유전자 형질전환(1)

[동촌]

DNA,RNA,의 유형 특징

RNA전사는 RNA polymerase가 담당한다.DNA ->(전사)- RNA ->(반역, 해독)- protein -> 현상, 형질 발현 이러한 전사에서 번역의 과정을 [유전자 발현]이라고 하는데, 5'->3' 중합활성을 갖게 됩니다. 원핵세포는 RNA polymerase 한 종류에 의해 이러한 중합활성을 갖게 되는데, 원핵세포(예, E. Coli)의 경우는 전사와 번역이 "세포질"이라는 동일한 장소에서 일어나게 되는데, 그 이유는 원핵세포는 핵막이 없기 때문이다. 즉, mRNA의 합성장소와 mRNA로부터 단백질 합성과정이 거의 동시에 연계되어 일어나게 된다. 이러한 것은 mRNA의 합성과 번역이 모두 5'->3'으로 이루어지므로 mRNA의 합성이 종결되기 전에 번역이 시작될 수 있기 때문이다. 따라서 전사 종결 후, mRNA의 구조가 변형되지 않으며 분자의 수명도 짧아 유전자 발현의 효과적이 개폐를 촉진시킨다. 진핵세포의 경우에는 RNA poly,erase Ⅰ(45 S rRNA 전구체 형성); 분리되면 5.8 S와 28 S rRNA),과 RNA polymerase Ⅱ(mRNA 전구체 형성), 그리고 RNA polymerase Ⅲ(t RNA와 5S rRNA)가 관여하게 됩니다. 이들 RNA polymerase는 RNA processing과정에 필요한 요소이구요. 진핵세포에서의 RNA polymerase는 5'-> 3' 의 중합활성을 갖게 되는데, 이러한 중합활성은 기존 가닥에서 제공되는 3'-OH를 필요로 하지 않습니다. 즉, Primase가 필요없다는 것이구요. 이러한 중합활성은 10-4∼10-5정도의 에러율을 갖게 되는데, A. U. G. C 에 대한 교정판독기능이 없습니다. 즉, 3'-> 5' 외부핵산가수분해 효소활성이 없다는 것이구요. 진핵세포에서는 전사과정이 "핵 속"에서 이루어지고 번역은 "세포질"에서 일어나기 때문에 mRNA의 합성과 단백질 합성 과정은 시간·공간적으로 분리되어 별로로 일어나게 됩니다. 이러한 유전자 발현은 첫 번째, 핵 속에서 합성되어 핵공을 통해 세포질로 나올 때, mRNA의 구조에 많은 변형을 가져 오게 되는데, 이러한 경우는 mRNA 분자의 수명도 원핵세포보다 훨씬 길다. - Exon & Intron ?① Exon(엑손) : 진핵생물 유전자 서열에서 암호화된 서열. 중간중간에 인트론이 포함되어 있어 실제 이들의 암호화서열은 흩어져 잇다. ② Intron(인트론) : 진핵생물 유전자 서열에서 비암호화된 서열. 80 뉴클레오티드에서 10,000 뉴클레오티드의 길이를 갖는 것이 보통. RNA spilicing에 의해 제거된다.- Promoters & Enhancers ?① 프로모터(Promoter) : RNA 합성시작점을 알리는 염기서열이 포함된 MRNA의 부위. 이 부위는 박테리아 중합효소에서 시그마(σ)인자라 불리는 소단위체는 일차적으로 DNA에 있는 프로모터 서열을 인식하는 역할을 담담한다.조절부위중에서 실제 RNA polymerase가 결합하는 부분이다.② 엔헨서(Enhancer) : 진핵생물에서의 유전자발현 조절부위로 조절단백질이 결합하는 부위이다. 실제 암호화된 유전자보다 수천 base pair앞부분에 존재하여 원격조정(remote control)에 의해 조절된다.- Transcription Factor ?<BR>① RNA polymerase② σ subunt③ ④Methylation Pattern and the Control of Transcription ?(1) DNA 메틸화의 특징① A와C가 G와 T보다 쉽게 메틸화된다.② 특정한 염기서열 또는 영역내에서 일어난다.③ DNA 메틸화 효소(DNA metylase)모두 메틸기의 공여체로 모두 아데노실 메티오닌(adenocyl-methionine)을 사용한다.(2) DNA메틸화의 종류① 원핵생물에는 제한효소(restriction endonuclease)가 있어 특정 염기서열만을 인식하여 전달한다. 이러한 제한효소가 있는 이유는 외부 DNA의 전달. 즉, Virus DNA에 대한 방어기작으로 작용하는 것이다. 또한 자신의 DNA도 절달하게 되는데, 자신의 DNA를 절단하는 것을 보호하는 기작이 "메틸화"이다. 이는 메틸화효소(methylase ; 수식효소)가 작용하는데, 제한효소에 의해 인식되는 특정 염기서열이 같다. ② Dam 메틸화 효소(DNA adenine methylation -> Dam)에 의한 메틸화 반응은 5'GATC3'내의 A를 6-methyladenine으로 변화시키는 반응으로 5'GATC3'의 A에 메틸기인 -CH3가 붙어 있는 회문구조이다. 그러나 잘못 염기쌍이 형성되면, 잘못 결합된 염기 가닥에서 비틀림현상이 일어나게 되는데, 이는 메틸화효소의 첨가시 구별할 수 있다. 이렇게 DNA 복제시에 때때로 일어나는 염기쌍의 잘못 짝지움을 수복(mismatch repair)에 중요한 역할을 한다 DNA Methylation and Gene Activity ?이중가닥의 DNA에서 5'GATC3'과 3'CTAG5'의 두 가닥에서 잘못 결합된 염기는 수소결합이 제대로 형성되지 않아 DNA가 뒤틀림 현상을 가져온다. 이러한 뒤틀림 현상을 MutS 단백질이 인식하고 GATC 서열을 MuTH 단백질이 인식하여 이들 상호간에 복합체인 MutL을 형성한다. 그렇게 되면 5'GATC3'의 5'을 전달하여 제거(endonuclease)하게 된다. 즉, 인산에스테르 결합을 절단하는 것이다. 이때 Dam 메틸화 효소는 어느 가닥이 잘못되었는지 구분하는데 도움을 주게 된다. 이후 3'->>5' exonuclease(exonuclease I ; hellicase II, SSBP가 도움)의 작용으로 이중가닥을 절단하고 DNA polymerase에 의해 중합된다. 이후 DNA ligase에 의해 nick를 연결하게 된다. Transcriptional Regulation of An Entire Chromosome ?염색체의 응집정도와 유전자 활성 조절관계를 보면, 예를들어 포유류의 암컷의 불활성화된 X염색체는 전사 불가능한 고도로 응집된 [바소체]를 형성한다. 그리고 초파리(Drosopilla)의 유충단계에서 특정 유전자가 일어나는 [탈응집현상]. → 퍼프(Puff)가 발생한다. 이 퍼프가 응측되면 전사가 일어나지 않고 전사를 위해 퍼프가 풀어지는 과정을 퍼핑(Puffing)이라고 한다. 이렇게 퍼프가 탈응축하게 되면 활성을 갖게 되어 전사가 시작된다. 이러한 현상은 파리목, 나비목, 벌목 등의 완전변태를 하는 곤충에서 볼 수 있으며, 또한 잠자리, 메두기의 불완전변태를 하는 외시(유충시 날개 유(有))에서 볼 수 있다. Dosage Compensation ?Differential RNA Processing원핵과 진핵의 전사개시상의 차이점을 보면, 진핵생물은 RNA polymerase가 3종류(Ⅰ,Ⅱ, Ⅲ)가 필요하다. 이 RNA polymerase는 GTF를 필요하게 되는데, 이 GTF는 RNA polymerase가 promoter에 친화력이 낮다. 원핵생물의 경우는 다른 단백질의 도움없이 전사를 개시한다.진핵생물의 조절부위는 Enhencer이고 여러개이 조절단백이 동시에 하나의 유전자에 관여하며, DNA 가 Nucleosome 또는 더 응축된 상태에서 진행한다. nRNA Selection ?- mRNA splicing ?진핵세포에서 mRNA를 만들기 위해서는 일단 엑손 뿐만 아니라 인트론을 포함하는 전체 유전자가 일차 전사체라는 긴 RNA분자로 전사된다. 그러나 캡형성(5'끝쪽에 G가 붙는다)과 폴리아데닐화(3'끝에 A 많이 붙여 poly-A tail를 형성)가 일어난 후, 아직 RNA가 핵을 떠나기 전에 모든 인트론 서열이 제거(SnRNP(small nuclear ribonucleoprotein particle)에 의해)되고 엑손들만 연결된다. 그 결과 연속된 암호화서열이 포함된 짧은 RNA분자가 되는데, 이를 [RNA 스플라이싱(splicing)]이라고 불린다. 이 RNA는 이제 핵을 떠나 단백질로 번역될 수 있는 기능을 갖춘 RNA 분자가 되는 것이다. 이렇게 되면 1차 전사산물보다 훨씬 짧은 mRNA가 만들어지게 된다. 일반적으로 한 유전자 내에 있는 인트론의 길이를 모두 합한 것이 엑손들의 길이를 합한 것보다 더 길다. 이러한 RNA 스플라이싱은 원핵생물에 비해 부가적인 이식을 진핵생물에 제공하게 되는데, 많은 진핵생물 유전자의 일차전사페는 유전자가 발현되는 세포유형이나 그 생물의 발달달계에 따라 여러 방식으로 스플라이싱을 통해 서로 다른 mRNA를 생성한다. 이러한 방법으로 하나의 유전자로부터 다른 단백질이 생산될 수 있는 것이다.

