주제 (1) 유전자의분자생물학 생명과학 : 개념과현상의이해 9 판 (Pearson) 10 장 유전물질의구조 : 1~3 DN 복제 : 4~5 DN 에서 RN 로그리고단백질로의유전정보의흐름 : 6~15 겸상적혈구빈혈증 ( 낫모양적혈구빈혈증 ) 1
21 삼염색체성 21 삼염색체성 ( 다운증후군 ) 그림암세포발달중의돌연변이축적과정 2
그림 1.2_1 그림 1.2_2 3
게놈 (genome): 한개체에있는유전물질의완전한염기서열세트 염색체 (chromosome): 많은유전자를포함하고있는게놈의단위. 매우긴이중가닥 DN 로구성. 세포분열시눈으로확인가능 유전자 (gene): 단백질이나 RN 를암호화하는 DN 부위 좌위 (locus): 유전자가위치하고있는염색체상의위치 유전물질의구조 4
생명체가가지는거대분자 - 단백질 - 핵산 : DN, RN - 지질 : 지방, 인지질, 스테로이드 - 탄수화물 : 포도당, 설탕, 녹말, 글리코겐 1. 과학의발견 : DN 가유전물질임을밝혀낸실험 1940 대까지단백질이 DN 보다더강력한유전물질로여김. 단백질은 20 종류의아미노산으로구성. DN 는 4 종류의뉴클레오티드로구성됨이밝혀짐. 박테리아와바이러스의연구 유전을분자수준에서연구하는분자생물학 (molecular biology) 이시작됨 DN 가유전물질임이밝혀짐. 5
1. 과학의발견 : DN 가유전물질임을밝혀낸실험 1928, 프레데릭그리피스는 형질전환인자 가박테리아세포내로전달될수있음을발견 폐렴쌍구균 병원성박테리아 (S 형 ) 를열처리로죽인다 비병원성박테리아 (R 형 ) 를열처리로죽인박테리아와함께배양한다 일부비병원성박테리아가형질전환을통해병원성박테리아로전환된다 질병을일으키는특징이형질전환세포의후손에전달된다 박테리아형질전환실험 (Griffith 실험 ) - 페렴쌍구균 : S 형, R 형 6
박테리아형질전환실험 (very 실험 ) 1. 과학의발견 : DN 가유전물질임을밝혀낸실험 알프레드허쉬와마르타체이즈는박테리오파지를이용해대장균박테리아 (E. coli) 를감염하는 T2 바이러스의유전물질이 DN 유전물질임을보여주었다 (1952) 박테리오파지 (Bacteriophages) 는박테리아세포를감염시키는바이러스이다 파지 (Phages) 에는단백질확인을위해방사성동위원소인황 ( 35 S, 단백질추적 ) 을 DN 확인을위해인 ( 32 P) 을표지한다 박테리아에각종류의표지된파지를감염시켜어떤성분이박테리아로들어가고어떤성분이밖에남아있는지확인한다 7
1. 과학의발견 : DN 가유전물질임을밝혀낸실험 황 (S) 으로표지된단백질은박테리아외부의파지에남아있고, 인 (p) 으로표지된 DN 는박테리아내부에서발견됨 인으로표지된 DN 가있는세포는 DN 에방사성이있는새로운파지를생성하며단백질에는방사성이없다 nimation:: 허쉬와체이즈의실험 nimation: T2 파지의생식주기 그림 T2 파지 머리 DN 꼬리꼬리섬유 8
그림허시와체이스의실험 파지박테리아 실험 1 노란색으로표지된방사성단백질 방사성단백질 DN 속이빈단백질껍질 파지 DN 원심분리 침전물 용액의방사성측정 1 2 3 4 실험 2 초록색으로표지된방사성단백질 방사성 DN 원심분리 침전물 방사성이침전물에서측정됨 그림파지의증식생활사 1 파지가박테리아 2 파지가 DN를 3 세포에부착한다. 세포내로삽입한다. 파지 DN 가숙주세포를이용하여더많은파지 DN 와파지단백질을만들어낸다. 새로운파지가합성된다. 4 세포가용해되고새로운파지가방출된다. 9
2. DN 와 RN 는뉴클레오티드의중합체이다 DN 와 RN 는핵산이다. DN 이중나선중하나를뉴클레오티드중합체인 DN 폴리뉴클레오티드 (polynucleotide) 라고한다. 뉴클레오티드는질소염기, 5 탄당, 인산기로구성된다 뉴클레오티드는당 - 인산축 (sugar-phosphate backbone) 에의해서로연결되어있다. 질소염기는당 - 인산골격에서밖으로뻗어있다 2. DN 와 RN 는뉴클레오티드의중합체이다 DN 뉴클레오티드에는 4가지질소염기가있다 : 아데닌 (), 시토신 (C), 티민 (T), 구아닌 (G). nimation: DN 와 RN 구조 10
