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★TED
<폴 로드먼드가 설명하는 DNA 구조형성>
생명은 어떤 연산을 한다. 세포에서 부팅이 돼서 프로그램이 실행되면 사람, 동물, 식물 등을 만든다
유전자 프로그램의 작은 변화에 대한 특유의 민감성→생물의 발생과정에서 아주 큰 변화를 일으킬 수 있음→생명작용에는 어떤 분자 프로그램이 존재하고 있고 그것은 곧 분자 프로그램의 힘을 나타냄
생명은 스스로의 분자 컴퓨터를 이용해서 뇌라는 전기화학적인 컴퓨터를 만들고 이는 전자식 컴퓨터를 만들고 전기화학적인 컴퓨터와 전자식 컴퓨터가 힘을 합하면 새로운 분자 컴퓨터를 만들 수 있고 이는 또 다시 새로운 전자식 컴퓨터가 됨
DNA구조: 두 가닥의 이중나선은 아데닌, 티민, 시토신, 구아닌이 짝을 이루어 서로를 지탱
DNA종이접기: 아주 긴 DNA단일가닥이 필요 →박테리아에 기생하는 바이러스에 존재, 이것을 종이처럼 접는다→짧은 재조합 DNA 가닥들을 넣으면 그것의 절반은 긴 가닥의 외쪽에 붙고 다른 절반은 오른쪽에 붙어서 바이러스의 긴 가닥을 모아줌→이 과정을 여러 번 반복하면 직사각형 모양의 모형을 만들 수 있음→우리가 원하는 모양이나 패턴을 만들 수 있음→나노 회로가 될 수 있음/ 이 방법으로 만들 수 있는 부품의 크기는 일반적 컴퓨터 부품 크기의 1/10→작은 컴퓨터를 만드는데 매우 유용, DNA종이접기는 변환장치 작동의 증거가 되기도 함→무언가를 컴퓨터로 넣고 돌리면 컴퓨터 프로그램용 고급 언어로 바뀐 종이접기 설명서를 읽을 수 있음, 이것을 분자로 변환하려면 합성장치로 보내면 됨
하지만 인간을 DNA종이접기로 구성하려면 길이가 10자나 되는 어마어마한 DNA가닥을 찾아야 함, 이는 빛의 속도로 3광년이 걸리는 것, 사실상 불가능→ 단계적 자가조립법에 관심, 이는 DNA종이접기의 1/100정도 되는 타일을 사용하는 방식, 이 타일 하나하나가 분자 프로그램이고 이들이 패턴을 산출, 어떤 프로그램으로도 이러한 타일을 번역해 낼 수 있음→ 2진계수기의 형태가 됨→ 분자 프로그램이 언제 성장을 멈출지 알 수 있음, 재프로그램 하기 쉬움
연산= DNA종이접기+타일→무언가를 만들 때 필요한 분자의 수를 줄여주고 만들 유전체의 크기도 줄여줌
다양하고 복잡한 형태의 삶을 창조하기 위해서 연산이 사용되고 있고 그 연산은 그들의 분자 컴퓨터를 이용한다.
☞DNA종이접기와 단계적 자가조립법은 정말 생소한 이야기였는데 DNA종이접기를 이용하면 일반적 컴퓨터 부품 크기의 1/10크기의 부품을 만들 수 있다는데 이러한 DNA종이접기 방법을 이용해도 인간을 구성하려면 10자나 되는 어마어마한 DNA가닥을 찾아야 한다니 그만큼 인간이라는 존재는 정말 대단한 생명체라는 생각이 들었다. 하지만 단계적 자가조립법은 DNA종이접기의 1/100정도 되는 타일을 사용하여 DNA종이접기와 같이 사용하면 무언가를 만들 때 필요한 분자의 수를 줄여주고 만들 유전체의 크기도 줄여준다니 생명공학기술에 매우 유용하게 쓰일 수 있을 것 같다.
<유전자 편집 기술은 생물 종 전체를 영구적으로 바꿀 수 있습니다>
생물학자 안토니 제임스는 말라리아를 옮기지 않는 모기를 만드것을 시도→실패
실패 이유는 말라리아에 내성이 있는 모기를 만들기가 정말 힘들었기 때문
제임스는 말라리아 원충이 모기에서 살 수 없게 만드는 유전자를 모기 체내에 만들어 문제 해결→하지만 어떻게 모든 말라리아 모기를 이 모기로 바꿀 수 있을지가 세로운 과제가 됨→ 첫 번째 방법: 유전자 변형으로 만들어진 이 모기들을 번식시키고 야생에 방사해서 말라리아 내성 유전자를 퍼뜨리는 것, 하지만 이 방법이 효과가 있기 위해서는 원래 모기 개체수의 열 배나 되는 모기를 방사해야 됨, 두 번째 방법: 유전자 드라이브- 멘델의 유전법칙을 위반하고 aa와 aB를 교배할 경우 aB만 나옴→ 유전자 편집 기술인 크리스퍼의 등장으로 가능, 크리스퍼란 과학자가 정확하고, 쉽고, 신속하게 유전자를 편집할 수 있는 기법으로 박테리아의 메커니즘을 이용한 것, 가위와 같은 기능을 하는 단백질이 있어서 DNA를 자를 수 있음
에스벨트가 만든 크리스퍼 유전자 드라이브: 유전형질을 완벽하게 전달, 생식세포에 사용하면 새로운 유전자를 자동으로 복사해서 모든 개체에 있는 두 개의 염색체에 붙인다(이형성질을 동형성질로 만든다)
유전자 드라이브의 장점: 말라리아, 뎅기열, 치쿤구니아, 황열병을 없앨 수 있음
없애고 싶은 외래종을 제거 가능
멸종 위기 직전에 있는 수백만 마리의 토착종을 복원할 수 있음
유전자 드라이브의 단점: 효과가 너무 뛰어나서 어쩌다 방사될 경우 그 종 전체를 바꿔놓을 수 있음
유전자 드라이브가 우리가 목표로 하는 생물 종에만 국한되지 않을 수도 있음(유전자 흐름 때문, 유전자 흐름이란 유사 종과의 이종 교 배를 일컫는 말인데 이로 인해 유전자 드라이브가 교차할 수 있음)
유전자 드라이브의 한계: 유성번식 종에서만 효과 있음→박테리아나 바이러스에서는 사용 불 → 가능
파괴적인 형질을 만들기는 쉽지 않음
☞유전자 드라이브의 예로 든 말라리아 모기에 대한 이야기는 매우 흥미로웠다. 우리나라에선 말라리아가 크게 문제되지 않지만 아프리카와 같은 곳에서는 말라리아로 상상할 수 없을 정도로 많은 사람들이 죽어나간다. 하지만 유전자 드라이브를 이용하여 말라리아 모기를 없앨 수 있다면 정말 많은 생명을 구할 수 있다는 생각에 유전자 드라이브를 이용한 미래가 기대되었다.
<유전자를 읽고 사람을 만드는 방법>
기계 학습: 유전자를 수천 개 채취→인간에 관한 모든 정보를 조사→엄청난 수의 기계들을 유전자의 내용으로부터 표현형을 찾도록 훈련시킴-키 예측, BMI 측정, 피부색, 나이 등을 알 수 있음→조금의 차이는 있지만 얼굴 인식도 가능해짐
기계 학습으로 어떻게 우리가 작동하는지 어떻게 몸이 작동하고, 나이가 들고, 병이 들고, 암이 퍼지고, 약이 어떻게 몸에 적용하는지 알 수 있음⇒맞춤형 의약
☞기계 학습이라는 방법을 통해 키 예측, BMI 측정, 피부색, 나이 등을 예측하고 한 번도 본 적 없는 얼굴을 인식할 수 있다니 정말 신기했다. 또한 이를 이용해 개인에게 맞춤형 의약을 처방할 수 있다고 하니 정말 대단한 기술인 것 같다.