                   유전자

 원핵생물 지놈의 분석

몇 다스의 지놈 프로젝트의 서열은 현재 원핵 생물과 진핵 생물 둘 다에서 완성되었다. 그 결과로 지놈 분석에 대한 통찰력을 제공하고, 그리고 어떤 무엇과 다른 원핵. 진핵 생물에서의 지놈 조직을 나타낸다. 결과적으로, 우리는 이들 지놈의 분석을 개별적으로 고려한다.

원핵 생물은 클로닝과 서열결정을 강압하는데 따르는 작은 지놈을 가지기 때문에 50개 이상의 지놈 프로젝트들은 두 유형의 원핵세포로 완성되어졌다. 추가적으로 200개 이상의 프로젝트가 진행중이다. 원핵 생물 지놈 서열은 콜레라, 결핵, 성병과 같은 인간 질병을 야기하는 요인들을 포함하고 있다.

<Eubacteria의 지놈>

 지놈 프로젝트의 결과에 기초하여, 우리는 박테리아성 지놈은 보통 상대적으로 작다 (5Mb보다 작다)고 생각되고, 단일의 환상 DNA분자로 구성된다. 전통적인 관점은 새로운 데이터들로 인해 현재 수정되어지고 있다. 비록 대부분의 원핵생물 지놈은 작지만, 원핵생물 지놈의 크기는 넓게 아주 큰 박테리아성 지놈(Bacillus는 30MB)과 더 작은 진핵생물 지놈 (효모 12.1MB)사이에서 중복되어 달라진다.

