[분자생물학] 3 : 유전자의 기능과 특징 - 저장, 전사, 번역, 복제, 돌연변이

 

 

이번 포스트에서는 유전자의 기능과 특징에 대해 알아보도록 하자.

 

 

 

 

위 그림처럼 DNA중 gene으로 기능하는 부위, 그 중에서도 template strand로부터 mRNA가 transcription(전사)되고, mRNA 내부의 codon들이 담고 있는 정보가 ribosome에서 translation되어 protein이 만들어짐. (이 때 DNA 중 transcription되지 않는 부위를 nontemplate라고 부름)

 

 

 

gene에서 protein으로의 연결고리에 해당하는 녀석이 messenger(m)RNA라는 사실은 1950~1960년대에 밝혀짐.

 

 

 

그 이전에도 DNA는 nucleus에 있고 단백질은 cytoplasm에 있으므로 이 둘 사이를 이어줄 중간 운반체가 존재할 것이라는 것은 예상 가능했음. 이 때 처음에는 ribosome이 그 유력한 후보였는데, ribosome이 핵으로 가 DNA로부터 정보를 받아들이고 이 녀석이 다시 세포질로 나와 단백질을 생산한다는 생각이었음. (이렇게 생각한 대표적인 사람이 DNA 분자구조를 밝힌 Crick임)

 

 

한편 Jacob와 그의 동료들은 조금 생각이 달랐는데, 비특이적인 ribosome 대신 messenger 역할을 하는 불안정한 RNA가 DNA와 단백질의 missing link라고 주장함. 이들의 가설을 바탕으로 한 각각의 실험 가설에 대해 살펴보자.

 

 

 

 

위 그림은 Crick의 가설을 바탕으로 한 예상 실험 결과를, 아래 그림은 Jacob의 가설을 바탕으로 한 예상 실험 결과를 나타내주고 있음. 일단 이 때 묘사되는 실험의 전체적인 컨셉에 대해 먼저 살펴보자. 우선 C13, N15와 같은 동위원소를 함유한 heavy medium에서 cell을 배양시키면 그곳에서 만들어지는 ribosome도 C13, N15와 같은 무거운 동위원소로 이루어져 있을 것임. 이후 이 녀석을 light medium(동위원소가 아닌 가벼운 C, N으로 이루어진 미디어)에 넣어준 후 32P를 넣어주어 RNA를 라벨링함.

 

 

이러한 실험 컨셉 하에서, Crick의 예상이 맞다면, 

 

(a)에서 나와있는 것처럼 Crick은 지속적으로 새 ribosome이 생기고 그곳으로 RNA가 운반된다는 생각을 가지고 있었기 때문에 light medium으로 옮겨주게 되면 light ribosome에 RNA가 관찰될 것이라 생각함. (즉, centrifugation 시 top에 가까운 곳에서 32P 신호가 나타날 것이라 생각함)

 

 

한편 Jacob의 예상이 맞다면,

 

(b)에서 나와있는 것처럼 Jacob는 ribosome은 새로 생성되기 보다는 계속 재활용되고 ribosome으로 전달되는 RNA만 바뀔 것이라 생각했기 때문에 light medium에 넣어주어도 여전히 heavy ribosome에서 RNA가 관찰될 것이라 생각함. (즉, centrifugation 시 bottom에 가까운 곳에서 32P 신호가 나타날 것이라 생각함)

 

 

실제 실험 결과 Jacob의 예상이 맞았음이 확인되었고 결국 RNA가 intermediate carrier의 역할을 한다는 것이 확인되었음.

 

 

transcription (전사)

 

transcription은 DNA replication에서와 동일한 base-pairing rule을 따름. 다만 transcription 시에는 T 대신 U가 RNA를 구성하는 성분이 된다는 점에 유의하자.

 

 

transcription은 initiation, elongation, termination 세 단계로 진행되며 이에 대해 간단히 나타낸 그림이 아래와 같음.

 

 

 

한편 DNA replication과 transcription 사이에는 큰 차이가 존재하는데, 아래 두 가지가 바로 그것임.

 

 

1) RNA polymerase(RNA 중합효소)는 오로지 한 가닥의 RNA strand를 만들어냄. 이 때 RNA strand를 만들어내기 위해 사용하는 DNA 가닥 또한 1개임. 이는 transcription을 asymmetrical하게 만들어 줌.

 

 

2) transcription 시 DNA melting(denaturation)은 제한적이고 일시적으로 일어남. 반면 replication 시에는 DNA 가닥 간의 분리가 영구적으로 일어남)

 

 

 

translation (번역)

 

translation은 ribosome에서 일어나는 과정임. 그렇기에 ribosome을 단순히 protein synthesizing machine으로 이해해도 무방함.