<이제 DNA를 조작할 수 있지만 현명하게 합시다>
크리스퍼 기술을 통해 과학자들은 세포의 DNA를 조작함으로써 유전병을 치료
크리스퍼 기술은 세균이 바이러스 감염에 어떻게 대항하는지 밝혀내기 위한 기초 연구를 하는 과정에서 개발
주변에 바이러스를 제거하기 위해 많은 세균들은 세포 안에 크리스퍼라는 적응면역체계를 가지며 이것은 바이러스의 DNA를 추적하여 파괴시킴, 이 크리스퍼 체계의 일부분이 캐스9이라 불리는 단백질이며 이것은 특별한 방법으로 바이러스의 DNA를 찾아 내어 잘라낼 수 있고, 파괴시킬 수 있음
캐스 9 단백질의 활동을 이해하기 위한 연구를 하던 중에 그 기능을 유전공학기술에 활용할 수 있다는 것을 알아냄, 과학자들이 세포 내 DNA의 특정 부분을 삭제하거나 삽입하는 방법으로 엄청난 정밀함을 필요로함
크리스퍼 기술은 이미 쥐나 원숭이, 혹은 다른 유기체의 세포 DNA를 변형하는 데에 사용됨
최근 중국의 과학자들은 크리스퍼 기술을 인간 배아의 유전자 변형에도 사용했다고 발표함
필라델피아의 과학자들은 크리스퍼 기술을 이용해서 에이즈에 감염된 인간 세포로부터 일체화된 에이즈 바이러스의 DNA를 제거할 수 있다고 발표함
이러한 유전적 변형의 기회는 우리가 고려해야만 하는 다양한 윤리적인 문제들을 야기함→성체 세포들 뿐만 아니라 인간을 포함한 유기체의 배아들에게도 적용될 수 있기 때문
크리스퍼: 바이러스가 한 세포를 감염시킬 때는 자신의 DNA를 세포에 주입함, 세균 안에서는 크리스퍼 시스템이 그 DNA를 바이러스로부터 뽑아내서 세균 자신의 DNA인 염색체 일부분에 넣어둠. 이 바이러스 DNA의 모든 정보가 저장되는 영역을 크리스퍼라고 함/ 크리스퍼는 주기적 간격으로 분포하는 짧은 회문구조 반복서열의 약자/ 세포들로 하여금 감염된 적 있는 바이러스들을 시간이 지나도 기억하도록 하는 기제, 또한 그 DNA는 자손에게 전달됨→단지 한 세대의 세포들 뿐만 아니라 다음 세대의 세포들 또한 바이러스로부터 보호됨, 이는 세포들이 감염 기록을 보존하도록 함/ 이러한 DNA 조각들이 세균의 염색체로 삽입되면 세포는 RNA라는 분자 복제본을 만들어냄, 이것은 DNA가 완전히 복제된 것, 크리스퍼 영역에서 나온 이러한 작은 RNA조각들은 캐스9이라 불리는 단백질과 결합하여 연결됨, 그리고 나서 세포 내에서 감시병과 같은 기능을 하는 복합체를 형성함, 이것은 세포 내의 모든 DNA를 검색해서 결합된 RNA들의 염기서열과 짝이 되는 부분을 찾음, 그 위치를 찾게 되면 이 복합체는 DNA와 연결되고 캐스9이 칼처럼 바이러스성 DNA를 잘라낼 수 있게 함
캐스9 RNA복합체를 DNA를 자를 수 있는 가위로 비유함→DNA나선에서 양가닥 절단을 만들어냄, 캐스9 RNA복합체는 프로그래밍화 할 수 있음, 즉 특정한 DNA서열을 인지하도록 프로그램화해서 그 부분의 DNA를 절단해 낼 수 있음
크리스퍼 체계를 유전공학에 활용하기를 꿈꾸는 이유: 세포들이 망가진 DNA를 추적하고 고칠 수 있는 능력이 있기 때문, 염기서열의 아주 작은 변화로 망가진 DNA의 끝을 같이 연결해 붙이거나 또는 잘려나간 자리에 새로운 DNA조각을 통합시켜 고칠 수 있음→우리가 DNA안 양가닥 절단의 정확한 위치를 알 수 있다면 세포로 하여금 세포분열이나 새로운 유전 정보의 결합에 의해 이러한 절단 부분을 고치도록 할 수 있음→크리스퍼 기술을 프로그램화 할 수 있다면 예를 들어 낭포성 섬유증을 유발하는 돌연변이 자리나 그 근처의 DNA를 절단할 수 있다면 세포들로 하여금 그 돌연변이를 고치도록 할 수 있음
크리스퍼와 같은 기술의 적용 가능성이 주목 받는 이유: 상대적으로 간단한 기술임→작은 RNA조각들을 이용해서 쉽게 프로그램화 할 수 있음
DNA안에 양가닥 절단이 만들어지면 DNA복구를 유도할 수 있고 이로써 잠재적으로 놀라운 것들을 해낼 수 있음→겸상 적혈구 빈혈증이나 헌팅턴 증후군을 유발하는 돌연변이를 바로잡을 수 있음
크리스퍼 기술로 매우 정교한 변형을 만들어 낼 수 있고 이로써 세포 조직, 혹은 한 유기체 전체에 영향을 미치는 세포 DNA의 변형을 연구 할 수 있음
BUT!! 크리스퍼 기술이 ‘개량’을 위해 사용될 수 있다는 점을 고려해야 함. →인간 배아를 이용한 실험으로 윤리적 문제를 일으킬 수 있음
☞크리스퍼 기술은 상대적으로 간단한 기술인데다가 크리스퍼 기술을 이용하여 낭포서 섬유증, 겸상 적혈구 빈혈증, 헌팅턴 증후군 등과 같이 돌연변이로 인해 발생하는 질병을 치료할 수 있다니 정말 희망적인 이야기였다. 하지만 이러한 기술을 질병치료가 아닌 개량을 위해 사용한다면 이 세상이 좀 무서워질 것 같다. 또 크리스퍼 기술을 이용하여 실험을 할 때 배아 세포를 이용한 실험으로 인한 윤리문제는 분명히 집고 넘어가야할 문제인 것 같다. 크리스퍼 기술은 미래를 위해 꼭 쓰여져야 하는 기술이라고 생각하지만 매우 대단한 기술인 만큼 잘못 사용할 시에 우리에게 미치는 영향도 크기 때문에 신중하게 사용해야 할 것 같다.
★K-MOOC 생명의 프린키피아
<생명의 기원>
◎생명: 환경으로부터 에너지 획득, 에너지 이용하여 자신 복제, 진화할 수 있는 분자들의 조립
◎생명의 특성 9가지:
정렬: 각 구조나 활성이 다른 모든 구조나 활성들과 특별한 연관성을 가지게 되어있다.
물질대사: 분자들을 분해하거나 합성하는 것. 이를 통해 에너지를 획득
운동: 에너지를 사용하여 생명체 자신의 몸이나 일부를 이동시키는 것
반응: 생명체는 환경자극을 감지하고 이에 반응한다.
생식: 생명체는 같은 형태의 새로운 개체를 만들어 낸다.
발생: 단순한 개체가 복잡한 개체로 진행된다.
유전: 어버이로부터 자손까지 유전적 특징들이 전달되는 것
진화: 오랜 시간을 거쳐 에너지 획득과 사용, 생식 등에 새로운 방법을 얻는 것
적응: 특수한 구조들, 행동양식들 그리고 능력들이 환경에 적합하게 되는 것
◎에너지와 관련된 생명의 특성:
정렬의 계층성: 생체원소 → 생체분자 → 세포소기관 → 세포 → 조직 → 기관 → 기관계 → 생명체
물질대사: 세포가 화학에너지인 ATP를 얻거나 사용하는 일련의 화학반응
운동성: ATP를 사용하여 이동하는 것
반응성: 생명체가 다양한 환경변화(온도, 먹이, 천적 등)에 반응하는 능력- 즉각적, 점진적
◎생식과 관련된 생명의 특성:
생식: 생명체가 동일한 형태의 새로운 개체를 만드는 것
-무성생식: 단일 어버이가 새로운 자손 만듦
-유성생식: 어버이 양쪽 교배로 새로운 자손 만듦
발생: 생명체는 작고 단순한 개체로 출발 점점 크고 복잡한 구조로 생장
유전: 부모로부터 자손으로 유전자 전달
(유전자란? 생명체의 형질과 기능을 조절하는 유전 단위, 각 유전자는 염색체 내에 DNA 분자로 구성, 유전자는 엑손과 인트론으로 구성되어 있다, 유전자는 1%, 이동성 유전인자 45%, 생명현상을 조절하는 매우 중요한 요소)
◎진화: 오랜 시간 한 생물 집단 내에서의 유전자들의 변화 → 생물종 다양성, 끊임없는 진화
◎진화의 핵심적원동력: 유전자 중복
◎생물유전체를 형성하는 핵심인자: 고대바이러스- 진화과정 동안 점진적으로 다양한 생물종 유전체에 내재하다가 오늘날 이동성 유전인자로 자리 잡음
◎이동성 유전인자: 조절암호의 핵심요소, 생명 기원과 생명 기능을 조절할 수 있는 핵심요소
◎생명체의 계통 분류:N 생물 종 다양성은 진화 과정의 결과: 지구 상 약 5000만종의 생명체, 이를 이해하기 위해 분류체계 만듦, 생물 종 다양성 연구는 곧 계통 분류 연구
◎생물 종 다양성: 자연환경 유지시키며 인류를 행복하게 하는 무한자원의 가치
◎생물 종 다양성의 중요성; 생활용품, 물질순환, 안락한 휴식처 제공, 연구 및 교육의 장, 질병 치료의 근원 제공 → 생물 종 다양성의 소실은 질병 유발, 생물 종 다양성의 보존은 질병 없는 행복한 세상을 만드는 지름길