데이터들에 의해 검토된 대부분의 원핵생물 지놈은 사실 환상의 DNA분자이지만, 선상의 DNA 분자로 구성된 지놈의 수 증가는 (Borrelia burgdorferi를 포함하여) 관절염을 야기하는 유기체로 확인되어졌다. 게다가 Streptomyces의 몇 종은 선모양의 지놈을 가진다.

아마도 더 중요한 것은 플라스미드 상의 새 발견이 단일 환상 DNA분자로 박테리아성 지놈을 보는 우리의 관점을 재규명한 것일 것이다. 대부분 플라스미드는 한세포에서 다른 것으로 운반되어질 수 있는 비필수적인 유전자를 운반하고, 그리고 같은 플라스미드는 다른 종으로부터 박테리아에 종종 주어진다. 플라스미드 유전자로 제안된 모든 것은 박테리아 지놈의 부분으로서 포함되어져서는 안된다. 그런데 B. burgsdorferisms는 적어도 430 dv전자를 함유하는 대략 17개 플라스미드를 운반하다. 그리고 몇몇은 퓨린계 생합성과 막단백질 유전자를 포함하여  수적으로 나타난다(그림 18-4). 염색체 1(2.96Mb)dms 2770rodml ORFs를 함유하고염색체 2(1.07Mb)sms 1115개의 ORFs를 함유하며, 몇몇의 리보솜의 단백질과 같은 필수적 유전자를 기호화한다. 두염색체가 비브리오의 다른 종에서 표현되어진 이후, 염색체 2는 한 조상 종에 의해 포획된 플라스미드로부터 외관상 유래되었다. 한 염색체가 유도된 플라스미드가 있는 곳인 다염색체성 원핵세포 지놈은 몇몇 중요한 질문을 wrl한다.

예를 들어 언제 플라스미드가 염색체로 간주되어져야 하는지, 또 무엇이 유전자 발현과 대염색체성 원핵생물계를 통제하는 조절 메카니즘인지 등의 질문이다. 이런 질문에 대한 답은 원핵세포 지놈에 대한 우리의 많은 생각을 재조명할 뿐만 아니라, 다염색체성 진핵세포 지놈의 진화에 대한 실마리를 제공하는 것으로 밝혀질 수 있을 것이다.

우리는 박테리아 염색체에서 단백질 클로닝 유전자의 구성과 관련하여 많은 일반화를 만들 수 있다. 첫째로, 유전자 밀도는 매우 높은데, 그 밀도는 평균해서 DNa의 천 염기쌍당 1유전자이다. 대장균은 4288개의 단백질 고딩 유전자를 가진 큰 지놈을 가지고, 거의 1유전자당 1000염시쌍의 밀도를 가진다. M.genitalium은 작은 지놈(0.6Mb)을 갖는 박테리아의 예이다. 503개의 유전자를 포함하며, 또한 대부분 한 유전자 당 1000염기깡을 가진다. 이 조밀한 유전자 꾸러미는 암호화된 DNA로서 운반되어지는 DNA의 매우 놓은 비율의 결과이다 이런 유기체에서, 유전자 사이의 DNA 평균 양은 단지 110-125bp이다. 전형적으로 박테리아 DNA의 1% 미만의 양이 transposable 요소의 형태로 DNA 코드되지 않고, 한 공간에서 다른 지놈에까지 이동할 수 있다. 인트론은 박테리아에서는 극적으로 드물다.

두 번째 일반화된 것은 우리가 박테리아 지놈이 오페론 존재로 특성화 되어지게끔 만들 수 있다는 것이다. 대장균에서 27%의 예전된 전사 단위는 오페론에 있다. Aquifex aeolicus는, 대부분의 유전자가 우리가 보통 오페론이라 부르는 polycistronic 전사단위에 있다. A. aeolicus에서, 한 오페론은 6개 유전자를 갖고 있다. 2개의 DNA 재조합, 1개의 지질 합성, 1개의 핵산 합성, 1개의 단백질 합성, 그리고 세포 운동을 위한 단백질이다. 이런 발견과 지놈 프로젝트와 관련된 결과들은 오페론의 성질과 박테리아 세포의 생화학적 조절에 대한 그들의 역할을 보는 새로운 시각을 제공하고, 오페론에 대한 우리의 개념을 재규명 할 것이다.

그림 18-7은 대장균 유전자 지도의 작은 일부분을 보여주고 있다. 유전자 상의 선은 그들 유전자들이 각각의 단위에서 전사시작 부위가 되는  promoter와 더불어 전사단위에서 어떻게 조직되었는지를 보여준다. 이들 단위의 몇몇은 오페론으로써 조직되어 있다.

<Archaea의 지놈>

예전부터 archaebacteria로 알려진 Archaea는 살아있는 생물체의 세 개의 주된 분열중의 하나이다. 다른 두 개는 핵막이 없는 Haemophilus와 Mycoplasma와 같은 진정세균이고 핵막을 가지는 진핵생물이다. Eubacteria와 같은 Archaea원핵 생물이다. 그것은 핵이 없다는 것이다. 그들은 단지 최근 계를 분류하는 것으로 알려져 왔다. Carl Woese는 1977년 계를 분류하는 것으로서 rDNA로 암호화된 DNA의 뉴클레오타이드 서열에 기초하여 Archaea의. 최초의 분류를 제안했다. 이 분류는 훗날 단백질 서열과 대사 경로 분석에 의해 확인되어졌다.

