DNA 기능과 유전자발현

1. DNA 기능과 유전자발현 DNA FUNCTION AND GENE EXPRESSION 생물학개론 14주차 강의

2. DNA 기능과 유전자 발현 • RNA는 단백질 합성을 총괄 – 전사 (Transcription) • 유전정보로부터 단백질 합성 – 번역 (Translation) • 돌연변이- 잘못된 유전정보 • 겸상적혈구 빈혈증 (Sickle cell anemia)

3. 전사인자 (transcription factor) • 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: RNA를 합성하는 효소

4. 전사과정 • RNA 중합효소는 유전자의 전사를 시작하기 위해 DNA의 특정장소에 붙는다 =>이 지역을 프로모터라 한다. • 일부 전사인자는 RNA 중합효소가 오기 전에 프로모터에 붙어 RNA 중합효소가 붙을 수 있도록 돕는다. • TATA박스 • DNA 복제처럼 전사도 상보적 염기쌍 • DNA주형의 3’에서 5’방향으로 • RNA는 5’에서 3’으로 합성

5. RNA의 유형 • mRNA: 단백질 합성을 위한 정보를 전달. 대부분 500-3000개의 뉴클레오티드 • rRNA: 100-3000개의 뉴클레오티드, 단백질과 함께 리보솜을 형성. • - 단백질 합성시 구조적인 지지. • - 두 개의 소단위, 세포질에서 떨어져 있다가 단백질 합성시 합쳐진다. • - 아미노산 사이의 펩티드결합을 도우며, 리보솜과 mRNA가 정확하게 위치하도록 돕는다.

6. 세포는 유전정보를 가지고 어떻게 단백질을 만들어 가는가? • 아미노산의 수 20개, mRNA 염기수 4개, 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 20개의 아미노산을 지정하기 위해서는 적어도 세 개 이상?

7. 프란시스 크릭 유전코드의 트리플렛 성질 확인실험 • 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.

8. 유전암호는 염기서열을 중복하여 사용하는가? • AUCAGUCUA, 세개의 코돈 • 만약 중복된다면? 7개의 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 UC로 시작되는 코돈이 와야 한다. • 하지만 아미노산은 꼭 다른 아미노산 뒤에 오는 규칙은 없다.

9. 유전암호의 특징 • mRNA는 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.

10. 어느 코돈이 어떤 아미노산을 지정하는가? • 1961년에 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 UAU를 지닌다. 아이소루신과 타이로신. 하지만 무엇이 무엇인지를 몰랐다. • UUUAUAUUUAUA로 확인. 즉 UUU는 페닐 알라닌, 아이소루신은 AUA, 그리고 UAU는 타이로신 결론.

11. 유전암호 Genetic Code

12. 단백질 합성과정 • 단백질 합성을 위해 mRNA, 아미노산을 운반하는 tRNA, 리보솜, ATP와 GTP, 그리고 다양한 단백질 인자들이 필요. • 작은 리보솜 소단위에 있는 짧은 rRNA 서열과 mRNA선도서열이 수소결합. • 아미노산을 지정하는 시작코돈은 AUG, 메티오닌을 운반하는 tRNA가 온다. • 이것에 결합되어 있는 mRNA, 그리고 메티오닌을 달고 있는 개시 tRNA가 개시복합체를 형성.

13. 단백질 합성과정 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 tRNA가 떨어져 나온다 (후에 재활용 된다) 6. 다음 단계로 리보솜이 mRNA를 따라 코돈을 하나씩 움직이면서 세 번째 tRNA가 더해진다. 7. 리보솜이 mRNA의 종결코돈 (UGA, UAG, UAA)에 닿으면 방출인자가 종결코돈에 결합, 신장이 중지된다.일반적으로 종결코돈을 인지하는 tRNA는 없다 (돌연변이 는 예외).

14. 단백질 합성은 경제적이다. • 세포는 하나 또는 두 개의 유전자 복사본에서 다량의 특정 단백질을 생산할 수 있다. • 인간의 면역계의 플라즈마 세포는 1초에 2000개의 동일한 항체 단백질을 생성. • 이를 위해서는 다량의 RNA, 리보솜, 효소 등이 끊임없이 공급되어야. • 하나의 mRNA에서 많은 양의 단백질이 만들어 질 수 있다.

15. 단백질의 구조형성 • 아미노산의 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

16. 단백질의 번역후 변형 인슐린은 처음에 80개의 아미노산, 단백질 분해효소에 의해 51개 아미노산으로 바뀌어야 기능단백질이 된다. 헤모글로빈은 4개의 글로빈이 합쳐져야 기능.

17. 단백질의 구조 • 우리는 전체 DNA 서열을 다 파악해도 단백질의 모양을 지정하는 규칙은 알지 못한다. • GenBank는 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 7개의 특이한 루프로 세포막에 끼어들어가 있다. • 따라서 새로운 단백질이 이러한 7개의 루프를 지닌다면?

18. 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

19. 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 DNA가 더 자주 복제되기 때문 • 유전자가 커도 더 자주 일어난다. • DNA서열이 GCGCGC처럼 반복적 일 때 더 일어난다.

20. 돌연변이 유발물질 • 알킬화 물질: 염기를 변형시켜 염기쌍을 다르게 맺는다. Mismatch유도 • 어떤 물질은 뉴클레오타이드 삽입 또는 제거 • 방사선은 DNA를 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.

21. 돌연변이 유형 • 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. • 3의 배수가 아닌 염기가 첨가 또는 삭제. Reading frame을 파괴  틀 돌연변이 frameshift mutation

22. 반복염기서열 변화 • 예) 이영양성근긴장증(myotonic dystrophy): 할아버지 세대에는 팔뚝에 미미한 허약함. 딸 세대는 팔 다리의 허약함, 자손들은 심각한 근육이상. • 염색체 19번에 CTG 염기서열이 늘어나면서 생김 정상인은 2-28개, 질환은 28-50개로 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.

23. 돌연변이에 대한 자연적인 방어전략 • 유전암호가 돌연변이 효과를 최소화 • 아미노산 20종류. 코돈은 종결코돈을 제외하고 61개가 있어서 여유코돈이 존재. • 동일한 아미노산을 암호화하는 다른 코돈을 퇴화코돈 (degenerate codon) 이라 한다. • 코돈의 세 번째 위치에서의 염기가 변해도 같은 아미노산을 지정. 예) CAA와 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.