유전자 발현과 조절

6단원 · 유전자 발현과 조절

DNA에서 단백질까지

유전자는 염기 서열이 RNA, 그리고 대개 단백질을 나타내는 DNA 조각이다. 유전자를 발현하는 데는 두 단계가 필요하다. DNA에서 RNA로 가는 전사와, RNA에서 단백질로 가는 번역이다.

그림은 회전하는 이중 나선의 한 부분이다. 두 가닥은 가운데의 염기쌍으로 서로 붙어 있으며, 이 염기들의 순서가 곧 정보이다.

이 단원은 그 정보를 따라간다. DNA가 어떻게 구성되고(6.1) 복제되는지(6.2), 유전자가 어떻게 RNA(6.3)와 단백질(6.4)로 읽히는지, 세포가 어떤 유전자를 읽을지 어떻게 정하는지(6.5, 6.6), 서열이 바뀌면 어떤 일이 생기는지(6.7), 실험실에서 DNA를 어떻게 자르고 복사하고 분리하는지(6.8)를 다룬다.

6.1 · DNA와 RNA

DNA와 RNA의 구조

DNA, 그리고 일부 바이러스에서는 RNA가 세포의 유전 정보이다. 둘 다 뉴클레오타이드의 사슬이며, 뉴클레오타이드는 당, 인산, 질소 염기로 이루어진다.

당과 인산이 번갈아 이어져 뼈대를 이룬다. 각 가닥에는 방향이 있다. 인산이 자유로운 5′ 말단과, 당에 자유로운 –OH가 있는 3′ 말단이다. DNA의 두 가닥은 서로 반대 방향으로 달리며(반평행), 꼬여서 이중 나선을 이룬다.

염기는 수소 결합으로 가운데에서 짝을 짓는다. A는 T와(결합 2개), G는 C와(결합 3개) 짝을 이룬다. A와 G는 고리가 두 개인 퓨린이고, C, T, U는 고리가 하나인 피리미딘이다. 모든 염기쌍은 퓨린 하나와 피리미딘 하나로 이루어지므로 나선의 너비는 일정하며(약 2 nm), 염기쌍 10.5개마다 한 바퀴 돈다.

샤가프의 법칙. 염기쌍 때문에 이중 가닥 DNA에서는 A = T, G = C이다. 시료에서 A가 30%이면 T도 30%이고, 나머지 40%는 똑같이 나뉘어 G가 20%, C가 20%이다.

원핵생물은 DNA를 하나의 원형 염색체에 보관하고, 진핵생물은 핵 안에서 히스톤 단백질에 감긴 여러 개의 선형 염색체에 보관한다. 둘 다 플라스미드를 가질 수 있다. 플라스미드는 염색체 밖에 있는 작은 원형 이중 가닥 DNA이다.

6.2 · DNA 복제하기

복제

복제는 반보존적이다. 새로 생기는 이중 나선은 각각 기존 가닥 하나를 유지하고, 그것을 주형으로 염기쌍을 맺어 만든 새 가닥 하나를 얻는다.

복제 분기점에서 헬리케이스가 부모 나선을 풀며 염기 사이의 수소 결합을 끊는다. 분기점 앞쪽의 토포이소머레이스는 풀리면서 생기는 꼬임을 풀어 준다.

DNA 중합효소는 가닥의 3′ 말단에만 뉴클레오타이드를 붙이므로, 새 가닥은 5′→3′ 방향으로만 길어진다. 또한 아무것도 없는 상태에서는 가닥을 시작하지 못하고, 그 위에 이어 붙일 짧은 RNA 프라이머(파랑)가 필요하다.

두 주형은 서로 반대 방향으로 달리므로, 새 가닥 두 개(빨강)는 다르게 만들어진다.

지연 가닥의 조각이 오카자키 절편이다. 이 조각의 RNA 프라이머는 DNA로 바뀌고, DNA 연결효소가 조각 사이의 틈을 이어 하나의 연속된 가닥으로 만든다.

DNA 중합효소는 교정도 하므로 복제 오류는 드물지만 0은 아니다. 남은 오류가 돌연변이이다(6.7).

6.3 · DNA에서 RNA로

전사와 RNA 가공

전사에서는 RNA 중합효소가 유전자 부위의 DNA를 열고 한 가닥의 RNA 사본을 만든다.

RNA 중합효소는 프로모터에 결합하여 주형 가닥을 3′→5′ 방향으로 읽고, A는 U, T는 A, G는 C, C는 G와 짝지으며 RNA를 5′→3′ 방향으로 만든다. 종결 부위에서 멈춘다. RNA는 다른 가닥인 암호화 가닥의 서열과 같으며, T 대신 U가 쓰인다.