Archaea는 전형적으로 extremophiles하다. ; 그것들은 매우 높은 온도, 고농도의 염, 고압, 극심한 pH 등의 극단적인 상황에서 살수 있다. 그리고 Archaea는 구형이고 1.7Mb의 DNA 이중나선구조이고 1738 protein-coding 유전자를 포함한다. 이 유기체는 2600미터의 수중과 85℃～94℃까지의 높은 온도에서 살 수 있다. 유전자 조직은 또한 eubacteria를 닮았다. 쌓여져 있는 구조이고 오페론을 가지며 인트론이 있다. DNA합성, 단백질 합성, DNA합성을 포함하는 유전자는  eukaryotes에서 더 많이 닮는다.

 그 화석의 기록은 35억년 전을 가리키고, 박테리아와 유사한 세포는 지구상에 존재했다. 우리는 단지 이런 생물이나 곧 뒤에 나타나게될 생물의 genome이 이중 가닥의 DNA분자로 되어있다고 추측할수 있다. 최초의 진핵생물 화석(단세포로 된 조류로 구성된)은 약 14억년전의 것이다. 원핵생물과 진핵생물은 모두 크리, 모양 그리고 복잡성에서 변화를 받았고, 그들의 지놈은 또한 역동적으로 변하였다. 이런 변화는 변이, 재조합, 전위, 유전자 이동 뿐만 아니라 유전자 삭제와 중복을 포함하는 유전학적 메카니즘에 의해 행해진다. 오늘날 존재하는 생물의 지놈을 검사하고 비교함으로써, 우리는 이런 메카니즘이 어떻게 지놈을 형성하는지에 대한 시각을 얻을수 있다.

<살아있는 세포에서 최소 지놈>

 생존에 필수적인 유전자의 최소 수는 얼마일까? 우리는 아직까지 이 질문에 완벽하게 대답하지 못한다. 왜냐하면 우리는 지놈 서열에 대한 정보에서 각 유전자의 기능을 알지 못하기 때문이다. 그러나, 알려진 유전자 기능에 기초하여, 우리는 세포 기능을 수행하는데 요구되는 유전자의 최소 수를 추측할 수 있다. 이로 인해, 우리는 Mycoplasma genitalium 과 M. pneumoniae의 가장 작은 두 개의 박테리아 지놈의 서열정보를 사용할수 있다. 이 두 생물은 가장 단순한 자기 복제를 하는 원핵생물로 알려져 있다. M.genitalium 은 0.6Mb의 지놈을 가지며 반면에 M. pneumoniae는 0.8Mb이다. 그것들은 세포벽이 부족하고 침해당했거나, 곤충, 식물, 사람을 포함하는 넓은 범위의 숙주에서 질병을 유발하기도 하는 박테리아 그룹의 일부이다.

 M.genitalium 지놈은 467 ORFs를 가지며, 반면에 M. pneumoniae 지놈은 677을 가진다. M.genitalium의 모든 467 유전자는 M. pneumoniae의 677유전자 안에서 발견된다. 대조적으로, E. coli는 4288 ORFs의 4.6-Mb 지놈을 가지고, H.influenzae는 1727 ORFs의 1.8-Mb지놈을 가진다. 표 18-5는 이런 박테리아에서 몇몇 유전자의 기능을 요약해 놓은 것이다. 명백히, 세포는 DNA 복제와 치료에 요구되는 암호화된 산물인 유전자를 함유해야만 한다. ; 전사와 해독, 단백질 수송, 일반적 세포 경로, 세포분열과 분비를 포함하고, 대사를 수반하는 무수한 생화학적 경로를 말한다.

종 사이에 주어진 기능을 요구하는 유전자를 비교하는 것은 흥미롭다. 예를 들면, E.coli는 아미노산 대사에 131개의 유전자를 가지며, H.influenzae는 68을 가지고, M. genitalium은 단지 하나의 유전자를 가진다. 4배나 많은 유전자를 가졌음에도 불구하고, Haemophilus의 생리적 능력은 Mycoplasma와 매우 유사하다. 외관상으로, 더 많은 유전자는 각각 기능 카테고리에 포함된다. Haemophilus의 가장 큰 진보는 생합성 능력이 증가했다는 것이다. 더 많이 복잡한 박테리아들은 아미노산 합성에서 68개의 유전자를 가지며, 반면에 Mycoplasma는 단지 하나의 유전자를 가진다. 이런 능력 없이 Mycoplasma는 그들의 숙주로부터 다수의 대사산물에 의지해야한다.

이런 비교는 독립적으로 존재하는 생물체, 자기 복제를 하는 생물체에서 필수적인 유전자의 최소 수를 추측할 수 있게 한다. 이런 평가는 M.genitalium과 M. pneumoniae의 비교와 M.genitalium의 변이 실험에 기초한 것이다. 현재 살아있는 생물체는 250-350개의 유전자를 최소로 요구하고 있다고 평가한다.

<구별되는 생물의 유전자>

 지놈 서열 정보를 이용하여, 과학자들은 또한 유전자 종을 구별하는 것에 대해 알아볼수 있다. 467개의 M.genitalium 유전자의 비교는 350개가 간접적으로 연관된 사촌인 B. subtilis에서 발견되는 것을 보여준다. 이것은 Bacillus와는 다른 Mycoplasma를 만드는데 화학적이고 기능적인 특성을 암호화하는 약 115-120개의 유자를 제안하다. 그러나 M.genitalium는 기생충이다. 반면에 B.subtilis는 기생하지 않고 자유롭게 사는 토양 박테리아다. 이런 적응은 아마도 두 종의 유전적 차이의 결과일 것이다. 다른 기생충 B. burgdorferis는 또한 M.genitalium 유전자가 많이 부족하다. 그것들도 역시 매우 간접적으로 관련이 있다.

