교배하면항상 1:1 의 color 자손 ( 이때 A y 는 a 에대하여우성 ) A y A 와 A y A 를교배하면 yellow:black 이 2:1 나옴. A y A y 는죽고 A y allele 은 recessive lathal 임

28 Sickle-cell anemia 를통하여관찰할수있는다양한멘델법칙의예외

29 Multifactorial inheritance; Two genes can interact to determine on trait 두유전자의 interaction 으로인하여새로운 color 가나옴. A-B-; A 와 B 라는두개의 dominant allele 이존재할경우 brown A-bb; A 라는 dominant allele 이존재할경우는 tan aab-; B 라는 dominant allele 이존재할경우는 gray aabb; dominant allele 이없는경우는 green

30 A 와 B 의상호작용이있을경우는 purple 이되고상호작용이없으면 white 가됨

31 Epistasis; 한유전자의 allele 이다른유전자의 allele 의 effect 를감추는경우를말함 (a) 사냥개의 color 에서 ee 는 B 와 b 의발현을막음 E- 개에서 B- 는 black, bb 는 brown 을나타내나 ee 는 golden color 가됨 (b) H 라고하는 sugar polymer base 에 polysaccharide A, 혹은 B 를부치는효소의역할그러나 Bombay phenotype 은 hh 를갖고있어 H 를만들지못하여 A,B 가있어도 O 형임

32 두개혹은그이상의유전자들에존재하는 mutant allele 들이동일한 phenotype 을나타내는경우예 ) 귀머거리가되는것은 50 개정도되는유전자의 mutant allele 에의하여발생즉이들유전자의어느하나라도돌연변이가생기면귀머거리가됨 동일한유전자에이상이생겨귀머거리가되었는지조사하기위하여 complementation test 를함

33 Incomplete dominance 에서두유전자의 interaction 은 9 가지의다양한색갈을나타내기도함

Pedigree analysis can be used to test trait inheritance hypotheses in humans OCA (ocularcutaneous albanism) produces little or no pigmentation in skin, hair,

34 Pedigree analysis can be used to test trait inheritance hypotheses in humans OCA (ocularcutaneous albanism) produces little or no pigmentation in skin, hair, and eyes. Can you determine the inheritance from pedigrees? Fig Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required to reproduce or display 3-34

35 사람에게는 pedigree analysis 가 breeding experiment 를대신함 Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required to reproduce or display 3-35

36 The same genotype does not always produce the same phenotype 여태까지는 genotype 에의하여특정 phenotype 이나타나는예를공부하였으나때로는 genotype 이전혀표현되지않거나또한개체마다다양한정도를나타내기도한다. Penetrance; 집단중에얼마나많은개체에서특정 genotype 이특정 phenotype 을나타내는가를나타냄 100% penetrance; 멘델의법칙처럼모든형질이나타남. incomplete penetrance; 일부에만나타남 Expressivity; 특정 genotype 이표현형을나타내는정도 (degree 혹은 intensity) 를말함 예 ) 6 손가락을갖는유전자는우성이라한 dominant allele 만갖고있어도육손이된다그러나집안의 60% 만이육손이됨 ; incomplete penetrance 육손인경우어떤사람은손발모두에 extra toe 가있는경우 ; high expressivity 육손인경우어떤사람은한손에만 extra toe 가있는경우 ; low expressivity Phenocopy; 유전적으로는정상이나특정한 chemical 이나 environmental agent 에노출된경우특정유전자의 mutant allele 에의하여일어나는것과동일한 phenotype 이나타난경우 예 ) 임신부가 thalidomide 를먹었을때와유사한사지가짧은아이가태어남유전적으로는 rare dominant trait- phocomelia 라고함 36

37 환경이 genotype 의 phenotypic expression 에영향을준다.

38 Continuous trait; 멘델의법칙으로설명이불가 ( 키, 몸무게, 피부색 ) Discontinuous trait; 멘델의법칙

42 1.2 Genotypes and phenotypes Genotype ( 유전형 ) 은 phenotype ( 표현형 ) 을결정하는데 Mendel 은어떻게유전자가표현형을결정하는지몰랐다. Garrod alkaptonuria results from a recessive gene which causes a deficiency in the enzyme that converts homogentisic acid into a colorless product. 최초로 genotype 과 phenotype 의관계를설명한실험으로 0ne gene one enzyme 을주장함. ( 한유전자에서하나의효소가합성됨 ) one gene one polypeptide 로바뀜 42

43 Beadle and Tatum Neurospora crassa auxotrophs are blocked at a specific step in the metabolic pathway and accumulate large quantities of the substance formed just prior to the blocked step 43

44 1.3 Nucleic acids Cyclization to form ribofuranose Figure 1.01: The two sugars present in nucleic acids. Cyclization to form deoxyribofuranose Figure 1.03: Haworth structures for Ribofuranose and deoxyribofuranose. 44

45 1.4 DNA structure and function Figure 1.04a: Pyrimidine, Pyrimidine bases Figure 1.04b: Purine, Purine bases Pyrimidine; Thymine, Cytosine, Uracil Purine; Adenine, Guanine Figure 1.05: Uracil (U) 45

46 Nucleoside; base 가 pentose ring 에연결됨 Figure 1.06: Deoxyribonucleosides Figure 1.07: Ribonucleosides 46

47 Nucleotides; phosphate group attached to the sugar Figure 1.08a: 5'-nucleoside monophosphates Phosphate group 이 5 -OH 에첨가 Figure 1.08b: 3'-nucleoside monophosphates Phosphate group 이 3 -OH 에첨가 47

48 Bases, nucleosides, and nucleotides 48

49 Nucleotides are joined 5 3 in both DNA and RNA 49

S strain = death Figure 1.12: The Griffith s experiment demonstrating bacterial transformation.

