Re: 위대한 세포 '단백질을 만드는 정보 유전자'

[문형철]

beyond reason

1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 라이노스 폴링이 단백질 구조를 밝히는데 사용한 알파나선구조,어윈 샤가프가 밝힌 염기쌍 비율 그리고 모리스 윌킨스와 로절린드 프랭클린이 제작한 DNA의 X-선 사진 등을 종합적으로 분석하여 DNA는 A와 T, G와 C가 결합한 이중나선구조라는 모델을 제시함. 염기쌍은 항상 A와 T, G와 C의 수소결합을 통해 이루어짐. 

분자생물학 연구가 정상궤도에 오른 1980년대부터 2000년대 초반까지 마치 골드러시처럼 새로운 유전자(Gene)를 찾는 연구가 유행함. 

유전자는 '단백질을 만드는 정보'라는 내용을 중심으로 유전자에 대한 분자생물학적 지식을 알아봄. 유전자는 정보이고 단백질은 정보에 의해 만들어진 결과물임. 단백질은 생체내의 다양한 화학반응을 매개하는 효소, 면역을 담당하는 항체와 사이토카인, 생리현상을 조절하는 호르몬, 세포간의 의사소통을 담당하는 리간드와 수용체, 그리고 연골, 피부, 털 등의 주요성분인 콜라겐과 케라틴 등 단백질의 종류와 기능은 실로 다양함. 무려 10만종 이상이 있다는 단백질은 고작 20종류의 아미노산들이 다양한 순서로 길이제한없이 연결되어 만들어짐. 

연결순서를 결정하는 것이 바로 '유전자'임. 예를들어 인슐린은 110개의 아미노산이 일정한 순서로 연결된 단백질인데 110개의 순서를 결정하는 것이 바로 인슐린 유전자임. 

RESEARCH ARTICLE

Insulin gene mutations as a cause of permanent neonatal diabetes

Julie Støy, Emma L. Edghill, Sarah E. Flanagan, Honggang Ye, Veronica P. Paz, Anna Pluzhnikov, Jennifer E. Below, M. Geoffrey Hayes, Nancy J. Cox, Gregory M. Lipkind, Rebecca B. Lipton, Siri Atma W. Greeley, Ann-Marie Patch, Sian Ellard, Donald F. Steiner, Andrew T. Hattersley, Louis H. Philipson, Graeme I. Bell, and Neonatal Diabetes International Collaborative Group**

PNAS September 18, 2007 104 (38) 15040-15044; https://doi.org/10.1073/pnas.0707291104

1. Contributed by Donald F. Steiner, August 2, 2007 (received for review July 25, 2007)

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Abstract

We report 10 heterozygous mutations in the human insulin gene in 16 probands with neonatal diabetes. A combination of linkage and a candidate gene approach in a family with four diabetic members led to the identification of the initial INS gene mutation. The mutations are inherited in an autosomal dominant manner in this and two other small families whereas the mutations in the other 13 patients are de novo. Diabetes presented in probands at a median age of 9 weeks, usually with diabetic ketoacidosis or marked hyperglycemia, was not associated with β cell autoantibodies, and was treated from diagnosis with insulin. The mutations are in critical regions of the preproinsulin molecule, and we predict that they prevent normal folding and progression of proinsulin in the insulin secretory pathway. The abnormally folded proinsulin molecule may induce the unfolded protein response and undergo degradation in the endoplasmic reticulum, leading to severe endoplasmic reticulum stress and potentially β cell death by apoptosis. This process has been described in both the Akita and Munich mouse models that have dominant-acting missense mutations in the Ins2 gene, leading to loss of β cell function and mass. One of the human mutations we report here is identical to that in the Akita mouse. The identification of insulin mutations as a cause of neonatal diabetes will facilitate the diagnosis and possibly, in time, treatment of this disorder.

핵산(DNA와 RNA)

스위스의 생화학자 프리드리히 미셰르는 핵속에 존재하는 산성물질을 발견하고 이를 '핵산'이라고 명명함. 핵산에는 DNA(deoxyribonucleic acid 데옥시리보핵산)와 RNA(ribonucleic acid 리보핵산) 두종류가 있음. 