그림 DN 폴리뉴클레오티드구조 T C G T C G T 당 - 인산축 인산기 T T G C G T G C C 뉴클레오티드를연결하는공유결합 C 질소염기 당 질소염기 (, G, C, 또는 T) C G T DN 이중나선 T DN 뉴클레오티드 T 인산기 티민 (T) G G G G 당 ( 디옥시리보오스 ) DN 뉴클레오티드 DN 폴리뉴클레오티드의두가지표현법 그림 DN 의질소염기 티민 (T) 시토신 (C) 아데닌 () 구아닌 (G) 피리미단계 퓨린계 11
2. DN 와 RN 는뉴클레오티드의중합체이다 RN (ribonucleic acid) 와 DN 의차이점 당이리보오스이다 ( DN 는디옥시리보오스 ) RN 에는질소염기티민대신우라실 (U) 이있다 그림 RN 뉴클레오티드 질소염기 (, G, C 또는 U) 인산기 우라실 (U) 당 ( 리보오스 ) 12
그림 RN 폴리뉴클레오티드의한부분 우라실 아데닌 시토신 구아닌 리보오스 인 3. 과학적발견 : DN 는이중나선구조이다 1953 년왓슨 (James D. Watson) 과크릭 (Francis Crick) 은다음을토대로 DN 의이중나선구조를추정하였다 로잘린드프랭클린과모리스윌킨스의 DN 의 X- 선결정데이터 샤가프의 DN 발견 아데닌의양의티민의양과동일 구아닌의양이시토신의양과동일. 13
그림로잘린드프랭클린과 X- 선회절사진 3. 과학적발견 : DN 는이중나선구조이다 왓슨과크릭은 DN 가두개의폴리뉴클레오티드가닥으로이루어진이중나선 (double helix) 임을발표함 당 - 인산축이밖에위치 질소염기는당 - 인산축안쪽으로배열 특정염기쌍이균일한나선을이룬다 와 T 가짝을이루고 2 개의수소결합을형성 G 와 C 가짝을이루고 3 개의수소결합을형성 nimation: DN 이중나선 14
그림 1953 년자신들이만든 DN 이중나선모형을함께보고있는왓슨과크릭 비틀기 그림 10.3C 줄사다리모양의 DN 이중나선모형 15
수소결합 염기쌍 리본모형 화학구조모형 컴퓨터모형 3. 과학적발견 : DN 는이중나선구조이다 1962 년왓슨, 크릭, 윌킨스는노벨상을받았다. 로잘린플랭클린이 1958 년암으로사망하지않았다면함께노벨상을받았을것이다. 노벨상은사후에수여되지않는다. 왓슨과크릭의모델은유전자와염색체에새로운의미를부여했다. 염색체내유전정보가뉴클레오티드서열로기호화되었다. 16
DN 복제 4. DN 복제는특정염기간의결합에의해일어난다 왓슨과크릭은 DN 구조가유전물질이복제되는기작을설명해줄것이라제시하였다 DN 복제는반보전모델 (semiconservative model) 로이뤄진다 2개의 DN가닥이풀린다 각가닥은특정염기쌍으로상보적인가닥을만들어낸다 두개의딸가닥중한가닥은모가닥이고한쪽은새로만들어진가닥이다 nimation: DN 복제고찰 17
그림 10.4_s3 T T T T T C G G C C G G C G C C G C G G C G C T T T 뉴클레오티드 T T T T T DN 모분자 두가닥의모분자가주형역할을함 두개의똑같은딸 DN 분자 그림 10.4 DN 복제의주형모델 그림 10.4B T G C T T T 모 DN 분자 딸가닥 모가닥 딸 DN 분자 그림 10.4B DN 가닥의풀림과복제 18