단백질을 만드는 데는 세 종류의 RNA가 관여한다. mRNA는 유전자의 정보를 전달하고, tRNA는 아미노산을 가져오며, rRNA는 리보솜의 중심을 이룬다.

가공. 진핵생물에서는 처음 만들어진 전사체인 pre-mRNA가 핵을 떠나기 전에 변형된다. 5′ 캡(변형된 구아닌 뉴클레오타이드)과 폴리 A 꼬리가 붙어 mRNA를 보호하고 번역을 돕고, 인트론은 잘려 나가며 엑손은 이어진다. 아래 pre-mRNA는 뉴클레오타이드 1530개이고, 엑손의 합은 480개이다.

선택적 스플라이싱으로 하나의 유전자에서 어떤 엑손을 남기느냐에 따라 서로 다른 mRNA, 따라서 서로 다른 단백질이 만들어질 수 있다.

6.4 · RNA에서 단백질로

번역

번역에서는 리보솜이 mRNA를 세 염기씩 읽으며, 아미노산 하나마다 코돈 하나를 읽습니다.

개시. 소단위체가 mRNA에 결합해 개시 코돈 AUG를 찾습니다. 메싸이오닌을 운반하는 첫 tRNA가 여기에 짝짓고, 대단위체가 합류합니다.

신장. 각 tRNA에는 코돈 하나와 짝짓는 안티코돈이 있고, 그 코돈에 해당하는 아미노산을 운반합니다. 새 tRNA가 A 자리로 들어오면, 리보솜은 자라는 사슬을 그 아미노산에 펩타이드 결합으로 연결합니다. 그다음 리보솜이 3′ 말단 쪽으로 코돈 하나만큼 이동하고, 빈 tRNA는 E 자리에서 떠납니다.

종결. 종결 코돈(UAA, UAG, UGA)에서는 짝짓는 tRNA가 없고, 방출 인자가 폴리펩타이드를 떼어 냅니다.

코드는 유전 암호표로 읽으며, 거의 보편적입니다. 세균과 사람에서 같은 코돈이 같은 아미노산을 뜻하므로, 사람의 유전자를 세균에서 발현시킬 수 있습니다. 또한 암호는 중복되어 있어, 20가지 아미노산에 코돈이 61개입니다.

원핵생물에서는 mRNA가 아직 전사되는 중에 리보솜이 번역을 시작합니다. HIV 같은 레트로바이러스는 먼저 정보의 흐름을 거꾸로 돌립니다. 역전사효소가 바이러스 RNA를 DNA로 복사하고, 이 DNA가 숙주의 유전체에 끼어 들어갑니다.

6.5 · 유전자 켜기와 끄기

유전자 발현 조절

세포는 모든 유전자를 항상 발현하지 않습니다. DNA의 조절 서열에 조절 단백질이 결합하여 전사를 늘리거나 줄입니다.

E. coli의 lac 오페론은 오페론입니다. 하나의 일(젖당 이용)을 하는 유전자들이 하나의 프로모터와 하나의 작동 유전자 아래에서 하나의 mRNA로 전사됩니다. 이 오페론은 유도성이며 평소에는 꺼져 있습니다.

억제 단백질은 별도의 유전자 lacI가 만들며, 작동 유전자에 붙어 RNA 중합효소를 막습니다. 젖당이 있으면 젖당에서 만들어진 알로락토스가 억제 단백질에 결합해 모양을 바꿉니다. 억제 단백질이 떨어지면 유전자가 전사됩니다. (포도당도 부족할 때 전사가 가장 활발합니다.)

trp 오페론은 억제성이며 평소에는 켜져 있습니다. 이 오페론의 억제 단백질은 비활성 상태로 만들어집니다. 트립토판이 충분하면 트립토판이 억제 단백질에 결합하고, 억제 단백질이 작동 유전자에 붙어 트립토판을 만드는 유전자가 꺼집니다.

후성유전적 변화는 염기서열을 바꾸지 않고 유전자를 조절합니다. 히스톤의 아세틸화는 히스톤에 감긴 DNA를 느슨하게 하여 전사를 가능하게 하고, DNA의 메틸화는 대개 유전자를 침묵시킵니다. 이러한 표지는 되돌릴 수 있으며, 세포가 분열할 때 전달될 수 있습니다.

6.6 · 하나의 유전체, 여러 종류의 세포

유전자 발현과 세포 분화

우리 몸의 거의 모든 세포는 같은 유전자를 가지고 있습니다. 세포가 서로 다른 것은 서로 다른 유전자를 발현하기 때문입니다.