DNA구성성분은 뉴클레오티드임. 1957년 노벨화학상을 받은 알렉산더 토드는 한개의 뉴클레오티드는 당, 인산, 염기로 이루어져 있으며 염기는 네종류로 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 사이토신(cytocine), 티민(thymine) A,G,C,T 가 있다는 사실을 밝혀냄. 즉 DNA는 4종류의 뉴틀레오타이드로 구성됨. 

Structural elements of three nucleotides—where one-, two- or three-phosphates are attached to the nucleoside (in yellow, blue, green) at center: 1st, the nucleotide termed as a nucleoside monophosphate is formed by adding a phosphate group (in red); 2nd, adding a second phosphate group forms a nucleoside diphosphate; 3rd, adding a third phosphate group results in a nucleoside triphosphate. + The nitrogenous base (nucleobase) is indicated by "Base" and "glycosidic bond" (sugar bond). 

All five primary, or canonical, bases—the purines and pyrimidines—are sketched at right (in blue).

미국의 생화학자 어윈 샤가프는 세포에 A와 T가 염기쌍을 이루고 G와 C가 염기쌍을 이룬다는 사실을 밝혀냄. 

DNA가 유전물질이라는 사실이 밝혀지자 DNA구조를 밝히려는 연구가 경쟁적으로 진행되었고 1953년 왓슨, 크릭은 DNA는 A-T, G-C가 결합한 이중나선구조라는 모델을 제시하여 1062년 노벨상을 수상함.A,T,G,C 네종류의 뉴클레오티드가 연결된 순서를 DNA염기서열이라 하고 이중나선구조에서 A-T, G-C가 서로 염기쌍을 이루는 것을 상보적 결합이라고 함. 상보적 결합법칙에 어긋나는 실수가 바로 돌연변이임. 

인간세포 하나하나에는 30억개 남짓의 DNA염기쌍이 23개의 염색체에 나뉜채 길게 연결되어 있음. 물론 헝클어진 실몽당이처럼 되지 않기 위해서 히스톤이라는 단백질을 실패삼아 질서정연하게 감겨있는 모양임. 

인간의 세포에 들어있는 30억개의 DNA염기서열 전부가 단백질을 만드는 정보를 가진 것은 아님. 단백질을 만드는 정보를 가진 부분을 유전자라 부르고 단백질 합성정보를 가지고 있지 않은 부위를 junk DNA라고 함. 

중심원리(central dogma)

DNA로부터 단백질은 어떻게 만들어질까? 프랜시스 크릭박사는 DNA로부터 mRNA가 만들어지고 mRNA로부터 단백질이 만들어진다는 중심원리(central dogma)를 주장. 로버트 훌리, 고빈드 코라나, 마셜 니런버그는 이 가설이 옳음을 실험적으로 증명하여 노벨상을 수상. 그들은 DNA틀로 사용하여 만들어진 mRNA의 유전정보는 염기 3개가 하나의 아미노산을 지정하는 방식으로 단백질을 합성한다는 사실을 발견함. 

4종류의 염기 2개가 만들수 있는 조합은 16가지. 염기 4개가 만들수 있는 조합은 256가지. 

아미노산을 지정하는 mRNA의 3개 염기서열을 코돈(Codon)이라하며 이들 코돈의 조합을 유전암호(genetic code)라고 함. 4개의 염기를 이용하여 3자리의 염기서열 조합인 코돈을 만들 수 있는 경우의 수는 64가지 이므로 유전암호는 64가지가 존재하는데 각각의 유전암호는 1개의 아미노산을 지정함. 염기서열 3개가 하나의 아미노산을 지정하는 방식의 문제점은 염기서열 3개가 만들 수 있는 조합은 64가지인데 비해 아미노산의 수는 20가지이기 때문에 일대일 대응이 아님. 어떤 경우에는 여러개의 코돈이 하나의 아미노산을 지정할 수 밖에 없음. 

실제로 GCU, GCC, GCA, GCG등은 모두 알라닌을 지정하고 AUU, AUC, AUA 등은 모두 이소류신을 지정함. 