5. DN 복제는여러지점에서동시에양방향으로진행한다 DN 복제는복제기점에서시작한다 복제기점에서 DN 가풀리고복제방울 (bubble) 이형성된다 복제는복제기점에서양방향으로진행된다 복제방울에서새로운딸가닥이생성되면서복제가마무리된다 DN 복제는 5 -> 3 방향으로일어난다. 주형의 3 -> 5 방향으로는복제가연속적으로일어남 주형의 5 -> 3 으로는연속적이지못해조각조각 (okazaki fragments) 합성된다 5. DN 복제는여러지점에서동시에양방향으로진행한다 DN 복제에는 2 가지중요한단백질이필요하다 1. DN 연결효소 (DN ligase) 는작은 DN 조각들은연결한다. 2. DN 중합효소 (DN polymerase) 는 뉴클레오티드를새로만들어지는딸가닥에붙여주고 복제중잘못연결된염기쌍을교정해준다. nimation: 복제기점 nimation: 선도사슬 nimation: 지연사슬 nimation: DN 복제복습 19
5. DN 복제는여러지점에서동시에양방향으로진행한다 DN 중합효소와 DN 연결효소는유해한방사선과독성화학물질에손상된 DN 수선에도관여한다. DN 복제는다세포생물의모든체세포가동일한유전정보를갖도록해준다. 모 DN 분자 복제기점 모가닥딸가닥 복제방울 두개의딸 DN 분자 그림 10.5 복제중인 DN 에있는여러개의 복제방울 20
5 말단 3 말단 P 4 3 P 5 2 1 T 2 1 5 HO 3 4 P C G P P G C P P T OH P 3 말단 5 말단 5 3 모 DN DN 중합효소 복제분기점 3 5 3 5 연속적으로합성되는딸가닥 조각조각합성되는딸가닥 5 3 DN 연결효소 전체적인복제방향 21
DN 에서 RN 로그리고단백질로의유전정보흐름 6. DN 유전자형은단백질로발현되며이단백질이표현형의분자적기초를제공한다 DN 는단백질합성을지시하여개체의특성을결정한다. 핵에있는 DN 로부터분자적명령이 RN 로, 세포질의 RN 에서단백질합성으로이어진다 전사 (Transcription): DN 유전정보를 RN 로바꾸는과정. 번역 (Translation): RN 정보를단백질로전화시키는과정. 22
그림 10.6_s3 The flow of genetic information in a eukaryotic cell DN 전사 RN 핵 번역 세포질 단백질 6. DN 유전자형은단백질로발현되며이단백질이표현형의분자적기초를제공한다 유전자와단백질간의연관성 초기에는 1 유전자 -1 효소설 : 유전되는대사성질환연구의결과를바탕으로확립됨 1 유전자 -1 단백질설 : 유전자가효소보다는단백질과더관련이있다는생각 최근에는 1 유전자 -1 폴리펩티드설 : 일부단백질이여러폴리펩티드로구성된다고인식함 23
7. 코돈에담겨있는유전정보는아미노산서열로번역된다 DN 의뉴클레오티드서열이단백질을구성하는암호를제공한다. 단백질구성에는뉴클레오티드서열이아미노산서열로전환되어야함. 전사란 DN 암호를같은뉴클레오티드 언어 를이용하여 RN 로다시쓰는것 7 코돈에담겨있는유전정보는아미노산서열로번역된다 유전자에서단백질로정보전달이삼염기조암호 (triplet code) 에의해이루어진다 : 폴리펩티드사슬내아미노산서열에대한유전정보는 DN 와 RN 상의코돈 (codon) 이라는중첩되지않은세개의염기단어로쓰여진다 번역과정에의해뉴클레오티드언어가아미노산언어로전환된다 각아미노산은코돈에의해결정된다 64 가지코돈의암호가가능. 일부아미노산은코돈이한개이상존재 24
그림 10.7 DN 분자 유전자 1 유전자 2 유전자 3 DN 전사 RN 번역 C C G G C U U U G G C C G U U U U 코돈 폴리펩티드 아미노산 그림 10.7_1 DN 전사 C C G G C RN 번역 U U U G G C C G U U U 코돈 U 폴리펩티드 아미노산 25
8 유전암호는코돈이어떻게아미노산으로번역되는지결정한다 유전암호 (genetic code) 의특징 3 개의뉴클레오티드가하나의아미노산을나타냄. 61 의코돈이아미노산을암호화함. UG 는아미노산인메티오닌을암호화하며번역을시작하는신호 3 개의종결코돈 (stop codons) 은전사를종결하는신호 8 유전암호는코돈이어떻게아미노산으로번역되는지결정한다 유전암호 (genetic code) 중복성 : 여러개의코돈이한아미노산을지정하는것 명확성 : 한아미노산에대한코돈이다른어느아미노산도지정하지않는것 단순한미생물에서복잡한동식물에이르기까지모든생물의유전암호는거의동일하다 코돈을구성하는뉴클레오티드는코돈끼리간격이생기거나멈춤이생기는일이없다 26