진핵생물의 유전자는 전사 인자에 의해 켜집니다. 일반 인자는 RNA 중합효소가 프로모터에 결합하도록 돕습니다. 특이적 활성자는 수천 염기 떨어져 있기도 한 인핸서에 결합합니다. DNA가 휘어 활성자가 프로모터의 전사 장치에 닿으면 전사가 늘어납니다. 억제자는 결합하여 이를 막습니다.

그림에서는 염색질이 응축되어 침묵 상태입니다. 아세틸기(빨강)가 히스톤을 느슨하게 하고, 활성자(파랑)가 인핸서에 결합하며, DNA가 고리를 이루고, mRNA가 만들어집니다.

세포 유형마다 고유한 전사 인자 집합이 있고, 따라서 활성 유전자와 단백질도 고유합니다. 조절 서열을 공유하는 유전자들은 같은 인자에 반응하므로, 신호 하나로 전체 프로그램을 한꺼번에 켤 수 있습니다.

발현은 전사 이후에도 조절됩니다. (마이크로RNA 같은) 작은 RNA가 특정 mRNA와 짝지어 번역을 막거나 그 mRNA를 분해시킵니다.

6.7 · 염기 서열이 바뀔 때

돌연변이

돌연변이는 DNA 서열의 변화입니다. 유전자가 만드는 단백질을 바꿀 수 있고, 따라서 표현형도 바꿀 수 있습니다.

그림은 Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala을(를) 암호화하는 mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA에 돌연변이를 일으킵니다.

침묵 치환은 코돈을 같은 아미노산의 다른 코돈으로 바꿉니다. missense(과오) 치환은 아미노산 하나를 바꿉니다. GAG → GUG, 글루탐산이 발린으로 바뀌는 것이 헤모글로빈의 낫 모양 적혈구 돌연변이입니다. 넌센스 치환은 종결 코돈을 만들어 단백질을 짧게 끊습니다. 염기 하나의 삽입이나 결실은 틀 이동입니다. 그 뒤의 모든 코돈이 잘못된 틀로 읽힙니다.

돌연변이는 복제나 복구의 오류, 방사선과 화학 물질에서 생깁니다. 생물에게 무엇이 필요한지와는 무관하게 무작위로 일어나며, 그 효과는 환경에 따라 해롭거나 중립적이거나 유익할 수 있습니다. 돌연변이는 유전적 변이의 근원입니다.

염색체 전체도 변합니다. 감수 분열에서의 비분리는 배우자에 염색체가 하나 더 있거나 없게 하며, 21번 세염색체성(다운 증후군)이 그 예입니다. 세균은 유전자를 수평으로도 얻습니다. 형질 전환(DNA를 흡수), 형질 도입(바이러스가 운반), 접합(세포 간 전달), 전위(유전체 안에서 유전자가 이동)가 있습니다.

6.8 · DNA 읽기와 복제하기

생명공학

DNA의 본질에서 나온 네 가지 실험 방법이 있습니다.

젤 전기영동은 DNA를 크기별로 분리합니다. DNA는 (인산 때문에) 음전하를 띠므로 전기장에서 + 쪽으로 이동합니다. 젤은 긴 조각을 짧은 조각보다 더 붙잡으므로 가장 짧은 조각이 가장 멀리 갑니다. 크기를 아는 사다리를 시료 옆에서 함께 전개합니다. 이동 거리는 크기의 로그에 따라 일정하게 줄어듭니다.

웰에서 27.9 mm 떨어진 밴드는 500 bp와 300 bp 밴드 사이에 있으며, 직선에서 읽으면 약 400 bp입니다. 그림에서 범죄 현장 시료의 밴드는 용의자 2의 밴드와 일치합니다.

PCR(중합효소 연쇄 반응)은 선택한 DNA 구간을 복제합니다. 95 °C로 가열해 가닥을 분리하고, 약 55 °C로 식혀 프라이머가 표적 양쪽에 결합하게 한 다음, 72 °C에서 내열성 DNA 중합효소가 이를 연장합니다. 한 주기마다 표적이 두 배가 되어, 5주기면 한 개가 32개가 되고, 30주기면 약 1.07십억 개가 됩니다.

세균 형질 전환은 유전자를 플라스미드에 실어 세균에 넣습니다. 흔히 항생제 내성 유전자를 함께 넣어, 항생제가 든 배지에서 형질 전환된 세포만 자라게 합니다.

DNA 염기서열 분석은 염기의 순서를 읽습니다.