DNA FUNCTION AND GENE EXPRESSION

생물학개론 14 주차 강의

DNA 기능과 유전자발현

• RNA 는 단백질 합성을 총괄 – 전사

(Transcription)

• 유전정보로부터 단백질 합성 – 번역

(Translation)

• 돌연변이 - 잘못된 유전정보

• 겸상적혈구 빈혈증 (Sickle cell anemia)

DNA 기능과 유전자 발현

• 세균에서 오페론 조절은 유전자의 전사를 촉진하거나 억제하는 스위치 역할 .

• 다세포 생명체는 전사인자를 이용하여 유전자의 발현을 조절한다 .

• Transcription factor ( 전사인자 ): 외부 신호에 의해 전사인자 활성화되면 전사인자와 RNA 중합효소와 복합체를 형성 유전자 발현

• 프로모터 (promoter): 유전자의 전사를 조절하는 DNA 부분 . RNA 중합효소가 붙는 지역 .

• RNA polymerase: RNA 를 합성하는 효소

전사인자 (transcription factor)

전사과정

• RNA 중합효소는 유전자의 전사를 시작하기 위해 DNA 의 특정장소에 붙는다 => 이 지역을 프로모터라 한다 .

• 일부 전사인자는 RNA 중합효소가 오기 전에 프로모터에 붙어 RNA 중합효소가 붙을 수 있도록 돕는다 .

• TATA 박스• DNA 복제처럼 전사도 상보적 염기쌍• DNA 주형의 3’ 에서 5’ 방향으로• RNA 는 5’ 에서 3’ 으로 합성

mRNA: 단백질 합성을 위한 정보를 전달 .

대부분 500-3000 개의 뉴클레오티드

rRNA: 100-3000 개의 뉴클레오티드 ,

단백질과 함께 리보솜을 형성 .

- 단백질 합성시 구조적인 지지 .

- 두 개의 소단위 , 세포질에서 떨어져 있다가 단백질 합성시 합쳐진다 .

- 아미노산 사이의 펩티드결합을 도우며 ,

리보솜과 mRNA 가 정확하게 위치하도록 돕는다 .

RNA 의 유형

세포는 유전정보를 가지고 어떻게 단백질을 만들어 가는가 ?

• 아미노산의 수 20 개 , mRNA 염기수 4 개 ,

즉 코돈은 적어도 mRNA 염기 한 개 이상으로 되어야만 한다 .

• 만약 mRNA 염기 하나로만 코돈이 정해진다면 ?

• 코돈이 두 개의 염기로 정해진다면 ?

• 세 개는 ?

• 서로 다른 20 개의 아미노산을 지정하기 위해서는 적어도 세 개 이상 ?

• 프란시스 크릭과 연구원들은 유전코드의 트리플렛 (triplet) 성질을 확인하기 위해 실험 .

• 염기서열과 단백질 생성물을 알고 있는 유전자 내에 하나 , 둘 , 세 개의 염기를 더해 나갔다 .

• 하나 또는 두 개의 염기 첨가로 변형된 염기서열은 다른 아미노산 서열이 되게 함 .

• 하지만 세 개를 첨가하거나 뺀 경우는 첨가 또는 제거된 염기에 해당되는 아미노산을 제외하고 나머지가 본래의 아미노산 서열로 되돌아 옴 .

프란시스 크릭 유전코드의 트리플렛 성질 확인실험

• AUCAGUCUA, 세개의 코돈

• 만약 중복된다면 ? 7 개의 코돈

• 만약 중복된다면 제한된 염기수에 최대의 유전정보를 저장가능 .

• 하지만 특정 아미노산 뒤에 항상 어떤 아미노산 뒤에 오기 때문에 단백질의 다양성이 제한될 수 있다 .

• 예 : AUC 경우에 중복시 AUC 코돈 다음에는 항상 UC 로 시작되는 코돈이 와야 한다 .

• 하지만 아미노산은 꼭 다른 아미노산 뒤에 오는 규칙은 없다 .

유전암호는 염기서열을 중복하여 사용하는가 ?

mRNA 는 아미노산을 불러오는 유전정보 외에 또 어떤 특징을 갖는가 ?

• AUG 시작 ,

• UGA, UAA, UAG 종결코돈

• 또한 mRNA 5’ 쪽에 해독되지 않는 선도서열 (leader sequence) 가 있고

• 원핵세포에서 이러한 선도서열이 rRNA 과 수소결합 ( 샤인달가노 서열 ),

• 3’ 위치에도 해독되지 않는 부분이 있다 .