50 Transformation ( 형질전환 ) 실험을통하여 DNA 가유전물질이라는것을밝힘 Mouse injections Virulent S strain = death Nonvirulent R strain = healthy Heat-killed S strain = healthy Nonvirulent R strain + heat-killed S strain = death Figure 1.12: The Griffith s experiment demonstrating bacterial transformation. S strain 으로부터추출한물질을 R strain 에가하면일부 R strain 이 S strain 으로변함어떤물질이 R strain 이 S strain 으로형질이전환되게하였는가를조사함 50

51 Avery, MacLeod, and McCarty showed the transforming principle is DNA 51

52 Chargaff's rules G + C content can vary widely among DNA from different organisms [A] = [T] in all DNAs [G] = [C] in all DNAs DNA 가유전물질이라는간접적인증거가되며나중에 DNA 의구조를연구하는데도움이됨. higher organism 에서는 G+C 의양이약 0.5 정도이지만박테리아에서는 0.27 에서 0.76 까지된다. 이러한다양성은유전물질은다양해야한다는기본조건을만족한다고여겨졌다. 다음으로몇군데의실험실에서체세포의 DNA 양은생식세포 DNA 양의두배라는것을밝혀서 DNA 가유전물질이라는간접적인증거가대두됨. 52

53 Transduction; Hershey-Chase experiment Transduction 실험을이용하여 DNA 가유전물질이라는것을밝힘. 즉 32 P 는 DNA 를 label 하고 35 S 는외피만을 label 하기때문에페이지자손에서 32 P 만감지가된다. 53

$Franklin and Wilkins: X-ray diffraction of DNA$ $16: X-ray diffraction patterns of the A and$

54 Franklin and Wilkins: X-ray diffraction of DNA Figure 1.16: X-ray diffraction patterns of the A and B-form of the sodium salt of DNA. The Watson-Crick model of DNA 1953 년 Nature 에실린그림 54

55 Watson 과 crick 의 B 형 DNA 모델의요약 Figure 1.18: Base pairs in DNA. 1. 두개의 polydeoxyribonucleotide 가닥이서로꼬여서이중나선을만든다. 2. 나선의바깥쪽으로 phosphate 와당이 backbone 을형성한다. 3. 나선의안쪽으로 purine 과 pyrimidine 이 stack 을형성한다. 4. 나선의직경은 2.0nm (20Å) 5. 인접한염기쌍들은나선의축을따라서 0.34nm 정도떨어져있다. 이구조는 10 개의염기쌍마다반복된다. 6. Adenine 은항상 thymine 와염기쌍을이루고 guanine 은 cytosine 과염기쌍을이룬다. 7. 두가닥은 antiparallel ( 역평행 ) 하다. 즉한쪽은 5 3 방향이고다른한쪽은 3 5 방향이다. 8. 주홈 (major groove) 와부홈 (minor groove) 이있으며깊이는동일하나주홈의폭이부홈보다넓다. 55

56 Replication of DNA Figure

The central dogma: DNA RNA Protein 1957 년 crick 이주장함 The transfer of information from nucleic acid to nucleic acid, or from nucleic acid to protein may be possible, but transfer from protein to

57 The central dogma: DNA RNA Protein 1957 년 crick 이주장함 The transfer of information from nucleic acid to nucleic acid, or from nucleic acid to protein may be possible, but transfer from protein to protein, or from protein to nucleic acid is impossible. Information means here the precise determination of sequence either of bases in nucleic acid or of amino acid residues in protein Central dogma 주장이후 mrna. trna, ribosome, genetic codon 등이밝혀짐 Figure

58 The translation machinery: ribosomes, mrna, and trna 위의전과정을분자생물학시간에배울예정임. 1학기에는 DNA와염색체의구조, 복제, 돌연변이와수선, 재조합, transposable element에대하여배우고 2학기에는 RNA의전사, 전사의조절, 단백질의해독에관하여 58 배울예정임.

Chapter 6. Nucleotides and Nucleic Acids 세포대사에서뉴클레오타이드 (nucleotide) 의기능은무엇인가? Objective 유전체학 (genomics) 과단백체학 (proteomics) 기본개념이해 재조합 DNA 기술 (recombin

Chapter 6. Nucleotides and Nucleic Acids 세포대사에서뉴클레오타이드 (nucleotide) 의기능은무엇인가? Objective 유전체학 (genomics) 과단백체학 (proteomics) 기본개념이해 재조합 DNA 기술 (recombinant DNA technology) 란? - 효소의보조인자, 대사중간산물구성성분, 유전정보함유등