그림 10.8 그림 10.8B_s3 전사되는가닥 DN 전사 T C T T C T G G T T T T T C G RN U G G U U U U G 번역 개시코톤 종결코돈 폴리펩티드 Met Lys Phe 27
9 전사는 DN 의유전정보를 RN 로옮기는과정이다 전사 (transcription) RN 분자는 DN 복제중새로운 DN 가닥이합성되는것과비슷한방식으로전사된다. RN 뉴클레오티드는전사효소인 RN 중합효소 (polymerase) 가연결한다. DN 를따라전사의시작과종결이일어나는지점은특정서열로표시되어있다. 프로모터 (promoter ): 전사를시작하라 는신호서열. 9 전사는 DN 의유전정보를 RN 로옮기는과정이다 개시 (Initiation): RN 중합효소가프로모터 (promoter) 에결합하고, 이부위에서 DN 가닥이풀리고전사가시작됨 신장 (Elongation): RN 뉴클레오티드가사슬에첨가되면서길어짐. RN 가분리되고 DN 두가닥은원상태로돌아감 종결 (Termination): 전사의마지막단계. RN 중합효소가 DN 주형내종결신호 (terminator) 에도달하며종결신호는유전자의끝부분을알려줌 중합효소는이지점에서유전자와 RN 로부터떨어져나온다. nimation: 전사 28
그림 10.9 close-up view of transcription RN 중합효소 RN 뉴클레오티드 C C U C C T G G T T 전사방향 새로합성된 RN DN 주형가닥 그림 10.9B RN 중합효소 유전자 DN 종결신호 DN 프로모터 DN 1 개시 2 신장 그림 10.9 에서보았던부분 3 종결 신장되는 RN 완성된 RN RN 중합효소 29
10 진핵세포의 RN 는핵에서 mrn 로나오기전에재단과정을거친다 Messenger RN (mrn) 아미노산서열을암호화한다 DN 의유전정보를세포내번역기관에전달한다 원핵생물 : 전사와번역이모두세포질에서일어남 진핵생물 : 핵막을통해 mrn가세포질로나와야함. 진핵생물의 mrn 는비암호부위인인트론 (intron) 과암호부위인엑손 (exon) 이존재한다 10 진핵세포의 RN 는핵에서 mrn 로나오기전에재단과정을거친다 진핵세포의 mrn 는핵을떠나기전에재단과정을거친다 RN 스플라이싱 (RN splicing): 인트론을제거하고엑손을연결하여아미노산암호부위가연속적으로연결됨 mrn 전사물의양끝에모자 (cap) 와꼬리 (tail) 가첨가된다 모자 (Cap) 가 5 끝에첨가됨 : 단일구아닌뉴클레오티드로구성 꼬리가 3 끝에첨가됨 : 50-250개의아데닌으로구성된폴리 꼬리 (Poly- tail) mrn가핵에서세포질로이동하는것을돕는다 세포에있는효소의공격으로부터 mrn를보호 리보솜이 mrn에결합하는것을돕는다. 30
그림 10.10 The production of eukaryotic mrn 11 운반 RN 분자는번역중통역사로작용한다 운반 RN(Transfer RN, trn) 는분자통역사이다 mrn 의코돈을아미노산으로바꾼다 운반 RN 분자는다음의통역임무를수행한다 적절한아미노산을결합하는기능 안티코돈 (anticodon) 이라는특별한삼염기조를이용하여 mrn 에서의적절한코돈을인식하는기능. 31
그림 10.11 The structure of trn 그림 10.11B molecule of trn binding to an enzyme molecule (blue) trn 효소 TP 32