유전암호의 특징

1961 년에 실험을 통해 코돈과 아미노산과의 관계를 확인

• 합성된 UUUUUUUU 페닐알라닌으로만 구성된 폴리텝티드 형성 , 그리고 항상 페닐 알라닌의 수는 mRNA 염기수의 1/3

• => 트리플렛 , 중복되지 않는다 .

• AAAAAAA… 리신

• GGGGGG… 글리신

• CCCCCC… 프롤린 등등

• AUAUAUAU… 코돈 AUA 와 UAU 를 지닌다 . 아이소루신과 타이로신 . 하지만 무엇이 무엇인지를 몰랐다 .

• UUUAUAUUUAUA 로 확인 . 즉 UUU 는 페닐 알라닌 ,

아이소루신은 AUA, 그리고 UAU 는 타이로신 결론 .

어느 코돈이 어떤 아미노산을 지정하는가 ?

유전암호 Genetic Code

단백질 합성과정

단백질 합성을 위해 mRNA, 아미노산을 운반하는 tRNA, 리보솜 , ATP 와 GTP, 그리고 다양한 단백질 인자들이 필요 .

1.작은 리보솜 소단위에 있는 짧은 rRNA 서열과 mRNA 선도서열이 수소결합 .

2.아미노산을 지정하는 시작코돈은 AUG, 메티오닌을 운반하는 tRNA 가 온다 .

3.이것에 결합되어 있는 mRNA, 그리고 메티오닌을 달고 있는 개시 tRNA 가 개시복합체를 형성 .

4. 해독의 다음 단계인 신장 (elongation) 을 시작하기 위해 큰 리보솜 소단위가 개시복합체에 붙는다 .

5. 두 번째 아미노산이 메티오닌과 정렬한다 . 이들 사이에 펩티드 결합형성 , 첫 번째 tRNA 가 떨어져 나온다 ( 후에 재활용 된다 )

6. 다음 단계로 리보솜이 mRNA 를 따라 코돈을 하나씩 움직이면서 세 번째 tRNA 가 더해진다 .

7. 리보솜이 mRNA 의 종결코돈 (UGA, UAG, UAA) 에 닿으면 방출인자가 종결코돈에 결합 , 신장이 중지된다 . 일반적으로 종결코돈을 인지하는 tRNA 는 없다 ( 돌연변이 는 예외 ).

단백질 합성과정

단백질 합성은 경제적이다 .

• 세포는 하나 또는 두 개의 유전자 복사본에서 다량의 특정 단백질을 생산할 수 있다 .

• 인간의 면역계의 플라즈마 세포는 1 초에 2000 개의 동일한 항체 단백질을 생성 .

• 이를 위해서는 다량의 RNA, 리보솜 , 효소 등이 끊임없이 공급되어야 .

• 하나의 mRNA 에서 많은 양의 단백질이 만들어 질 수 있다 .

단백질의 구조형성아미노산의 서열로만은 기능적인 단백질의 구조를 형성하기에 충분하지 않다 . 다른 단백질의 도움필요 .

샤페론 단백질 : 다른 단백질의 구조형성을 도와주는 단백질

DNA 복제 오류가 회복효소에 의해 교정되는 것처럼 단백질도 잘못 접혀서 구조가 잘못되면 교정을 받는다 . 구조가 잘못되면 기능상실가능 --> 질환

예 : 낭포성섬유증 : 구조가 잘못되어서 세포막에 정착되지 못한다 . 세포막에서 염소이온의 흐름을 조절 .

알츠하이머 : 아밀로이드 단백질의 부적절한 구조로

광우병 : 프리온 단백질 입자가 비정상적으로 응집

인슐린은 처음에 80 개의 아미노산 , 단백질

분해효소에 의해 51 개 아미노산으로 바뀌어야

기능단백질이 된다 .

헤모글로빈은 4 개의 글로빈이 합쳐져야 기능 .

단백질의 번역후 변형

• 우리는 전체 DNA 서열을 다 파악해도 단백질의 모양을 지정하는 규칙은 알지 못한다 .

• GenBank 는 유전자 서열 , 단백질 서열 정보를 모은다 .

• 여러 정보를 조합해서 새로운 분자의 기능을 추측할 수 있다 .

• 유전체학의 데이타베이스 .

• 예 : 세포막에 위치한 단백질은 특정 아미노산들이 서로 수소결합을 해서 형성한 7 개의 특이한 루프로 세포막에 끼어들어가 있다 .