◎종: 동일한 초기 집단의 후손, 자연에서 서로 성공적인 교배 능력을 가진 유사한 구조적 형질을 가진 개체들의 집단
◎종에 대한 개념:
형태학적 종: Linnaeus는 종을 시공간적으로 변하지 않는 각각 형태적인 특징을 가지고 서로 명확히 구분되는 것이라고 함
생물학적 종: Mayr는 종을 상호 교배하는 자연 집단으로 구성된 군으로 다른 군들과 생식적으로 격리되어 있는 것으로 봄
진화학적 종: Simpson과 Wiley는 종은 조상과 후손의 혈통관계가 제각기 특이한 생활양식으로 환경에 적응해 가면서 진화한다고 생각함
분자생물학적 종: Florkin은 세포 속 DNA의 염기배열에 의한 아미노산의 구조나 기능이 비슷한 성질을 나타내는 개체군이라고 생각함
◎속: 몇 가지 유사한 종들을 묶은 분류학적 집단
이명법: 종의 표기- 속명, 종명
◎생물 종의 분류단계: 종, 속, 과, 목, 강, 문, 계, 영역
◎생명체: 모든 생명기능을 독립적으로 수행할 수 있는 개체
◎생명분자의 기원:
마이크로스피어, 프로테노이드, 코아세르베이트, 진핵세포-엑소좀, 원시세포, 아미노산 중합, RNA/DNA
◎알렉산드로 오파린; 세포를 구성하는 성분이 고대 지구의 바다 속에 녹아 있었다고 생각하고, 그 물질을 코아세르베이트라고 명명함, 고대 지구에 존재하였던 암모니아, 메탄 등의 단순한 물질에 방전(낙뢰)에 의해 아미노산같은 생체구조적인 물질이 생성되었다고 생각함 → 1953년 밀러가 실험적으로 증명- 무기물에서 유기물을 합성하는 실험을 통해 원시지구에서의 생명체 탄생의 가능성 증명- 고대 지구 모형을 만들고, 그 모형에 메탄, 암모니아, 수소, 수증기의 기체 혼합물을 넣어주고, 전기 스파크를 주니 그 속에서 화합물이 형성됨- 아미노산을 포함한 다양한 화합물 → 1969년 오스트레일리아에 떨어진 Murchison운석에서 발견된 아미노산들은 Miller가 얻은 화합물가 유사함
◎코아세르베이트: 여러 유기물이 모인 액체 방울 형태의 무생물, 생명체라고 할 순 없지만 생명체가 가진 특징을 보임(일정 크기 이상이 되면 둘로 분열), 친수 콜로이드에 다른 이물질 첨가 또는 온도 변동시 콜로이드가 풍부한 액체상과 빈약한 액체상으로 분리, 이때 콜로이드가 풍부한 액체상을 말하며 생물발생의 최초 단계로 봄
◎시드니 폭스: 미국의 생화학자. 아미노산 중합반응이 뜨겁고 건조한 화산활동에 의한 열이 중요한 역할을 한다고 생각, 뜨거운 화산과 같은 조건을 만들고 아미노산이 열을 받을 경우 단백질과 유사한 분자가 만들어진다는 사실을 발견/ 고대 대기와 같은 기체에 1050도 열가열 → 다양한 아미노산 생성 → 4000~10000달톤 분자량의 유사펩타이드 40%가 150도~180도 온도에서 생산되는 것
◎프로테노이드: 1950년 폭스가 아미노산을 가열하여 얻은 열 단백질
◎마이크로스피어: 프로테노이드를 물에서 끓인 다음 식도록 방치했을 때 발견되는 둥근 알갱이로 이중막으로 구성되어 있고, 박테리아와 유사한 형태, 세균처럼 염색도 가능하고 효모처럼 출하
◎마이크로스피어의 특성: 염색가능, 출아가능, 접합을 통한 정보운반, 미립자성 운반체
◎마이크로스피어의 막 내부 구성 물질: mtDNA, mRNA, miRNA, TE, DNA조각
◎원시생명체의 기원: 원시 바다에 축적된 유기물 복합체가 원시 세포로 발전하여 자기 복제와 단백질 합성을 통해 원시 생명체 탄생
◎원시 생명체가 갖추어야 할 생명의 특성: 막 구조, 물질대사, 자기 복제, 단백질 합성
◎생명체의 조건: 생명체와 환경분리, 물질 이동, 자기 복제, 단백질
◎리포솜에 의해 분리된 환경속으로 단백질과 핵산 유입, 이에 따른 물질대사와 자기 복제로 원시 생명체가 등장
◎핵산: 자기 복제를 하고 유전 정보를 갖는다. -RNA/DNA
◎단백질: 유입된 물질을 전환시키거나 에너지를 방출한다.
◎세포막: 외계와 구분되는 얇은 막을 경계로 외계와 물질 출입이 가능하다.
◎RNA World: RNA가 자기 복제를 반복하여 DNA와 단백질을 형성하는 생명체 탄생의 근원
◎리보자임: 단독으로 효소활성을 나타내는 RNA분자, Endonuclease의 기능 수행, 엔자임, 효소로써의 기능을 모두 다 가지고 있음
◎리보자임의 특성: Stem-loop구조
◎생명체들의 DNA선택 이유: 유전정보의 안전한 저장
<세포의 구조와 기능>
◎바이러스가 가지는 생명의 특성: 내부적 정렬성, 운동성, 진화
◎바이러스가 갖지 않는 생명의 특성: 물질대사, 반응성, 생식
◎원소: 더 이상 쪼갤 수 없는 물질, 화학원소 118종, 자연계 원소 89종, 인공원소19종, 인체를 이루는 원소 40여 종 중에 탄소, 수소, 및 산소의 비율은 98%
◎원자: 각 원소는 원자로 구성, 원소의 화학적 성질을 갖는 가장 작은 입자
◎분자: 둘 또는 그 이상의 원자들이 화학결합에 의해 결합된 것
◎원자의 구조: 양성자+전자+중성자
◎이온: 전자 수의 변화, 원자가 양전하 또는 음전하를 가짐
◎화학결합: 에너지 풀, 둘 또는 그 이상의 원자들이 화학결합을 통해 분자 형성
◎화학결합의 종류: 공유결합- 두 원자 간의 전자쌍을 공유하여 이어진 화학결합
수소결합- 물분자 간에는 수소결합이 만들어짐, 극성분자들은 수소결합 가능, 수소결합은 쉽게 파괴됨
이온결합- 한 원자로부터 전자가 다른 원자로 완전히 이동하는 것
수소결합보다는 강하지만 공유결합보다는 약함
◎물분자: 극성 공유결합으로 이루어진 극성분자
◎물: 생명의 필수-태아는 90%, 성인은 70%, 노인은 50%
◎물의 물리적 성질: 수소결합이 물분자 간 & 토양, 유리 등과 결합, 물의 응집력- 표면장력 갖게 함, 어는 물 분자간 수소결합- 얼음이 물 위에 뜸
◎물의 화학적 성질: 용매- 물은 여러 가지 물질을 잘 녹임 (용질: 용매에 녹는 물질/ 극성용질- 친수성 분자, 비극성 용질- 소수성 분자)
◎몸 속 물의 역할: 세포의 형태 유지, 신진대사 촉진, 노폐물 배출, 영양소 흡수 용이, 체온 조절, 원활한 혈액순환, 각종 질병 예방
◎좋은 물의 조건: 맛이 좋고 건강에 유익한 것, 미네랄(마그네슘, 칼륨 등) 성분 풍부, 약 알칼리성 물(pH 7.3) 가장 좋음- 음식 소화 흡수 능력 향상, 몸의 면역력 증강 역할
◎소금이 생명유지에 필수인 이유: 나트륨과 칼륨은 신호전달에 중요한 역할, 나트륨과 칼륨의 유입으로 인한 신호작용이 신체 움직임에 영향을 준다
◎기름(비극성용질, 소수성분자)은 물과 섞이지 않는다
◎산: 양성자 공여자, 물에 녹았을 때 수소이온을 내는 물질
◎염기: 양성자 수여자, 물에 녹았을 때 수소이온을 받는 물질
◎완충액: 화학물에 산이나 염기를 가해도 pH의 변화를 일으키지 않는 용액
◎주요 생명분자 4가지: 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산
◎탄소화합물: 유기(생물)화합물은 탄소가 기본 골격이고, 무기(무생물)화합물은 탄소가 기본 골격이 아님
◎탄소 골격: 전자들과 친화력이 커서 쉽게 공유결합 형성 가능, 인체 질량의 18%는 탄소, 나무는 질량의 50%가 탄소
◎탄수화물: 세포의 구조성분과 에너지 저장 분자, 탄소,수소,산소가 1:2:1로 존재, 서로 다른 탄소 부위에 -OH가 결합, 탄수화물이 다른 성질을 가지게 됨
단당류: 탄소수- 3~6개, 포도당과 과당
이당류: 단당류 2분자가 결합한 것
다당류: 단당류 소단위들이 이룬 긴 사슬, 전분, 글리코겐, 셀룰로오스, 키틴
◎단백질: 세포의 구조 성분, 세포 공정의 조절, 신호 전달의 역할, 체내에서의 물질 운반, 질병으로부터의 방어, 반응의 촉진, 수용체로 작용
◎단백질의 구조: 아미노산- 단백질의 구조골격 성분(약 20여 종)
◎단백질 구조의 특성: 1차 구조가 단백질 분자 전체 모양 결정, 단백질 기능은 분자의 모양과 생명활동 수행 방법에 의해 결정