<진핵생물 지놈의 기원과 진화>

진핵생물은 전통적으로 몇몇 구별되는 특징들(막과 결합한 핵, 내부 원형질 망상조직과 같은 세포원형질 막 시스템, 세포골격)로 원핵생물과 구별되어 왔다. 이런 지놈 프로젝트는 우리에게 많은 정보를 준다, 원핵생물과 진핵생물 지놈의 비교는 진핵생물 지놈의 기원에 대한 실마리를 제공하고, 진핵생물이 원핵생물로부터 어떻게 일어났는지를 알수 있다. 단백질의 아미노산 분석, 유전자 서열, 그리고 대사 경로를 포함하는 몇몇 나열된 증거들은, 진핵생물 지놈이 Archaea와 진핵생물로부터 주된 기부물을 받은 모자이크임을 나타낸다. 진핵생물 핵 지놈은 인트론을 가지는 몇몇의 어떤 오페론을 가진다. 둘 중 어느 것은 Archaea의 모양이다. 진핵생물의 미토콘드리아 지놈은 알파 단백질세균이 강하게 결합된 것이다. 이런 관찰을 설명하면, 진핵 생물은 미토콘드리아 내에서 호기성 아케아 박테리아 숙주와 알파 단백질 세균 사이의 공생 관계나 융합의 결과로서 일어난다고 제안되어진다. 모든 진핵생물의 단일계통 조상은 지구상의 역사에서 오직 단 한번 성공적으로 흘러왔다고 제안한다.

<지놈의 복제>

여러 결과들은 진핵생물 지놈의 기원을 따를지도 모르지만, 크지 않고, 원핵생물과 구별되는 진핵생물의 지놈은 복잡하지 않다. 이 단원의 초기에 의논된 바로, 유전자 복제는 진핵 생물 지놈의 진화에 중요한 역할을 행해왔다. 대부분의 초점은 단일 유전자의 복제에 맞춰져있지만, 그러나 Susumo Ohno는 지놈 복제는 완전하고 중요한 진화적 메카니즘이라고 제안했다. 지놈 프로젝트에 의한 뉴클레오타이드 서열정보의 분석은 진핵생물의 지놈 확장의 결과로부터 원핵생물을 분리하는 유전자의 많은 차이점에 대한 견해를 지지한다. 우리는 지금 진핵생물 지놈의 크기의 주된 확장은 척추동물의 외형과 연관되어 한 지놈 복제 사건의 결과임을 알고 있다. 하지만 복제는 진핵생물 진화를 통해 일어난다.

최근 효모 지놈의 분석은 고대에 지놈 복제에 의한 확장의 발자취를 보여준다. Kenneth Wolfe와 Denis Shields 는 모든 다른 효모 유전자에서 각각의 효모 유전자 서열을 비교하는데 효모 지놈을 통해 찾았다. 그들의 발견은 376개 유전자를 포함한 55 복제 영역에서 발견되었다. 이들 유전자의 50 %는 감추어져 있다. 55개 영역에서, 50은 다른 염색제의 같은 위치에 있다(380쪽 그림 18-15). 예를 들어. 염색체 Ⅺ와 Ⅻ는 유전자의 주문과 중심립에서 적응하는 것이 보존되어지는 유전자 블록을 복제한다. 다른 염색체들은 53 블록과 같은 내부 복제를 포함하고, 염색체 Ⅻ의 중심립 옆에서 나타난다. 계통 발생적 분석은 이 지놈 복제 사건이 10억만년 전에 일어났다는 것을 보여준다.

인간 지놈 분석은 또한 재배열과 몇몇 복제 영역에서의 유전자 상실에 의해 고대 큰 규모의 복제의 증거를 보여준다. 더 큰 복제는 약 5억년전에 척추동물의 기원에 대한 정보를 드러냈다. 전적으로, 10000개의 유전자 이상을 포함하는 사람 지놈의 1077개 복제 영역의 블록이다. 염색체 18번과 20번의 하나의 각각 복제는 그림 18-16에서 보여진다.

<유전자 복제>

지놈 프로젝트에 의한 뉴클레오타이드 서열정보의 연속적인 흐름은 여러 유전자의 과가 모든 지놈에 많은 양이 존재하는지 아닌지에 대한 증거를 제공한다. 게다가 지놈 전체 복제에서 유전자의 작은 블록과 단일 유전자는 몇몇 메카니즘에 의해 복제되어질 수 있다

[unequal crossing over] - DNA 절편에서 상동 염색체 쌍 사이의 재조합은 재조합 산물중의 하나를 복제한다.

[unequal sister chromatid exchange] - 하나의 염색체의 두 개의 염색분체 사이에서 일어나는 동등하지 않은 교차와 유사한 재조합 사건

[replication errors] - 주형 분자의 복제 동안, 미끄러짐은 짧은 절편을 새로이 합성된 가닥에 삽입하는 이유가 될 수 있다.

몇몇 진행 과정의 메카니즘은 이동성을 가진 요소에 의한 삽입, 역위, 전좌를 포함하여 진행된다.