만약 세포분열과정에서 CCC자리에 실수로 CCG를 합성하는 돌연변이가 발생한다면 단백질합성과정에서프롤린 아미노산 자리에 아르기닌 아미노산이 끼어들게 되어 단백질의 구조 및 기능에서 치명적인 결함을 일으킬 수 있음. 아미노산이 연결되어 단백질을 합성할때 첫번째 아미노산은 반드시 시작 코돈인 AUG에 의해 지정되는 메티오닌이며 UAA, UAG, UGA라는 3개의 정지코돈 중 하나라도 나타나면 아미노산이 더는 연결되지 않고 단백질 합성은 종료됨.

유전자 발현(gene expression‎)

DNA로부터 mRNA가 만들어지는 전사과정(transcription)과 mRNA로부터 단백질이 만들어지는 번역(translation)과정을 통틀어서 유전자 발현(gene expression‎)이라고 함. 

.. 하나의 유전자가 한개의 기능만을 수행하는 것이 아니라 다양한 기능을 수행하기도 함. 그래서 유전자의 기능을 한마디로 규정하는 것은 쉽지 않음. 인간이 가지고 있는 2만 5천개의 유전자가 다양한 조합으로 수행하는 복잡한 일에서 한 유전자의 기능을 규명하는 것이 얼마나 어려운 일이지 상상해보라.

DNA에서 단백질 합성까지의 험난한 과정

1) DNA염기서열에 변화가 생기는 돌연변이가 없어야 함. 세포내 활동의 부산물로 만들어진 활성산소나자외선에 의해 DNA가 끊어질 수 있음. DNA가 끊어지면 DNA를 수선하는 작업이 일어나지만 불완전한 수선작업으로 몇개의 뉴클레오티드가 소실되는 돌연변이가 발생할 수 있음. 

2) DNA로부터 mRNA가 만들어지는 과정을 무사히 마쳐야 함. mRNA는 세포자체의 필요때문에 세포의자발적 결정에 따라 만들어지기도 하지만 외부에서 전달되는 신호에 반응하여 만들어지기도 함. 외부 신호는 '호르몬, 성장인자, 사이토카인, 형태형성인자 등' 다양한 신호전달물질에 의해 전달되며 세포 역시다양한 수용체를 통해 이들 신호를 받아들임. 백혈병 치료제 글리벡은 신호전달을 차단하는 대표적인 약물임. 

3) mRNA로부터 생성된 단백질이 공정과정을 거쳐 기능적인 단백질로 만들어져야 함. 아미노산이 연결되어 만들어진 직선 형태의 단백질은 꼬이기도 하고 다른 부위와 결합하기도 하여 3차원의 기능적인 구조가 만들어지며 아미노산의 각 부위는 인산화, 아세틸화, 메틸화, 스모화 등 다양한 형태의 변형을 통해 기능적인 단백질로 만들어짐. 뿐만 아니라 단백질들은 핵, 세포질, 세포막, 세포밖 등 기능을 수행할 곳으로 보내져야 하는데 DNA에는 이동수단에 대한 정보도 포함되어 있음. 

이처럼 DNA로부터 정상기능을 하는 단백질이 만들어지기 위해서는 전사, 전사후, 번역, 번역후 단계에 이르기까지 많은 조절과정을 거쳐야 함. 

후성유전학

일란성 쌍둥이는 같은 DNA염기서열을 가지고 있으므로 표현형이 같아야 함. 그런데 많은 차이가 나타남. 이는 분명 유전자 외에 다른 요인에 의해 생기는 일임이 분명함. 

 mRNA가 만들어지기 위해서는 RNA중합효소가 DNA에 결합하여야 하는데 이를 위해서는 RNA중합효소가 결합하는 DNA 염기서열부분이 노출되어 있어야 함. 만약 DNA가 엉켜서 이 부위가 닫혀있다면 RNA중합효소는 DNA에 결합하지 못하고 결국 유전자 발현은 일어나지 못함. DNA의 풀림과 엉킴을 조절하는 것은 히스톤(histone)단백질임. DNA는 히스톤 복합체를 감싸고 있는데 이를 뉴클레오솜이라고 함. 