◎지질: 물에 녹지 않음, 식물과 동물의 에너지 저장 분자(지방, 왁스, 스테로이드)
◎핵산: DNA, RNA, 화학적 생명암호 운반
◎로버트 후크: 영국의 자연철학자, 현미경의 아버지, 원시적 현미경 사용, 코르코 조각 관찰을 통해 세포 발견
◎세포설; 모든 생명체들은 하나 이상의 세포로 구성, 기본적 생명단위, 세포내 화학적 반응 발생, 모든 세포들은 기존의 세포들로부터 생성
◎세포; 생명체의 기본단위, 생명유지, 성장, 분열에 필요한 모든 성분 포함
◎진핵세포: DNA가 단백질과 함께 핵 안에 존재, 막과 결합된 세포소기관들을 함유
◎원핵세포: DNA가 세포질에 흩어져 있음(무핵), 막과 결합된 세포소기관들을 갖지 않음, 진핵세포들보다 먼저 진화 EX) 세균류와 고세균류
◎원형질막(세포막): 세포막을 가로 지르는 물질의 교환(선택적 투과성), 확산, 촉진확산, 능동수송 → 이온과 분자의 이동
◎식세포작용: 세포가 큰 입자를 세포 안으로 끌어들이는 작용, 세포내 섭취의 한 형태, 대상이 세균일 때를 ‘식균작용’이라 함
◎세포내섭취: 세포막이 함입하여 분자무리들 주위를 둘러싸 소낭 형성 후, 세포 안으로 끌어들이는 물질 이동
◎세포외배출: 물질을 둘러싼 소낭의 막과 원형질막이 융합 후, 소낭의 내용물이 세포 밖으로 방출되는 물질 이동
◎핵: 유전물질 함유, 핵막으로 둘러싸임, 세포 활성의 대부분 조절
◎인: 리보솜 합성 위한 rRNA가 합성 장소, 핵속에 1개나 여러개 존재하며 세포분열시 사라졌다가 분열 후 다시 나타남
◎염색체: 유사분열이나 감수분열의 중기세포에서 가장 뚜렷하게 관찰, 유전형질의 발현을 조절하는 유전자 포함, 세포 내 거의 모든 DNA는 핵 내부 염색체의 형태로 존재, 생물종 다양성에 따라 염색체 수나 구조가 서로 다름, 생명체 존재시, 영속적으로 자손에게 전달, 인간의 염색체 수는 46, 침팬지와 고릴라는 48개
◎세포질: 세포소기관들이 들어 있는 반유동성 액체, 물 70%, 단백질 20%, 기타 10%
◎리보솜: 단백질 합성 부위
◎거친면소포체: 세포질 안에 있는 넓적한 막성 구조물, 리보솜과 결합하여 저장했다가 세포 안에서 사용 또는 분비하는 역할
◎매끈면소포체: 지질에 녹는 물질들에 대한 해독작용, 여러 종류의 지질 합성, 칼슘이온의 저장
◎골지체: 새로 만들어진 단백질을 변형, 변형이 완료된 단백질을 세포의 다른 부위로 이동 지시
◎리소좀: 여러 종류의 소화효소들을 가지는 막으로 쌓인 주머니 구조물(세포 내 소화기관), 약 50여종의 가수분해효소 함유
◎세포골격: 세포질 내에서 결정을 형성하는 단백질 섬유들의 3차원적 구조물, 세포소기관들지지 및 세포 부위들 이동 담당
◎중심립: 세포골격 형성 도움, 세포분열시 염색체의 분리와 이동 담당
◎세포간 연접: 동물세포들이 서로 결합하는 방식, 대부분 섬유성 단백질 또는 세포주위 접착제 역할하는 세포외기질에 의해 부착됨.(예: 밀착연접- 세포와 세포 사이의 공간을 통한 화학물질의 이동을 차단, 부착연접- 세포와 세포 또는 세포와 세포 외 기질을 연결시킴, 간극연접- 세포와 세포 사이의 작은 분자들의 이동을 허용)
◎미토콘드리아의 기능: 세포의 에너지 ATP생성 공장, 모든 세포 활동에 필요한 연료 제공, 기능이 상실된 세포를 죽이는 역할, ATP생성과정에서 활성산소 유발, 활성산소로 암, 당뇨병, 고혈압, 심장병 야기
<생명의 실 DNA>
◎인간염색체는 23쌍(46개)로 30억쌍의 염기로 구성, 이 중 약 2만 1000여개의 유전자 있음
◎유전물질의 확인: 1850년대 멘델은 유전인자들이 생명체의 물리적, 화학적 및 기능적 특성에 관여함을 결정 → 유전자
◎DNA에 대한 증거: 1928년 그리피스는 폐렴쌍구균으로부터 어떤 화학물질을 분리하였고, 이 물질이 다른 세균에 유전적 특성들을 전달할 수 있다고 밝힘 → 형질전환
◎형질전환: DNA유입에 의해 한 유전형질(질병 유발 능력)이 전달되는 현상, 한 조각의 외부 DNA를 세포에 결합시킴으로써 한 유전형질을 전달시키는 것
◎치사형 폐렴구균: S형/ 비치사형 폐렴구균: R형
◎S형 폐렴쌍구균으로부터 탄수화물, 단백질, DNA를 분리하여 그 각각을 R형 폐렴쌍구균에 집어넣어 생쥐에 실험해본 결과 DNA를 주입한 생쥐만 죽음 → 유전자가 DNA로 구성
◎유전자가 DNA로 이루어졌다는 확증: 1952년 허시와 체이스는 박테리오파지를 세균에 감염시켜 번식시키는 실험법 사용
◎박테리오 파지의 생활사: 바이러스가 세균에 부착 → 바이러스가 그 유전자를 세균세포 속으로 침투 시킴 → 바이러스 DNA의 복제와 새로운 바이러스 단백질 합성 → 바이러스 입자들의 조립 → 세포 파괴와 새로운 바이러스들의 방출
◎왓슨과 크릭: 미국의 분자생물학자, 1953년 DNA 구조를 최초로 결정, 1962년 DNA 구조 규명으로 노벨상 수상
◎DNA분자의 구조: 프랭클린이 수행한 DNA으 X선 회절상의 도움으로 왓슨과 크릭은 DNA가 이중나선 구조임을 확정
◎DNA구조의 특징: DNA는 2개의 뉴클레오타이드 사슬로 이루어져 있다, 2가닥의 뉴클레오타이드 사슬은 서로 반대 방향으로 이루어져 있다(역평형), 당-인산 지지구조는 나선형 사다리 구조의 바깥족에 존재한다, 염기들은 사다리의 단과 같다, 염기들 중 A는 T, G는 C와 쌍을 이루며(상보적 염기쌍) 이들은 수소결합으로 결합되어 있다
◎DNA와 RNA의 염기들: 피리미딘 고리- 사이토신, 우라실(RNA), 티민(DNA)/ 퓨린 고리- 구아닌, 아데닌
◎샤가프의 법칙: A+G=T+C
◎DNA와 RNA의 차이점: DNA는 티민, RNA는 우라실/ DNA는 디옥시리보오스, RNA는 리보오스/ DNA는 이중가닥, RNA는 단일가닥
◎DNA정보의 중요성: 생명과학 발전의 원동력, 질병관련 유전자 분석에 응용, 단백질을 만들지 않는 Noncoding DNA에 대한 이해, 새로운 유전자 발굴 및 기능 규명, 생명의 기원과 진화 연구에 기여
◎사이토신의 메틸레이션 현상: 인간게놈의 전체 시토신 중 1~2% 발생, 진화과정 동안 사이토신이 티민으로 취환되어 유전자 기능 상실, 각종 유전자 질병과 연루, 생물종다양성 유전자 발현과 연관
◎CpG Island: GC-rich영역이 많은 CpG섬을 가진 유전자는 전체 56%= 약 12000여개 인간유전체에서 CpG섬을 지님, 프로모터 근처에 위치, 사이토신이 메틸화 안됐을 때 유전자 발현 가능, 사이토신 메틸화시 유전자 발현 억제, 조절/ 게놈의 염기서열에 C와 G 두 염기가 나란히 존재하는 것, 메틸화 정도와 패턴은 포유동물 종에 따라 다르고 조직에 따라 다른 특이 양상, 유전자 전사과정을 조절하는 프로모터 부근에 위치, 대부분 CpG 섬은 메틸화 되지 않기 때문에 CpG 섬의 메틸화는 매우 중요
◎사이토신 메틸화 → 유전자 발현 조절
◎후성유전학: 유전자 발현 조절을 밝혀내는 DNA메틸화 연구 DNA염기서열 변화없이 유전발현과 같은 기능의 변화를 알아내는 학문, 염기에 메틸기가 붙는 메틸화 과정
◎CpG 메틸화: 외부에서 유입되는 이동성유전인자 기능 무력화, CpG섬 메틸화로 유전자 발현 원천봉쇄, 사이토신이 티민으로 취환되어 이동성유전자의 기능 상실
◎암억제 유전자의 기능소실: 돌연변이, 결실, 프로모터 영역의 메틸화 발생 → 대변 내 소화관 세포 DNA검사로 유대장암 발견률 향상, 대장암세포 유전자의 메틸화로 진행상태 파악, 소량의 대변만으로 위암까지 발견 가능
◎암조직과 정상조직의 메틸화 현상으로 바이오마커 개발 가능
◎DNA의 활용방안: 혈연관계 확인, 범인추적, 그림위조방지
◎DNA 채취: 대변, 오줌, 정자, 구강세포, 혈흔, 머리카락 등
◎DNA 염기 중 사이토신의 메틸화 현상이 갖는 생물학적 의미: 유전자의 발현의 변화 → DNA 염기서열의 변화없이 유전발현과 같은 기능의 변화가 일어나며, 암의 조기진단에 응용된다