12 리보솜에서폴리펩티드가합성된다 번역은리보솜 (ribosome) 표면에서일어난다 리보솜은 mrn 와 trn 를가까이접근시켜폴리펩티드합성을촉매한다. 리보솜은큰소단위와작은소단위 2 개로구성된다 각소단위는리보솜 RN 와단백질로구성된다 리보솜소단위들은전사중에조립된다 리보솜에는 mrn 와 trn 의결합부위가있다 그림 10.12 The true shape of a functioning ribosome trn 분자 신장중인폴리펩티드 큰소단위 작은소단위 mrn 33
그림 10.12B trn- 결합부위 큰소단위 P site site 작은소단위 mrn- 결합부위 그림 10.12C ribosome with occupied binding sites 신장중인폴리펩티드 폴리펩티드에첨가될다음아미노산 mrn trn 코돈 34
13 개시코돈은 mrn 정보의시작을표시한다 번역과정도전사처럼 3 단계로나뉜다 : 1. 개시 2. 신장 3. 종결 개시단계 mrn 와첫번째아미노산을가진 trn, 두개의리보솜소단위가한데모인다 13 개시코돈은 mrn 정보의시작을표시한다 개시는정확히번역이시작될지점을확립한다. 개시는 2 단계로이루어진다 1. mrn 가리보솜의작은소단위와결합하고, 개시 trn 는 mrn 분자에서개시코돈 (start codon) 에결합한다 개시코돈인 UG 는메티오닌으로암호화한다 개시 trn의안티코돈은 3'-UC-5' 이다 2. 리보솜의큰소단위가작은소단위와결합하여기능을수행한다 개시 trn 는 P자리를채우며이자리는길어지는폴리펩티드가위치하는부위 자리는다음 trn가들어올자리 35
그림 10.13 유전정보의시작 모자 끝 꼬리 그림 10.13B The initiation of translation 36
14 신장단계에서는종결코돈에의해번역이종료될때까지폴리펩티드사슬에아미노산이첨가된다 일단개시가완료되면아미노산이처음아미노산에하나씩첨가된다. 신장은폴리펩티드사슬에아미노산을첨가하는것이다 14 신장단계에서종결코돈에의해번역이종료될때까지폴리펩티드사슬에아미노산이첨가된다 신장주기는 3 단계로나눈다 1. 코돈인식단계 (Codon recognition): 새로첨가될아미노산을달고있는 trn 분자의안티코돈이리보솜의 자리에있는 mrn 코돈과결합 2. 펩티드결합형성단계 : 펩티드사슬에새로운아미노산이연결된다 P 자리에있는 trn 의아미노산이 자리에있는 trn 의아미노산과공유결합으로연결된다 3. 전이단계 : P 자리에있는 trn 는리보솜에서떨어져나오고리보솜이이동하면서 trn 가 자리에서 P 자리로이동한다. 37
14 신장단계에서종결코돈에의해번역이종료될때까지폴리펩티드사슬에아미노산이첨가된다 리보솜이종결코돈 (stop codon ) 에도달할때까지신장이계속된다 완성된폴리펩티드는마지막 trn로부터분리되고 이어리보솜의두개의소단위가분리됨. 종결 완성된폴리펩티드가분리됨 리보솜의소단위가분리됨 nimation: 전사 그림 10.14_s4 폴리펩티드 mrn P 자리 자리 코돈 아미노산 안티코돈 1 코돈인식 mrn 이동방향 종결코돈 새로운펩티드결합 2 펩티드결합형성 3 전이 38
15 개요 : 세포내의유전정보는 DN RN 단백질로전달된다 전사란 DN 주형에서 RN 가합성되는것이다. 진핵생포경우, 전사가핵에서일어남 핵에서세포질로이동해야한다 15 개요 : 세포내의유전정보는 DN RN 단백질로전달된다 번역과정은 4 단계로나뉘며모두세포질에서일어난다 1. 아미노산이붙고 2. 폴리펩티드합성이개시됨 3. 신장 4. 종결 39
그림 10.15 그림 10.15_2 번역 세포질 2 아미노산의부착 아미노산 효소 trn TP 개시 trn 리보솜큰소단위 2 3 안티코돈 폴리펩티드합성의개시 mrn 개시코돈 리보솜작은소단위 40
그림 10.15_3 신장되는폴리펩티드 새로운펩티드결합의형성 4 신장 mrn 코돈 폴리펩티드 5 종료 종결코돈 41