분자 계통 발생론적인 기술을 이용하여 우리는 개별적인 유전자 패밀리로 옛 선조의 자취를 알수 있다. 예를 들어. 산소로 암호화된 조상 유전자의 복제는 8억년 전에 발생했고 단백질을 운반했다. 분열로 인해 두 개의 자매 유전자가 만들어지고, 오늘날 미오글로빈 유전자로 진화된 것의 하나이다. 미오글로빈은 산소를 운반하는 단백질로 근육에서 볼 수 있다. 다른 유전자는 조상의 글로빈 유전자가 된다. 약 5억년 전에 조상의 글로빈 유전자는 알파-와 베타-글로빈의 아과의 원형으로 복제되었다. 단백질을 암호화하는 알파와 베타 글로빈 유전자는 헤모글로빈에서 볼 수 있다. (적혈구 세포에서 산소를 운반하는 분자를 말한다.) 추가적으로 알파와 베타 글로빈 유전자의 복제는 2억년 전에 일어났다. 이어서 일어나는 염색체적 사건은 상과 요소로 분산되었고, 각각은 염색체들로 분리한다..

유사한 진화 방식은 다른 유전자 과에서 관찰된다. 단백질 분해 효소의 트립신-키모 트립신 과, 동물의 homeotic 선택 유전자, 그리고 가시 색소의 로돕신 과들이 대표적 예이다.

 유전자 돌연변이

진화--> 유전정보를 정확하게 후손에게 물려준다.

DNA복제 과정중에 염기서열이 변화하는 유전자돌연변이가 발생

돌연변이의 유현, 발생메카니즘, 검출, 인위돌연변이의 유기와 이용

제1절 돌연변이의 유형

1. 돌연변이의 일반적 특성

유전자 돌연변이란-->유전정보를 보유하고 있는 DNA의 염기서열에 생긴 변화

유전자는 스스로의 자기복제 능력을 유지하면서도 외부자극에 의해 돌연변이가 일어나서

유전적 다양성을 유지하고 있다.

유전적 다형(polymorphism)

동형접합(열성돌연변이), 아조변이(생장점의 우성변이)

10^-6 - 10^-4

2. 돌연변이의 유형

1) 유전물질의 변화에 근거한 유형

점돌연변이: 염기 1쌍이 차환, 삽입, 결실등

다점돌연변이(Multi-site mutation) 2쌍이상

① 점돌연변이: missense mutation, 다른한개가치환된것(CCA->CTA로바뀌면 글리신이

아스파르트산으로 대치된다.

nonsense mutation, ACC(트리프토판지정)-->ACT, ATC 종료, 사슬종료

돌연변이, 단백질 합성이 종료된다.

Silent mutation, -->TCA, TCG로 변해도 같은 세린을 지정

② 염기전위 돌연변이와 염기전환 돌연변이

피리미딘간(일환염기, C-->T; T-->C); 퓨린간(이환염기, A-->G, G-->A) 염기전위

피리미딘에서 퓨린-->염기전환 돌연변이

* 3개 염기의 마지막 유전암호가 일환염기 또는 이환염기끼리 바뀌면 동일한 아미노산을 지정하는 경우가 많지만< TTT->TTC(모두 리신을 지정)> 그 반대의 경우 서로다른 아미노산을 지정하는 경우가 많다.<TTT->TTG(리신->아스파라긴산으로 대치>

③ 격자이동돌연변이(frameshift mutation)

염기쌍 하나가 이동되거나 삽입되면 전부 바뀐다.

④ 복귀돌연변이

야생형-->다른서열로 바뀌면 정돌연변이, 야생형으로 바뀌면-->복귀돌연변이

2) 표현형의 변화에 근거한 유형

* 형태적돌연변이(可視突然變異)

致死突然變異(劣性인 경우가 대부분)

條件突然變異(온도감수성), 조건치사돌연변이

* 생식돌연변이(germ cell mutation)와 체세포돌연변이(somatic cell mutation)

* 자연돌연변이(spontaneous)와 인위돌연변이(induced mutation)

제2절 돌연변이의 메카니즘

1. 돌연변이와 단백질 합성

아미노산의 전하(+/-)에 따라 3차구조가 변화하여 효소의 기능이 달라진다.

* +전하(리신)->메치오닌(0) 치환되거나 또는 (-)를 띈 아스파라트산이 히스티딘(+)을 치환되면

단백질 3차구조가 달라진다.

* 같은 양전하를 가진 리신과 히스티딘간의 치환에서는 단백질의 3차구조가 바꿔지지않음.

* 단백질 활성부위에 있는 아미노산의 대체는 -->영향이 크고,

측지가 다른 아미노산간의 대체, 프로린이나 시스테인이 다른 아미노산과 대체되면 표현형이

변한다.

2. 염기쌍 치환 

티민과 구아닌 -->케토형(keto; C=O), 에놀형(enol; OH-C)

아데닌과 시토닌--> 아미노형(amino), 이미노형(imino)

* 티민(케토형)일때->아미노형인 아데닌과 결합, 에놀형일때 아데닌 대신 구아니과 결합하는

염기전위(transition) 가 일어난다.

* 아데닌(amino형)->imino형으로 바뀌는 경우 티민대신 시토신과 결합->염기전위

* 토토머화(tautomerization): 카르보닐(carbonyl)화합물에 결합되어 있는 수소원자(H)의 위치가

바뀌어 異性質體가 되는 즉 케토형과 에놀형이 상호변환되거나 아미노형과 이미노형이 상호

변환되는 현상으로 DNA염기치환의 원인이 된다.

* 탈아미노화(deamination)

시토신과 아데닌이 탈아미노화가 되면 우라실과 하이포크산틴으로 바뀐다 ->염기전위.