◎염색체: DNA가 히스톤이라는 단백질들 주위를 감고 있는 긴 구조물
◎뉴클레오솜: DNA가 히스톤을 감고 있는 하나의 실감개
◎염색질: 인접한 뉴클레오솜과 단백질의 결합 구성물
◎인간과 침팬지의 유전정보는 98.7% 동일, 1.3%만 다름/ 인간은 유전자 발현 활성화, 침팬지는 유전자 발현 활성화 x
◎인간과 침팬지의 주요 차이점: 인간의 2번 염색체가 침팬지의 12,13번 염색체에 해당, 침팬지 Y염색체에서 인간의 Yq12 이질염색질이 없음, 뇌의 용량차이(인간이 침팬지의 3배), 뇌 유전자발현 활성화 유무
◎성결정 유전자 SRY: SRY가 Y염색체에 존재하면 남성, 아니면 여성
◎염색체의 수적인 이상: 21번 염색체 3개(다운증후군)
◎염색체의 구조적 이상: 결실(고양이울음 증후군, 윌리암스 증후군), 역위, 중복, 전좌(만성 골수 백혈병)
◎염색체 수= 동원체 수
◎염색체의 교차로 유전자 다양성 증가 → 진화의 원동력
◎텔로미어의 길이가 짧아질 경우: 노화, 세포분열 중지, 생식능력 저하, 골다공증, 당뇨현상, 신경손상
◎센프 에이(동원체 특이 히스톤단백질): 암 및 정신질환과 연루
◎텔로미어의 이상은 노화, 암 발생/ 센트로미어의 이상은 암, 정신질환 발생
<유전자의 세계>
◎유전자의 특성: 표현형 단백질을 암호화, 엑손과 인트론으로 구성, RNA splicing을 함, 유전자 수 및 반복배열은 진화와 질병과 연관
◎유전암호: 3가지 염기의 조합, 단백질은 트란스 작용 DNA부위는 시스작용, 단백질 아미노산과 DNA의 3염기연쇄와 서로 일치, 1개의 코돈은 3개의 뉴클레오타이드, 3염기조합은 중복되지 않음, 염기의 삽입이나 결실에 의한 돌연변이는 변이부위 이후 3염기씩 이동, 프레임쉬프트는 염기의 결실이나 삽입 때문에 야기
◎유전자 영역: 코딩영역(단백질배열을 나타내는 영역), UTR(코딩하지 않는 영역)
◎리더: 개시코돈 앞에 위치하는 비번역부위
◎트레일러: 종결코돈 뒤에 위치하는 비번역부위
◎코딩영역: 단백질을 만드는 영역
◎유전자는 RNA전사산물과 대응, 단백질 암호화하는 염기배열보다 더 길다
◎오픈리딩프레임: 아미노산으로 번역될 수 있는 DNA 염기서열
◎개시코돈: 단백질 합성을 개시할 때 최초로 사용, AUG
◎종결코돈: 단백질 합성을 종결하는 넌센스 코돈, UAA, UAG, UGA
◎박테리아는 전사와 번역이 동시에 일어난다
◎진핵세포는 전사와 번역을 구별한다, 전사는 핵에서, 번역은 세포질에서
◎시스배열: 서로 동일한 DNA분자의 위치를 다루는 것
◎트란스 배열: 서로 다른 DNA분자에서 그들의 존재를 다루는 것
◎DNA부위는 시스작용, 단백질은 트란스 작용/ 단백질은 시스 작용의 조절부위에 결합, DNA조절부위는 단백질 결합부위를 제공, 코딩영역은 RNA합성을 경유하여 발현
◎유전자의 정보서열에 따라 단백질 서열 결정
◎Splicing event: 인트론이 짤려져 나가고 엑손들만의 조합으로 최종적인 mRNA가 만들어지는 것
◎Splicing을 통하여 다양한 전사산물 탄생, 전사산물은 서로 다른 조직에서 다른 기능을 함
◎유전자를 전사시키는 핵심 조절인자: 인핸서, 전사인자, 프로모터, RNA 중합효소
◎프로모터: 유전자의 뇌, 유전자 발현을 조절하는 컨트롤 타워
◎프로모터가 약해지면 인핸서가 될 수 있고 인핸서가 강해지면 프로모터가 될 수 있음 → 프로모터와 인핸서는 시소 관계
◎DNA가 구부러져야만 RNA중합효소가 프로모터를 인식하여 전사가 정상적으로 이루어짐
◎프로모터 영역에 어떤 전사인자가 결합하느냐에 따라 특정조직에 정상적인 유전자 발현 성립
◎분단유전자는 mRNA와 DNA의 비교로 검출
◎유전자는 다양한 길이를 가진다, 엑손유전자는 잘 보존되어 있으나 인트론은 다양하다
◎분단유전자는 엑손과 인트론으로 구성
◎엑손: 비연속적인 유전자의 단편, 성숙한 RNA산물 생산
◎인트론: 전사산물의 스플라이싱에 의해 제거되는 부분
◎인트론의 기능: mRNA를 만들어서 엑손을 조절하는 역할, 유전자의 전사에 관여하는 인핸서와 같은 활동
◎RNA splicing: RNA로부터 인토론의 제거와 엑손끼리의 연결을 통해 연속적인 mRNA를 만드는 과정 → 다양한 전사산물 생성
◎다양한 전사산물들은 서로 다른 조직에서 다양한 임무 수행
◎RNA splicing 야기 요소: 이동성 유전인자
◎엑손과 인트론의 구분: 인트론의 시작은 GT, 인트론의 끝은 AG
◎정상적인 splicing은 GT와 AG를 정확하게 인식, splicing이 잘못 일어난 경우 다양한 변이체 형성
◎cDNA: DNA가 전사하여 만들어진 mRNA와 역전사효소가 결합하여 형성된 DNA
◎엑손들은 cDNA와 유전자에서 정확하게 같은 순서로 정렬된다
◎인트론의 염기배열에는 mRNA가 없다
◎인트론에 있는 종결코돈(TAA,TAG)은 단백질을 만들지 않고 mRNA와는 무관하다
◎인트론 길이의 다양성은 Splicing event의 다양성 야기, 유전자의 다양성 야기
◎인트론은 mRNA를 탄생시키고 인핸서 역할 수행 가능한 시퀀스를 탑재하고 있다
◎인트론은 엑손보다 빠르게 진화하는데 이는 단백질 생산을 담당하도록 하는 선택압이 인트론엔 없기 때문
◎인트론 길이는 매우 다양, 전체 유전자 길이는 인트론에 의해서 결정
◎포유류의 인슐린 유전자를 비교분석하면 인트론 결손, 엑손 보존 등을 연구 가능
◎진핵생물의 유전자 개수는 다양하지만, 생명체의 복잡성 및 유전체의 크기와 상관관계가 없다
◎유전자 수: 박테리아-500개, 포유류- 약 25000여개 → 복잡한 개체일수록 유전자 수 증가
◎SRY는 성을 구별하는 바이오마크
◎Y염색체에 탑재된 핵심 유전자는 남녀 성 결정, 정자 생산 관여
◎다형성으로 인해 유전자 기능에 영향을 미칠 때 표현형이 바뀐다
◎제한효소에 의한 다형성 연구에서 염기서열의 자동화현상으로 다형성 탐지(어떠한 SNiPs가 인간의 어떤 질병과 연관있는지 연구
◎유전체의 DNA함량은 하등진핵생물에서는 형태적 복잡성과 함께 증가하지만, 고등진핵생물에서는 일정하지 않다
◎유전체 크기는 원핵생물에서 포유동물 쪽으로 갈수록 증가
◎운핵생물은 비반복배열 DNA만 가짐, 하등 진핵세포에서는 대부분이 비반복배열로 구성(선충류 83%, 초파리70%), 마우스와 개구리에서는 DNA의 절반이 반복배열로 구성, 식물의 경우 70%이상 반복배열로 구성
◎염색체 교차: 생물종다양성 야기
◎부등교차: 재조합 과정에서 접합, 짝짓기와 교차의 오류로 발생한 것
◎유전자족: 선조유전자로부터 중복과 변이를 통해 생성
◎진화의 핵심은 유전자 중복
◎글로빈유전자: 혈색소헤모글로빈을 구성하는 α사슬 2가닥과 β사슬 2가닥을 만드는 유전자
◎지중해빈혈증: 글로빈유전자의 deletion 현상으로 말미암아 야기되는 질병
◎Satellite DNA: 아주 짧은 반복배열을 가진 DNA단벡질을 암호화하는 코딩 기능 없음, 센트로미어 및 헤테로크로마틴의 주요 구성원임
◎Microsatellite DNA: 복제수에 따라서 암을 구분할 수 있는 바이오마커로 이용가능
◎Consensus sequence: 서로 그룹화되어 있는 satellite DNA를 구분할 수 있게함, 선조의 satellite DNA가 어떤 형태인지 인식가능
◎선조형을 제대로 이해하면 진화과정 동안 얼마나 많은 복제가 일어나서 서로 다른 그룹이 몇 그룹이나 형성되었는지 알 수 있다
<DNA복제, RNA전사, 단백질>
◎DNA 복제: 어버이 사슬의 분리 → 뉴클레오타이드들이 분히된 사슬의 염기와 상보적으로 쌍을 이룸 → DNA중합효소가 새로 배열된 뉴클레오타이드를 연결시킴/반보존적
◎DNA 중합효소: DNA사슬의 중합화를 촉매
◎반보존적 복제: 딸 DNA분자의 한 가닥은 원래 어버이 것을 가지며, 다른 한 가닥만이 완전히 새롭게 만들어짐, 복제의 세 단계(사슬분리, 염기쌍 형성, 뉴클레오타이드 연결)는 DNA분자의 길이만큼 반복적으로 일어남