 

 

위 그림에 ribosome의 구조가 나타나 있음. 이 때 'S'라는 단위가 눈에 띄는데 이 S는 sedimentation coefficient를 나타내며 ultracentrifugation을 돌렸을 때 차별화되는 입자 고유의 성질임. (S는 shape, weight에 따라 달라짐)

 

 

ribosome은 기본적으로 small subunit과 large subunit으로 이루어져 있음. 이 때 각각의 subunit은 RNA와 protein을 다 함유하고 있음. (이 때 ribosome의 구성요소인 RNA를 r(ribosomal)RNA라고 함. 당연히 이 녀석은 RNA 상태로 기능하기에 단백질로 translation되지 않음)

 

 

 

 

mRNA에 존재하는 codon과 상보적으로 결합 가능한 서열을 anticodon이라 하는데 이 anticodon은 tRNA의 일부에서 발견됨. 한편 tRNA는 특이적으로 amino acid를 aminoacyl-tRNA synthetase에 의해 충전받게 되고 그 결과 ribosome으로 특정 amino acid를 달고 오게 됨.

 

 

 

(이 때 translation의 방향이 mRNA의 5'→ 3' 방향임을 꼭 기억하자)

 

 

 

translation 과정에 대해서는 후에 훨씬 더 자세히 배울 것임. 지금은 대략적인 내용에 대해서만 살펴보자.

 

 

 

처음에는 Met가 와서 AUG codon 부위에 붙게 됨. 이후 그 다음 부분의 codon에 상보적으로 결합하는 anticodon 결합에 이어 tRNA에 달린 아미노산도 같이 운반되어 옴. 이후 peptidyl transferase의 도움을 받아 이전에 결합해 있었던 tRNA의 amino acid가 새로 결합한 amino acid 부분으로 옮겨가 결합하게 됨. 이 이전에 사용되었던 tRNA는 밖으로 배출되고, ribosome이 mRNA의 오른쪽 방향으로 한 칸 전진해서 같은 일이 반복되게 됨.

 

 

이런 cycle이 지속되다가 만약 UAG, UAA, UGA와 같은 codon을 만나게 되면 이 때는 translation이 종료됨. (이 때 UAG, UAA, UGA를 인지하는 녀석은 tRNA가 아니며 release factor(방출인자)라 불리는 녀석임) 그러면 그때까지 합성된 polypeptide chain이 release(방출)되게 됨.

 

 

 

참고로 이 때 initiation codon(AUG)과 termination codon 사이의 mRNA 부분을 open reading frame(ORF)이라 부르며 이 부분만 실제로 translation됨.

 

 

그런데 이 때 당연하게도 transcription되는 부위 중 translation되지 않는 부위가 존재하게 될텐데, 5'에 존재하는 비번역 부위를 5'-UTR, 3'에 존재하는 비번역 부위를 3'-UTR이라 함. (UTR은 untranslated region의 약자임)

 

 

 

replication (복제)

 

 

 

DNA 복제에 대한 수많은 가설들이 있었으나 그 중 위 그림의 (a)에 나타나 있는 semiconservative model이 맞는 model임이 확인됨. 이에 대해서는 차후에 자세히 다룰 것임.

 

 

 

mutation (돌연변이)

 

gene은 실수로 발생하는 mutation들을 시간이 지남에 따라 누적해가게 됨. 물론 mutation이 치명적이거나 좋지 않게 작용하는 경우가 매우 많기는 하지만, mutation이 있기에 evolution(진화)도 있을 수 있음.

 

 

한편 mutation이 일어났다고 해서 무조건 그 gene에 의해 만들어지는 protein의 기능이 이상해지는 것은 아님. 예를 들어 mutation이 일어났으나 그 결과 절묘하게 같은 amino acid를 지정하는 codon이 원래 위치에 대체된다면 만들어지는 단백질은 변하지 않게 되는 경우가 존재할 수 있음. 이를 silent mutation이라 함. 한편 또 다른 예로 mutation에 의해 특정 부위의 amino acid 종류가 변하기는 하였으나 바뀐 amino acid가 원래 녀석과 화학적으로 매우 유사해서 큰 변화를 유발하지 않는 경우도 존재할 수 있음. 이런 경우를 conservative하다고 이야기 함.

 

 

 

이와 관련된 한 예로 sickle cell disease(낫모양 적혈구 빈혈증)에 대해 알아보자.

 

 

sickle cell disease는 genetic disorder의 일종임. 이 disease는 beta-globin gene에 일어난 단 하나의 염기 변화에 의해 유발됨. 이 때 이 염기 변화에 의해 protein 형성 시 중간에 다른 amino acid가 들어가게 되는데, 이렇게 만들어지는 protein은 low-oxygen condition(저산소 환경)에서 RBC(red blood cell, 적혈구)의 모양 변화를 유발하게 됨.

 

 

위 그림에서는 각각 normal, sickle cell에서의 단백질을 이루는 amino acid 서열 차이를 나타내 주고 있음. (glutamate codon인 GAG가 valine codon인 GUG로 변화됨)

 

 

참고로 아프리카 사람들의 일부는 오히려 이 sickle cell disease를 (heterozygotic한 형태로) 가지는 것이 더 유리하기도 한데, 그 이유는 이 mutated phenotype을 가질 시 말라리아의 증식을 어렵게 만들어 생존에 더 유리하기 때문임.

 

 

 

 

다음 포스트부터는 클로닝을 포함해 분자생물학 연구에 있어 핵심적인 실험 기법들에 대해 다루어보도록 하자.