하이토산틴은 시토신과 결합, 원래 시토신-구아닌 염기쌍은 티민-아데닌으로 바뀌고 아데닌-

티민 염기쌍은 구아닌-시토신으로 바뀐다. --->염기쌍 치환이 일어난다.

3. 염기 삽입 및 결실

* frameshift mutation의 경우 -> AAAA, TTT같은 연속 배열 중에서 염기하나가 순간적으로

빠져나와서 생길수가 있다.

* 염기 한두쌍이 아니고 수천- 수백쌍으로 이루워진 DNA단편이 삽입되는 경우->

이동유전자(transposon), 전이유전자(transposon)

4. 돌연변이 유발유전자(mutator gene)

* Mutator gene: 돌연변이율을 증가시키는것,

DNA중합효소 활성을 저하시켜 DNA복제시 잘못을 교정하는 기능을 저하시킴.

(E. coli DNA중합효소II 밀접한 관계가 있어서 DNA복제과정중 아데닌 티민염기쌍을 시토닌--> 구아닌 염기쌍으로 쉽게 바꾼다)

5. 돌연변이와 DNA수선

자외선에 의해서 형성된 피리미딘 2량체 때문에 발생한 DNA상처의 수선방법

1) 광회복: 광회복효소가 피리미딘 2량체에 결합을 절단하여 원래 상태의 염기로 환원

2) 제거수선: 상처부위를 제거하고 원래 DNA를 재합성하여 연결시키는 방법

* 뉴클레오티드제거수선: 피리미딘2량체에의한 상처수선

* 염기제거수선: 탈아미노화된 염기가 DNA glycosylase나 엔도뉴클레아제의 작용으로

DNA에서 제거되는 것

3) 재조합수선(recombination repair): 상처부분의 DNA를 상보적인 관계로 재조합하여 메운다.

4) SOS 수선: 상처부분를 부정확한 염기서열로 보수한다.

6. 돌연변이와 전이인자

* 위치를 이동 할 수있는 DNA 단편(transposable element 또는 transposon):

전이유전자가 다른 유전자의 프로모터에 삽입되면 그유전자는 전사가 일어나지 않으며 액숀

부분에 끼어 들어가면 번역격자이동이 일어나 전여 다른 아미노산을 지정하게 된다.

전이인자는

* 첫번째: IS(insertion sequence)으로 양쪽 끝에 역반역배열을 가진 크기가 작고 이동에 필요한

유전정보만을 가진것

* 두번째: IS가 있고 그사이에 항생제 저항성, 박테리아독소, 병원성 또는 특정의 당분해성 유

전자를가진 Tn(transposon); Tn은 어느부위에도 삽입되는 것과 특정부위에만 삽입되는

것이있다.

* 진핵생물의 전이인자는 양쪽 끝에 250-600bp의 긴 말단 반복배열을 가지며 이동해야 할

DNA는 먼저 RNA로 전사된 후 이것이 다시 두가닥 DNA로 역전사되어 새로운 위치에 삽입.

제3절 돌연변이 검출법

1. 돌연변이율

* 총개체수에 대한 돌연변이 개체수의 비->돌연변이율(mutation rate)

* 돌연변이율은 생물의 종류 및 유전자의 종류에 따라 다르게 나타나는 이유--> DNA복제과

정중에 작동하는 교정기능의 차이와 상처난 DNA 에 대한 수선기능의 차이가 그

원인이 될수있다. 박테리아는 세대수가 빨라 돌연변이율 검출이 용이하다.

2. 돌연변이 검출법

* 가시돌연변이->우성돌연변이(이형접합상태에서도 표현형 변이)

열성돌연변이(동형접합자일때만 표현형으로 나타남)->검정교배

* 반성돌연변이->수컷에서 쉽게 찾아냄

* 치사돌연변이-> 우성치사유전자->동형,이형모두치사;

열성치사유전자->이형접합에서 정상, 동형인 경우 모두치사

* 평행치사유전자-> 두종류의 열성치사유전자가 동일한 염색체 상에 각각 이형접합상태로 위치.

* 미생물의 영양요구성 돌연변이-> 세균의 항생물질저항성 변이주를 검출하는데 replica plating

method이용

제4절 인위돌연변이의 유기와 이용

1. 돌연변이 유기원

* 1927년 Muller가 초파리에 X선을 처리->인위돌연변이 유기

* mutagen(돌연변이 유기원): 돌연변이율을 증가시키는 물리적요인 및 화학물질

물리적요인(자외선과 전리방사능)

화학적물질(염기유사물질, 알킬화물질, 색소류 및 기타물질)

1) 자외선(ultraviolet light;UV)->자외선의 에너지가 DNA에 흡수 여러가지 광합화학반응을 일

으켜 피리미딘 2량체형성(염기간격이 좁아져서 이부분의 DNA복제가 어렵다), 수화, 탈아미

노화 현상(염기쌍치환을 유발하여 돌연변이율을 증가시킨다)을 일으킨다.

2) 전리방사선(ionizing radiation):X, r 열선, 중성자등과 같이 전자의 방출에 의해 물질분자에

전리현상을 일으킨다. DNA사슬의 절단, 염기파괴, 염기유리, 수소결함의 절단, 무기인산의유리

3) 염기유사물질(base analogue): DNA복제시 염기쌍 형성에 끼어든다.

4) 알킬화물질(alkylating agent): 황머스커드(sulfur mustard)를 포함한 dMS, dES, MMS, EMS, MNU, ENH등 알킬기를 가지고 있는 화학물질이 이에 속한다.

* 알킬화 반응을 일으키어 DNA 복제시 정상적인 염기쌍 형성을 방해한다.