◎콘버어그의 DNA중합효소Ⅰ발견, 네 종류의 dNTP & 주형DNA 필요, 사슬의 신장은 뉴클레오타이드가 사슬의 3-OH에 첨가됨으로써 발생, 신장은 5‘에서 3’방향으로 합성
◎세 가지 중합효소의 생체내 역할(사슬합성의 개시, 5‘-3’ 중합, 3‘-5’ 엑소뉴클레아제 활성):
중합효소Ⅰ: 프라이머를 제거하고 gap을 채움(유일하게 5‘-3’ 엑소뉴클레아제 활성을 가짐)
중합효소Ⅱ: 외부 요인에 의해 손상된 DNA의 수리
중합효소Ⅲ: DNA복제의 필수 효소
◎엑소뉴클레아제 활성: 중합효소들이 교정기능을 수행할 수 있도록 한다
◎어떤 부위의 수소결합 하나만 끊어져도 아주 느슨한 DNA가 만들어진다
◎주형가닥: 5‘에서 3’방향으로 연속적으로 합성
◎지연가닥: 불연속적으로 합성/오카자키 절편
◎DNA 복제의 정확성: DNA복제 때 잘못되는 경우는 1000000000(염기들마다 한번정도 일어남), 세포들은 유전적 착오들을 찾아내어 바르게 해주는 효소들을 가지고 있음, 일부 착오는 치명적일 수 있으나, 일부 착오는 해롭지 않을 수 있음
◎DNA의 복제와 합성:
1. DNA복제 과정에서 자이라아제 및 헬리케이스에 의해 이중나선이 풀리고 SSBP(single-strand binding protein)에 의해 단일가닥이 안정화된다
2. 프리마아제 효소에 의해 각 주형가닥을 따라 특정부위에서 합성이 개시된다
즉, 프리마아제는 3‘말단을 제공하기 위한 짧은 RNA조각을 만들며, 여기에 뉴클레오타이드를 붙임으로서 DNA중합효소Ⅲ가 중합을 시작
3. DNA이중나선의 역평행성 때문에 중합효소Ⅲ는 선도가닥에서 5‘에서 3’방향으로 DNA를 연속적으로 합성한다, 지연가닥에서는 오카자키 단편들이 생기며, 나중에 DNA연결효소에 의해 연결된다
4. DNA중합효소Ⅰ은 RNA 프라이머(시발자)를 DNA로 대체시키며 이들 DNA는 DNA연결효소에 의해 인접한 폴리뉴클레오타이드에 연결된다
◎DNA복제와 RNA전사의 비교:
DNA복제 RNA전사 분자 전체가 복사 단일 유전자만 복사 두 사슬 모두 복사 DNA 두 사슬 중 하나만 분리되고 복사 각 유전자의 한 복사본만 생성 한 단일 유전자가 수천 번 이상 복사 복제는 세포 주기의 S기 때에만 발생 전사는 간기 모두에서 발생
◎RNA의 구조:
구성: 단일 가닥의 폴리뉴클레오타이드 사슬
합성: DNA를 주형으로 한 전사물
당: 리보오스
염기: A,C,G,U
종류: rRNA, tRNA, mRNA, snRNA, telomerase RNA, antisense RNA 등
◎RNA의 종류: mRNA- 전령 RNA, tRNA- 운반 RNA, rRNA- 리보솜 RNA
◎mRNA: 핵의 DNA로부터 유전정보를 세포질의 리보솜으로 운반, 단백질 합성 지시, 5'에서 3‘으로 합성
◎tRNA: 세포질에서 먼저 아미노산과 결합한 다음, 리보솜 상에 있는 mRNA정보의 특이적 서열에 따라서 정렬, 각 tTNA는 하나의 아미노산만 운반
◎rRNA: tRNA 및 mRNA와 함께 작용하여 유전정보를 단백질로 번역함, 리보솜 단위가 mRNA를 다라 이동하면서 정보를 읽어감/ 원핵세포에서는 70S, 진핵세포에서는 80S
◎eRNA: 인핸서의 활동량을 증가시키고 유전자 전사에 기여함
◎siRNA, aRNA: 단백질의 번역을 방해
◎RNA의 구성: tRNA 15%, mRNA 5%, rRNA 80%
◎ncRNA; 코딩을 하지 않는 RNA, 하지만 유전자의 전사조절 기능을 함, 이동성 유전인자(유전체의 45% 차지)가 만들어냄
◎ncRNA의 기능; 번역을 조절, 분화를 조절, 유전자 발현을 조절
◎짧은 RNA단편들은 유전자 조절의 핵심인자
◎miRNA(마이크로 RNA): miRNA는 21~23개의 염기로 구성된 아주 작은 RNA, DNA에서 RNA로 전사된 후 여러 단계의 프로세싱을 거쳐 완성되며, 단백질 번역없이 RNA상태로 존재, 다른 유전자를 조절하는 역할을 하며 mRNA에 결합, mRNA를 억제함으로써 단백질 생성을 방해, 인간에게 200종이상의 miRNA가 존재하며, 생물체의 발생과 성장, 노화, 사멸 등 대부분의 생명현상에 관여
◎핵내 염색체상에 유전자들에 저장된 정보가 단백질로 나타난다
◎세포에서의 유전 정보 흐름: DNA → RNA → 단백질
◎RNA 전사: 단일 유전자만 복사, DNA 두 사슬 중 하나만 분리되고 복사됨, 단일 유전자가 수천 번 이상 복사됨, 전사는 간기 모두에서 일어남
◎RNA중합효소에 의한 전사 촉매:
RNA중합효소Ⅰ(in 인/역할비율: 60%): rRNA 전사
RNA중합효소Ⅱ(in 핵질/역할비율: 30%): mRNA 생산을 담당, snRNA(작은 핵 RNA)
RNA중합효소Ⅲ(in 핵질/역할비율: 10%): tRNA, 5S rRNA전사
◎RNA중합효소는 DNA중합효소와 달리 전사과정을 검사하거나 교정하지 않고 단지, 전사 폭매만 한다
◎전사: 효소가 DNA분자의 한 부위를 RNA분자로 복사
◎번역: 한 종류의 RNA정보 분자(mRNA)가 리보솜들에 의해 폴리펩타이드를 만드는 특정 아미노산 서열로 전환시키는 과정, 단백질들은 세포에서의 운반경로(소포체 → 골지체 → 리소좀)를 통해서 그들을 필요로 하는 장소로 이동
◎전사과정:
1. 사슬의 분리: 효소(헬리케이스)들이 DNA이중나선의 한 부위를 풀고 분리, 한 가닥만이 RNA에 대한 주형으로 작용
2. 상보적염기쌍생성: 리보오스 당을 가진 뉴클레오타이드가 DNA사슬에 상보적 염기쌍을 만들어감, A-U, G-C
3. 뉴클레오타이드의 결합: RNA중합효소가 두 인접한 RNA뉴클레오타이드들을 결합시킴
4. 전자생성물: 단일 사슬 RNA 생성됨, 어버이 DNA는 모두 보존, 5‘에서 3’방향으로 합성
◎캡의 기능: mRNA가 분해되는 것을 방지, mRNA의 번역능력을 증진, 핵에서 세포질로 mRNA가 이동되는 것을 증진, mRNA스플라이싱의 효율을 증진
◎Poly(A)의 기능: mRNA가 분해되는 것을 방지, mRNA의 번역능력을 증진, mRNA스플라이싱의 효율을 증진
◎유전암호(Genentic Code): 서로 다른 64개의 코돈들이 서로 다른 20개의 아미노산 생성, 3개의 염기서열이 하나의 코돈으로 구성되어 특정 아미노산 생성
특정 아미노산을 암호화하는 mRNA의 3개의 인접해 있는 염기서열(코돈)
모든 생물에서 공통적(만능적 특성): 생명의 역사 초기에 진화된 것임을 시사, 거의 변화없이 유지 원활, 원생동물 및 미토콘드리아에서 예외 발견
유전암호는 반복된다- 64개의 코돈 중에서 3개의 종결코돈을 제외한 61개의 코돈이 20개의 아미노산 결정, 즉, 여러 개의 코돈이 하나의 아미노산 결정
◎코돈: 아미노산을 결정 지어주는 mRNA의 인접한 3개의 염기서열
◎안티코돈(역코돈): tRNA에서의 코돈의 상보적인 염기서열
◎코돈과 안티코돈의 염기서열에 따라서 tRNA에서의 아미노산이 결정
◎코돈과 안티코돈의 짝짓기가 단백질 합성 동안 아미노산들이 바른 서열을 가지게 하는 열쇠
◎단백질 합성과정의 단계들:
1. 개시
2. 신장
3. 종결
4. 해체
◎개시: 개시성분들의 조립, 두 개의 리보솜 소단위가 mRNA에 결합, 첫 번째 tRNA(Met-tRNA)가 mRNA(AUG, 개시코돈)에 결합
◎신장: 두 번째 Tyr-tRNA결합 후 Met과 Tyr팹타이드 결합, tRNA와 Met 결합을 끊고 첫 번째 tRNA방출, 리보솜 이동 후, 단계적으로 펩타이드 형성
◎종결: 리보솜이 mRNA의 종결코돈에 도달하면 종결인자들이 tRNA에 결합해 번역을 정지시킴
◎해체: 폴리펩타이드 사슬 완성 후 리보솜 해체
<재조합 DNA기술>
◎재조합 DNA: 자연적으로는 발견되지 않는 DNA분자들을 새로 조합하는 것
◎클론: 한 조상에서 유래한 동일한 생물들, 세포들, 또는 동일 분자들을 뜻함.