일반적으로 히스톤 단백질꼬리 부분에 메틸기가 붙으면 뉴클레오솜이 엉기고 아세틸기가 붙으면 뉴클레오좀이 풀림. 히스톤 단백질들의 꼬리부분에는 메틸기 또는 아세틸기가 붙을 수 있는 자리가 다양하게 존재하는데 이들 자리의 메틸화 또는 아세틸화 양상에 따라 뉴클레오솜의 엉김과 풀림이 조절됨. 히스톤단백질 꼬리부분의 메틸화 또는 메틸화 양상을 히스톤 코드(histone code)라고 함. 히스톤 코드에 의한 DNA의 엉킴과 풀림은 유전자 발현과 밀접한 관계가 있음. 

히스톤 단백질은 H1, H2A, H2B, H3, H4가 있음. DNA는 H2A-H2B-H3-H4가 아래, 위로 포개진 8개의 히스톤 복합체(histone octamer)를 146개의 염기서열이 감싸고 있는 구조가 반복됨. 이들 반복된 구조 사이에 대략 40여개의 염기서열이 있으며 중간부위에 히스톤 H1이 결합해 있음. 이처럼 DNA가 히스톤을 감싸고 있는 모양을 뉴클레오솜이라고 함. DNA염기서열이 같더라도 DNA의 상태에 따라 유전자 발현이 다르게 나타날 수 있는데 이를 주로 연구하는 학문이 '후성유전학'임. 

노벨상을 받은 유전자 연구들

노벨 생리의학상

1910년 알브레히트 코셀 '핵산과 단백질의 화학적 성질규명'

1933년 토머스 모건 '유전자의 염색체내 존재규명과 염색체 지도 작성법 개발'

1958년 에드워드 테이텀 '유전자의 형질전환과 효소와의 상관관계 규명. 세포의 유전자 재조합 현상발견

1959년 세베로 오초아 'RNA Polymerase'의 발견과 RNA생합성

          아서 콘버그   'DNA polymerase'의 발견과 DNA복제

1962년 제임스 왓슨, 프랜시스 크릭, 모리스 윌킨스 'DNA 이중나선 구조발견'

1965년 프랑수아 자코브, 자크모노 '유전자 발현 조절기전 규명'

1968년 고빈드 코라나, 마셜 니런버그 '단백질 합성과정의 유전자 암호해독, tRNA기능규명'

1969년 막스 델브뤼크, 알프레드허시 '박테리오파지 복제기전과 유전적 구조발견'

1975년 데이비드 볼티모어 'RNA virus발견, RNA-DNA로의 복제, 역전사효소 Reverse trasncryptase 발견'

1978년 데니얼 네이선스, 해밀턴 스미스 '제한효소의 발견과 이의 활용법 개발'

1983년 바버라 매클린톡 '전이인자(transposon)의 발견'

1993년 리처드 로버츠, 필립 샤프 '분할유전자, 엑손, 인트론의 발견'

2002년 시드니 브레너, 존 설스턴 '선충의 발생과 세포자살 현상규명'

2006년 앤드루 파이어, 크레이그 멜로 'srRNA에 의한 유전자 발현 억제기전의 발견'

2007년 마리오 카페키, 올리버 스미시스 '유전자 적중법 개발(녹아웃 생쥐 생산)'

2009년 엘리자베스 블랙번 '텔로미어, 텔로머레이스 발견'

노벨 화학상

1980년 폴버그 '대장균을 이용한 재조합 DNA 기술 개발'

1980년 월터 길버트, 프레더릭 생어 'DNA염기서열법 개발'

          생어는 1958년 아미노산 서열분석법으로 노벨화학상 수상

1982년 애런 클루그 '바이러스 핵산 및 단백질의 구조규명'

1989년 시드니 올트먼 'RNA효소 기능발견'

1993년 캐리 멀리스, 마이클 스미스 'PCR개발'

2006년 로저 콘버그 '진핵생물의 유전정보 전사과정 규명'

2009년 벤카트라만 라마크리슈난, 토머스 스타이츠 '리보솜의 정밀구조 및 기능규명'

[문형철]

드디이 dna repair 라는 개념과 dna methylation, histone modificaion등의 개념을 이해할 수 있는 기틀을 마련!!