• 따라서 새로운 단백질이 이러한 7 개의 루프를 지닌다면 ?

단백질의 구조

돌연변이 - 잘못된 유전정보• 돌연변이 : 유전물질에 물리적인 변화• 염기 하나의 치환 , 또는 그 이상의 DNA

뉴클레오타이드가 삽입하거나 삭제 , 또는 염색체의 사이의 교차

• 돌연변이는 아미노산을 암호화하는 유전자 부분 , 전사를 조절하는 부위 , 인트론 또는 스플라이싱 후 엑손을 연결하는 중요한 부위 등에서 일어날 수 있다 .

• 침묵돌연변이 : DNA 변이가 표현형에 영향을 미치지 못하는 변이

• 어떤 것은 질환은 유발하지 않지만 개인의 성향을 다르게 만들 수 있다 .

• 돌연변이를 통해 다양한 자손을 만들어 진화를 가능

돌연변이의 원인은 ?

자연적 ,

화학약품 또는 방사능

Mutagen: 돌연변이 유발물질

정상키 부모 , 우성인 난쟁이를 가지는 이유 ?

돌연변이 빈도 :

기관 , 유전자에 따라 다르다 .

복잡한 기관 보다는 세균이나 바이러스에서 돌연변이가 더 빈번히 일어난다 . 이유는 DNA 가 더 자주 복제되기 때문

유전자가 커도 더 자주 일어난다 .

DNA 서열이 GCGCGC 처럼 반복적 일 때 더 일어난다 .

• 알킬화 물질 : 염기를 변형시켜 염기쌍을 다르게 맺는다 . Mismatch 유도

• 어떤 물질은 뉴클레오타이드 삽입 또는 제거

• 방사선은 DNA 를 자르거나 티민 이중체 형성

• 유해한 환경에 노출 , 우주에서 오는 우주선 , 방사선 ,

원자폭탄 , 체르노빌

• 에임즈테스트 : 배양액에서 세포를 이용하여 돌연변이 측정

• 90% 의 돌연변이 유발물질은 암을 유발한다 .

돌연변이 유발물질

생식세포 돌연변이 :

체세포 돌연변이 :

점 돌연변이 : DNA 염기 하나가 변한 것 .

-Missense: 특정한 아미노산을 암호화하는 코돈을 다른 아미노산을 암호화 하는 코돈으로 바꾼다 .

중요한 위치에 일어나면 문제 . 구조 기능 등

-Nonsense: 염기 하나의 돌연변이로 아미노산을 지정하는 코돈을 종결코돈으로 바꾼다 .

3 의 배수가 아닌 염기가 첨가 또는 삭제 . Reading

frame 을 파괴 틀 돌연변이 frameshift mutation

돌연변이 유형

• 예 ) 이영양성근긴장증 (myotonic dystrophy): 할아버지 세대에는 팔뚝에 미미한 허약함 . 딸 세대는 팔 다리의 허약함 ,

자손들은 심각한 근육이상 .

염색체 19 번에 CTG 염기서열이 늘어나면서 생김

정상인은 2-28 개 , 질환은 28-50 개로 증가 .

• 예 : 헌팅턴병 , X 염색체 약화증 : 헌팅턴병은 GTC 반복 ,

비정상적 단백질은 뇌세포의 핵에 섬유성 괴종을 형성

• 전이인자 (transposable elements): 인간의 게놈의 10%.

DNA 가 유전자 사이를 옮겨 다니면서 다른 유전자의 발현을 억제 . 바이러스도 같은 작용이므로 포함 .

반복염기서열 변화

• 유전암호가 돌연변이 효과를 최소화

아미노산 20 종류 . 코돈은 종결코돈을 제외하고 61 개가 있어서 여유코돈이 존재 .

동일한 아미노산을 암호화하는 다른 코돈을 퇴화코돈 (degenerate codon) 이라 한다 .

• 코돈의 세 번째 위치에서의 염기가 변해도 같은 아미노산을 지정 . 예 ) CAA 와 CAG 모두 글루타민을 지정

• 코돈의 두 번째 염기가 바뀌더라도 종종 유사한 구조를 갖는 아미노산을 불러와 단백질 구조의 변화를 최소화

• 또 단백질의 기능에 치명적인 부위에 일어난 변화가 아니라면 표현형에 크게 영향을 미치지 않을 수 도 있다 .

돌연변이에 대한 자연적인 방어전략