◎재조합 DNA 기술의 과정: DNA의 정제 → 제한 효소로 절단 → 벡터 DNA와의 결합으로 재조합 DNA 생성 → 숙주 세포로 재조합 DNA 전달 → 숙주 세포의 복제 → 클론화된 DNA 분자의 회수 → 분리, 연구
◎재조합 DNA 생성을 위한 도구들
제한효소: 침입한 바이러스 DNA를 파괴함으로써 바이러스 감염을 제한할 목적으로 세균세포가 만드는 단백질/ 특정 DNA 서열을 인식하여 결합(인식서열), 인식서열내 특정 뉴클레오타이드의 인산, 당 골격을 자름(제한부위), 제한단편 생성 → 특정 DNA 서열에 대해 특정 제한 효소가 만들어 내는 제한 단편은 언제나 동일함
벡터: 목적 DNA의 운반용 분자, 숙주 세포 내에서 안정적으로 복제가 가능한 DNA 분자, 제한 부위를 포함하고 있어서 외부의 DNA를 받아들일 수 있어야 함, 선별 표식자 필요, 회수가 용이해야 함, 세균의 플라스미드 DNA(최초의 벡터로 사용)
◎DNA 리가아제: 제한단편들이 공유결합에 의하여 상호 연결됨
◎세균의 플라스미드 DNA: 염색체 밖의 이중가닥 원형 DNA 분자로 세균 세포 내에서 자동적으로 복제가 가능, 대장균에서 분리된 원형의 플라스미드 분자들, 유전적으로 조작된 플라스미드들은 DNA클로닝을 위한 운반자(벡터)로 사용
◎벡터의 종류:
클로닝 벡터: 목적 DNA 단편들의 복제를 위한 벡터 → DNA 사본의 생산이 가능해짐
발현 벡터: 삽입된 외래 DNA 정보가 발현되도록 하는 조절 서열이 포함되어 있는 벡터
효모 인공염색체: 매우 긴 DNA 단편을 클론화할 수 있도록 텔로미어와 복제원점, 그리고 동원체를 포함하고 있는 벡터
(이 밖에도 바이러스 DNA나 세균 및 인간의 인공염색체 벡터 등도 개발되어 있다.)
◎Reporter gene: 어떤 유전자의 발현 정도를 간단하게 확인할 수 있도록 해주는 유전자, 대장암 탐섹 가능
대표 유전자- lacZ와 GFP
◎효모 인공염색체(YAC)을 이용한 클로닝: 클로닝 하려는 유전자 크기가 큰 경우 YAC 클로닝을 이용, 클로닝 하려는 유전자 크기에 따라 플라스미드 DNA나 YAC을 사용할 수 있음
◎클로닝을 위한 숙주세포들:
세포 기반 클로닝: 재조합 분자를 세포에 전달하여 복제가 일어나도록 함으로써 사본을 얻는 방법
선별된 한 군락의 세포: 하나의 조상세포에서 기원한 것이므로 군락의 모든 세포와 그들이 가진 플라스미드들은 유전적으로 동일한 클론임
원핵성 숙주세포: 대장균 외 기타 세균들
진핵성 숙주세포: 효모와 기타 포유동물 세포들
◎효모 숙주세포의 이점: 진핵성 생물체임에도 세균세포와 같은 방식으로 배양되고 조작될 수 있다(용이성), 효모 유전학이 잘 연구되어 있어서 돌연변이 목록과 유전자 지도가 확립되어 있다, 진핵성 단백질들의 기능을 연구하기 위해서는 번역 후 변형이 가능한 숙주세포가 필요하다, 오랜 기간 동안 제빵과 양조에 사용되어 왔으므로 백신과 치료용 단백질 생산을 위한 안정성을 확보하고 있다
◎효모로부터 합성되는 재조합 단백질들: B형 간염 바이러스의 표면 단백질(백신용), 말라리아 기생충 단백질(백신용), 인슐린, 외피 성장인자, 혈소판 유래 성장인자, α1-안티트립신, 혈액응고 인자 XIIIA
◎PCR(중합효소연쇄반응) 기법: 클로닝을 하기위해서 특정유전자를 증폭시키는 기법, 표적 DNA 서열에 대한 일부 정보 및 주형 DNA, 프라이머(시발자), 내열성 DNA 중합효소 및 자유 dNTP가 요구됨, 빠르고 경제적이므로 유전자 감식, 고생물학, 법의학 등에 널리 사용/ 기본단계: 열 변성- 냉각 및 프라이머 결합- 중합효소에 의한 신장
◎PCR 기술의 응용: 제한효소 부위 변이체 탐색, 반복서열의 규명, 유전자 특이적 시발자를 이용한 질병 진단, 무작위 시발자를 이용한 DNA 증폭, DNA 서열화
◎PCR 기술의 한계점: 표적 DNA 서열에 대한 정보가 반드시 필요, 예민성 때문에 오염에 취약(오염 증폭 문제)
◎유전자 도서관:
클론 도서관: 한 생물에서 유래한 DNA 클론들의 세트
유전체 도서관: 한 개체의 핵 DNA로 만든 클론 도서관, 클론의 회수가능성을 높이기 위해서는 대용량의 벡터가 필요하다
cDNA 도서관: 특정 시간에 특정 조직에 존재하는 세포군으로부터 얻은 mRNA를 DNA로 변형시켜 만든 클론 도서관
◎도서관의 검색과 응용:
탐침자와 특정 클론 탐색: 도서관 내에 존재하는 서열과 상보적이며 표지 되어 있는 핵산 조각들을 이용한 혼성화 반응을 이용한다.
표지의 방법: 방사성 동위원소, 형광물질, 발색반응 표식자 이용
도서관 검색: 도서관 클론들을 필터에 ㅤㅇㅗㄼ기고 탐침자와 혼성화 시키면서 해당 탐침자와 동일한 서열을 가진 클론들의 위치를 파악할 수 있다.
◎클론 서열의 분석
제한지도 작성: 클론화된 DNA 단편에 존재하는 제한효소 절단 부위의 수와 순서 및 거리를 표시하는 것
젤 전기영동: DNA 단편들의 가시화를 위해 젤 상에서 DNA단편들을 크기별로 분리하는 작업, EtBr이라는 DNA 염색용 시약이 필요
핵산 블로팅: 젤 상에 전개된 핵산을 필터에 옮겨 탐침자와 혼성화시킬 수 있도록 하는 과정
(DNA; 서던 블로팅/ RNA; 노던 블로팅)
◎여러 가지 블로팅 기술들: 서던 블로팅 기법(DNA-DNA 융합), 노던 블로팅 기법(DNA-RNA 융합), 웨스턴 블로팅(단백질-단백질 융합)
◎DNA 서열화와 응용:
생거의 디데옥시 뉴클레오타이드 사슬 종결법: 서열을 결정해야할 DNA를 주형으로 새로운 가닥을 합성할 때 무작위로 반응이 종결되도록 함으로써 여러 길이의 DNA단편을 만들도록 함으로써 서열을 결정하는 효소적 방법, 뉴클레오타이드 분자의 당에서 2번과 3번 자리에 -OH가 없으므로 중합효소에 의한 사슬 신장이 일어나지 못하도록 한 분자
◎DNA 서열화 반응:
사슬 종결법: 4가지 ddNTP(ddATP, ddCTP, ddGTP, ddTTP)에 대한 동일한 반응 실시 → 전기영동으로 각 종결반응의 산물들을 분리함
형광표지된 ddNTP의 이용
자동화 염기서열 분석
◎DNA 서열화와 유전체 프로젝트:
유전체 프로젝트의 궁극적인 목표: DNA 서열화
◎형질전환 동물: 외래유전자를 재조합하여 동물의 생식세포 내에 인공적으로 삽입시킴으로서 형질의 일부가 변화된 동물
<돌연변이와 인간의 질병>
◎돌연변이: 유전물질인 DNA가 갑자기 변호하고, 자손에게 전달되는 일, 새로운 대립인자들이 생기도록 함, 집단 내 유전적 다양성의 기원, 질병이나 세포 사멸을 일으키는 유전적 변화의 근원
염색체 돌연변이: 염색체 수의 변화- 배수성, 이수성
염색체 구조의 변화- 결실, 중복, 역위, 전좌
유전자 돌연변이: 전이, 전환, 과오, 무의미
염색체 이상: 염색체 수 및 구조에 이상이 있어 발생
EX) 다운증후군: 21번 보통염색체가 3개로 정상인보다 1개 더 많음, 두 눈 사 이가 크게 벌어지고, 혀가 두꺼워 항상 입을 벌리고 있으며, 성장이 늦고 지능도 낮음
. 클라인펠터증후군: 성염색체의 구성이 XXY로 유방이 발달하는 등 불완전 한 남자가 됨
터너증후군: 성염색체의 구성이 X로 겉으로 보기에는 여자이나 2차 성징 이 느리고 키가 작으며 지능이 대체로 낮음
유전자 돌연변이; 유전자의 본체인 DNA의 구조가 변화하여 발생
초파리: 눈의 색깔과 모양, 날개의 모양, 체색 등이 변이
겸상적혈구빈혈증: 사람의 정상적인 적혈구는 원반형, 그러나 돌연변이로 낫모양이 되면서 빈혈 발생
알비노: 멜라닌색소를 형성하는 유전자에 변이가 생겨 몸 전체 또는 일부분 이 희게 되는 현상
◎돌연변이의 원인: 유전물질의 복제과정에서 우연히 발생하거나 방사선이나 화학물질 등과 같은 외부요인에 의해 발생, 자연발생적 변이는 100만 번의 DNA복제 중에서 한 번 정도의 비율로 일어나며 방사선이나 약품을 처리하면 이보다 높은 빈도로 일어남
◎돌연변이의 중요성: 표현형적 다양성, 환경변화에 대한 적응, 진화기구 제공, 돌연변이 때문에 생기는 표현형적 다양성 → 변이형질을 만드는 유전자 의 추적이 가능해짐(유전적 마커)
◎돌연변이 표현형에 대한 연구: 유전자의 규명과 기능에 대한 연구를 가능하게 함
자연 돌연변이: 정상적인 화학과정 중에서 자연적으로 발생하는 돌연변이
유도 돌연변이: 인위적인 요소에 의한 영향의 결과로 발생하는 돌연변이
생식세포 돌연변이 vs 체세포 돌연변이: 개체에서 변화가 발생한 장소에 따라 영향력이 다르 게 나타난다. 상염색체성이냐, 성염색체성이냐, 우성 혹은 열성이냐, 개체발생 초기의 변형이 냐, 분화된 후의 변형이냐에 따라 그 효과가 다르다.