* 식물세포의 돌연변이 유기제로 사용

5) 아크리딘색소(acridine): prroflavine과 acridine orage등이 있으며 ->박테리아에서 돌연변이를 유기한다.

6) 아질산, 히드록실아민 및 아지드:

* 아질산(nitrous acid: HNO₂)는 염기에서 아미노산기(-NH₂)를

케토(=O)변동시키는 탈아미노산화 작용을 한다. -> 염기전위 돌연변이 유발.

* 하드록실아민(NH₂OH): 시토신과 반응할때 만 염기전위를 이르킨다. 시토신의 아미노기와 반

응하여 히드록실이민(=N-OH)을 가지는 히드록시시토신을 형성 아데닌과 쌍을 이루므로써

염기쌍 GC->AT로 바뀐다.

* 이지드(azide): sodium azide(NaN₃)가 널리 사용된다.(pH가 낮은 상태에서 효과가 크다)

2. 돌연변이 유발방법

1) 방사선감수성과 처리방법;

*LD₅₀ : 방사선 감수성을 표시하는 단위.(방사선 처리후 일정시간후에 50%가 치사하는 선량)

2) 화학물질 처리방법

*생물의 종류, 처리부위, 처리당시의 온도,수분함량,광선등에 여러가지요인에 의해 영향을 받음

* 식물의 경우->알킬화물질과 azide로써 종자, 생체 및 배양세포에 모두 처리

* 영양번식개체->생체처리후 가장효과적인 발육단계와 처리부위를 찾아내어야 한다.

3. 돌연변이의 이용

* 유전학을 연구하는 중요한 도구

* DNA분자 내부에서 일어나고 있는 변이의 종류와 변이 발생의 메카니즘을 밝히고 그것이 형질발현에 어떤 영향을 끼치는가를 구명하는 등 생명현상의 본질탐구에 이용.

 X선 ·γ선 ·중성자 등의 방사선을 종자 또는 식물의 생장점이나 화분(花粉)에 조사하거나 에틸메탄설포네이트(Ethylmethanesulfonate:EMS), 머스타드(Mustard) 등의 특수 화학약품을 처리하여 유전자 돌연변이나 염색체 이상을 일으켜 새로운 품종을 육성하는 것이다. 한 개의 유전자만으로도 변화시킬 수 있고 영양번식 작물에서도 인위적으로 유전적 변이를 일으킬 수 있는 특성을 지니고 있다.

 식물 유전자의 이식은 토양균을 매개체로 삼는 방법과 세포 속에서 유전자를 합성하는 두 가지 방법이 연구되고 있다. 파란 장미는 아니지만 국내에서도 유전자 조작을 통해 자연계에 존재하지 않는 색깔의 피튜니아 꽃이 최근 개발돼 관심을 모았다. 금호생명환경과학연구소 최길주 박사팀은 세계적으로 흰색, 붉은색, 보라색 밖에 없는 피튜니아 꽃을 연구한 끝에 주황색 피튜니아를 만드는 독자적인 유전자조작 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 연구결과는 국내는 물론 미국과 유럽, 일본, 호주, 중국 등지에 특허 출원 됐으며,관 련 논문은 최근 저명 국제 학술지인 플랜트저널(Plant Journal)에 두 편의 논문으로 나뉘어 실렸다.

  육종법으로도 도저히 불가능한 꽃색을 만드는 것은 우선 수액에 염색제를 넣고 30분이상 꽃을 담가놓으면 염색제가 줄기를 따라 올라가 착근하게되는 원리를 활용하고 있다.일본에서 개발된 염색제에는 개화수명연장제까지 첨가돼 있어 상품성도 갖추고 있다.이들 꽃들은 무엇보다도 꽃꽂이 작품, 고급레스토랑 등 특수한 목적으로 활용되고 있다.

[산똘뱅이]

글쎄요 ~그래도 살아야지 죽어서야 되겠씁니까 ~~~사는데 가지 살아 봅시다 ~~~

[sunshinetj]

그라입씨더

[산똘뱅이]

그라믄 밥묵고 잡시다 ~~~잠을 자야 꿈을 꾸고 꿈을 꿔야 님을보고 ~~~~뽕따러 가야지 ~~~!!!

[sunshinetj]

뽕이 뭔데예?

[산똘뱅이]

뽕======(영화제목)

[sunshinetj]

노! 틀렸습니다. 다 암시롱,,,

[산똘뱅이]

부~~~ㄹ8ㅏㅈ2ㅏ나 빤쑤 ㄲ%ㅡㄴ을 ~~너무 쎄게 매고 있는것도 몸에는 아주 해로운 것인데 ~~~거기다가 뭘 넣어 다니는지 ~~돼앤쟝 ~~~혈행을 막는다니깐요 ~~`잘때 만이라도 ~~~제에발 ~~네에발 ~~

[sunshinetj]

ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ 저 수건 필요해요 ㅋㅋㅋ 눈물 눈물 딱게욯ㅎㅎㅎㅎㅎㅎ
못살아요.청말ㅋㅋㅋ 목사님 모르는게 없으신 목사님,, 갑짜기 웬,,,
저기 위에 문자풀이 하시는 분 혹 계세요?

[산똘뱅이]

애궁 ~~부끄럽께 시리 ~~~~~~아공 ~~어약꼬 ~~

[sunshinetj]

아이쿠 정말로 못 살어요,, 이제 그만 들어갈래요 !!

[산똘뱅이]

흐~~내꿈꿔~~^^~~

[오직겸손]

눈으로만 읽고 지나갑니다~~
방사선과 알킬화물질 ㅠㅠ