분자적 형태 변화에 따른 돌연변이: 점돌연변이- 단일염기의 변화(결실, 삽입, 치환 등)
염기치환- 단일 염기의 치환
전이- 염기의 계열 내 변화
전환- 염기의 계열 간 변화
과오 돌연변이- 염기의 변화로 삼중자 암호가 지정하는 아미 노산이 바뀐 것
무의미 돌연변이- 암호 코돈이 중지코돈으로 바뀌어 번 역 종결을 초래하는 것
침묵 돌연변이- 점 돌연변이로 코돈은 바뀌나 아미노산 변화 없는 것
틀 이동 돌연변이- 삼중자 암호의 해독 틀이 바뀐 것, 삽입이나 결실에 의해 발생
표현형적 영향에 기초한 돌연변이:
영돌연변이- 유전자 기능이 완전히 제거된다
누수돌연변이- 유전자의 기능이 약간 유지된다
Missense변이의 경우, 단백질의 부분활성을 가진다
침묵돌연변이- 단백질의 변화가 없다
즉 동일한 코돈을 생산한다
기능손실돌연변이- 유전자의 활성이 감소되거나 제거된다
종종 열성형질로 된다
기능획득돌연변이- 정상적인 유전자의 활성을 증가시키는 돌연변이 로, 종종 우성형질로 된다
중립 돌연변이- 유전자 산물에 영향을 미치지 않는 변화
가시적 돌연변이- 형태적 특징에 영향을 미쳐 관찰이 가능한 형질 을 만드는 것
영양(요구)성 돌연변이- 특정 아미노산이나 비타민을 합성하지 못하 는 것
생화학적 돌연변이- 생화학적 변화로 인해 개체의 생존이나 건강에 영향을 미침
행동 돌연변이- 동물의 행동 패턴에 영향을 미쳐 달라지게 하는 것
조절 돌연변이- 유전자 발현 조절에 영향을 미치는 돌연변이
치사성 돌연변이- 생존에 필수적인 과정이 방해를 받은 것
조건적 돌연변이- 환경 조건에 따라 영향이 나타나거나 나타나지 않는 돌연변이 예) 온도 감수성 돌연변이
◎ 돌연변이의 주원인: 과오와 무의미 변이가 58%차지
splicing 10%...
침묵 돌연변이가 과오 돌연변이보다 많이 일어난다
◎자연발생적 돌연변이:
특징: 매우 드물게 발생, 생물마다 다양하게 나타남, 동일 종 내에서도 유전자마다 다른 빈도 를 보임
원인: DNA 복제 오류- DNA 중합 효소의 실수 → 잘못된 뉴클레오타이드의 삽입
복제시 미끄러짐- 반복 서열에서 자주 발생, 주형 DNA 한 가닥이 고리를 형성하여 복 제 위치를 이탈하는 경우
DNA 중합효소가 미끄러져 띄엄띄엄 복제를 진행함 → 새로운 가닥 에 작은 결실들이 생김 → DNA 중합효소 주형가닥에 없는 뉴클레오 타이드를 도입 → 삽입이나 결실 유발
호변변환- 호변체(분자 내의 한 원자만 바뀐 상호변환 상태의 구조)
DNA의 손상- 탈퓨린화와 탈아민화(비퓨린성 부위- 이중나선 DNA 분자내의 A 또는 G 의 염기만이 떨어진 상태 → 번역시 암호 변경, 복제시 멈춤이나 부적당한 염기의 삽입으로 돌연변이 발생 가능, 수리기구 활성화로 회복 가능/탈아 민화- 사이토신과 아데닌에서 하나의 아미노 그룹이 케토 그룹으로 바뀜)
산화적 손상- 정상적 세포 대사에 의해 생성된 활성산소들(전자 친화성 산화제들; 과산 화물, 수산화라디칼, 과산화수소 등)이나 고에너지 방사에 노출되어 생긴 활성 산화제들 → DNA 손상 유발 → 복제 오류 등을 일으킴
트랜스포존- 이동성 유전인자들이 유전자 내부로 삽입되어 정상적인 암호화 서열을 망 가뜨림(자발적 돌연변이원인)
◎유도 돌연변이:
원인: 염기 유사체- 핵산 합성 시에 피리미딘이나 퓨린을 대체함으로써 돌연변이를 일으키는 화학물질
알킬화제
아크리딘 염료- 격자이동 돌연변이를 유발, DNA 복제나 재조합 시 생긴 DNA의 빈틈 에서 격자이동 돌연변이가 생기기 쉽고 아크리딘 계열의 염료들은 이 러한 엇갈린 구조물의 형성을 돕는다
자외선- 가시광선보다 짧은 파자의 전자기 스펙트럼의 구성분들은 에너지가 높아 생 물체에 파괴적 영향을 미침, 자외선 방사의 효과; 피리미딘 이합체의 형성 → DNA형태를 왜곡시켜 정상적 복제를 방해함, 광범위하게 적용하여 살균의 목 적으로 사용
이온화 방사선- X-ray, r-ray, cosmic ray 등은 짧은 파장으로 조직 깊숙이 침투하 여 분자들의 이온화를 유발(자유 라디칼과 반응성 이온들이 많아짐에 따라 다양한 화학반응이 유발됨), 이온화 방사선 자체가 DNA으 퓨린 과 피리미딘을 변화시키고 인산 이에스테로 결합을 파괴할 수 있다 → 염색체의 결실, 전좌, 절단 등을 유발
◎돌연변이와 인간의 질병:
근이영양증: 증상- 중증의 근육퇴화, 근병증, 사망, X-연관 열성 질환, 빈도는 1/3500 남아 출생
취약 X 증후군
헌팅턴 병: HD 유전자 내에 CAG서열 반복에 의해 단백질 내에 폴리글루타민 부위가 생성 → 치명적인 신경 퇴행성 질환을 일으킴, 반복 회수가 증가할수록 질병의 발병시 기가 빨라짐
근 경직성 이영양증: MDPK 유전자의 3‘말단의 비번역 부위내의 CTG서열 반복 → 150회 이 상 반복되면 발병
겸상적혈구빈혈증: 낫 모양 적혈구빈혈증이라고도 함
적혈구를 암호화하는 DNA 서열에 변이가 일어나 적혈구의 모양이 낫 모 양으로 변형되는 질병, 적혈구의 변형으로 산소와의 결합력이 감소하게 됨, 겸상적혈구빈혈증은 주로 조상이 아프리카나 지중해 연안에 존재했던 자손들로부터 나타나며, 미국 내에서는 5000명 당 한 명 꼴로 이 질병을 갖는다, 특히 흑인의 경우 이 질병을 흔히 갖는데, 대략 500명 중 한 명 꼴로 이 질병을 앓는다, 특이한 것은 겸상적혈구빈혈증을 유발할 수 있는 대립유전자를 갖는 사람의 경우 말라리아에 강한 내성을 나타낸다
에이즈, 당뇨, 암
라론증후군(왜소증): IGF-1 키 성장의 비밀유전자의 돌연변이로 암에 걸리지 않는다
BRCA1 GENE: 처음 발견된 유방암 발병유전자, 17번 염색체에 위치, 22 coding exon으로 1863개의 아미노산으로 구성
☞ 수 많은 내용을 배웠지만 그 중에서도 돌연변이와 인간의 질병 부분이 가장 인상 깊었다. 돌연변이라고 하면 생명과학1에서 배웠었던 유전자 돌연변이와 염색체 돌연변이 정도로만 알고 있었는데 강의를 들으면서 알지 못했었던 수많은 돌연변이를 알게 되었으며 돌연변이에 대해 훨씬 자세히 학습할 수 있었다. 또한 헌팅턴 병, 낫 모양 적혈구 빈혈증, 다운증후군 외에도 라론증후군, 근이영양증, 근 경직성 이영양증 등 돌연변이에 의해 발생하는 새로운 질병에 대해서도 알게 되었다. 이번 기회를 통해 알았던 내용을 복습하고 생명과학에 대한 더 많은 지식을 쌓을 수 있어서 매우 뿌듯했다.