DNA: The repository of Biological Information

 

 

내 혈관 속 DNA가 말해줘

BTS  'DNA'  中

 

 

 

음식을 만들기 위해서는 레서피를 본다. 레고를 만들려면 설명서를 본다. 회사에는 메뉴얼이 있다. 군대에도 규율이 있다.

그렇다면 신이 우리를 만들 때에도 그 방법을 어딘가에 적어놨을 것.

그것을 우리는 찾아야 한다.

 

유전정보는 과연 분자적 관점에서 어디에 존재하고 밝혀졌는가.

 

 

수능 덕분에 생물을 응시했기에, Protein + DNA = Chromosome 임을 알고있다.

 

있는 줄도 몰랐던 존재를 인지하기까지

 

왜 자식을 낳았는데 부모와 닮았을까?  이러한 의구심들은 1800년대 까지만 해도 현상만 발견 되었을 뿐 제대로 된 이해도는 떨어졌다. 하지만 '그 분'의 발견으로 생물학은 한 단계 도약하게 된다.

 

문과도 안다던 그 분, '그레고르 멘델'

 

그 도약의 중심에는 현대 유전학의 아버지, 그레고르 멘델(Gregor Mendel)이 있었다. 수도승이었던 그가 누구보다 뛰어난 관찰력과 집념으로 유전의 법칙을 발견한 과학자가 되었다.

 

<그의 업적>

• 종자 모양, 꽃 색깔, 식물 키 등 완두콩의 다양한 형질에 대한 유전 패턴 관찰
• 우성 및 열성 형질 개념 도입(우열의 법칙)
• 분리의 법칙
• 독립의 법칙

TMI. 그러나 그의 연구는 그의 생애 동안 거의 알려지지 않았다. 지금의 Nature와 같은 저명한 학술지도 아닌 변두리 과학잡지에 실린 것이 다윈의 눈의 띄었다고 한다. 그 이후로도 다른 과학자들에 의해 재발견되어 현대 유전학 분야의 발전으로 이어지면서 높이 평가되었다. 화가 김환기가 떠오른다.

 

0. 멘델의 대표적인 법칙 : 우열(Dominant and recessive traits)

평생동안 이 녀석들을 키웠다는 거다... 스투키도 살생한 내 자신을 반성한다.

 

교배의 결과 위처럼 일정한 비율이 나오더라

유전학 관련해서 자주 쓰이는 용어

 

Dominant : 우성의

Recessive : 열성의

Pynotype : 표현형

 

최대한 원어 그대로 외우도록 하자. 고등학교 시절의 버릇을 버릴 필요가 있다. 게다가 고등학교는 현재 정립된 생물학의 개념들과 차이가 큰 경우가 많다는 점을 유의하자.

 

 

1. 멘델의 제 1법칙 : Segregation

분리의 법칙(Segregation)

 

Gamete : 배우자, 생식 세포

 

유전인자가 하나씩 분리가 되면 무작위하게 부모에게 각 하나씩 물려받아 짝을 이뤄 자녀의 유전형이 된다.

 

2. 멘델의 제 2법칙 : 독립(Independent assortment)

이거만 보면 수능 킬러문제 ptsd가 온다

 

서로 다른 유전자(모양, 색상)가 생식 세포에 독립적으로 배열된다.

 

모든 법칙에는 예외가 있기 마련이다.

 

1. 불완전 유전(Incomplete dominance)

우열의 법칙에 따르지 않은 경우가 나왔다

 

Rr에서 보면 우성 또는 열성의 표현과는 다른 유전자 형이 나왔다. 우열의 법칙의 예외이다.

 

2. 공동우성(Codominance)

혈액형이 대표적인 공동우성의 예

 

AB형의 경우 모두 표현이 되고, O형의 경우 아예 발현이 되지 않는 것을 볼 수 있다. 이를 보아 A, B는 서로 어느 쪽이 우세하다고 할 수 없다.

 

3. 연관(Linked genes)

가장 흔한 멘델 법칙의 예외 현상

 

유전자 간의 거리가 멀 때 crossing overrate가 많이 일어난다. 감수 분열(meiosis)할 때 crossing over가 발생한다. 교차는 염색체 내에서 두 유전자의 사이가 멀 때 일어날 확률이 더 크다. 이를 이용해 센티모건의 단위를 이용해 염색체 안에서 유전자 간 거리를 표현한다.

 

교차 현상 모식화

 

 

거리가 이렇게 큰 확률의 차이를 보인다

 

이러한 확률들을 기반으로 cM(센티모건)이 정립될 수 있었다. 분명 내가 들은 수업은 분자생물학인데 유전학도 있고 세포생물학도 있다. 모든 과목의 기반이 되는 것일까 라는 생각이 들었다. 그럴만도 하다. 생명체 안에 제일 작은 무언가를 찾고 있으니까.

 

Thomas Hunt Morgan, 1866-1945

 

이 분이 초파리 원툴로 센티모건 유전인자 거리 단위와 유전인자가 염색체와의 관련성을 찾아 내었다. 이 분 덕에 수 백 페이지 분량의 분자생물학을 공부하고 있다.

 

염색체 안에 유전인자가 있음을 알았다. 이제 이 유전인자가 정확히 어떻게 발현될 수 있는지를 알려면 염색체의 구조부터 이해해야 한다.

염색체는 DNA와 단백질의 조합

 

 

그림을 보았을 때, 우리가 유전자라고 함은 DNA인가, Protein인가 하는 질문을 던져볼 수 있다. 이에 대한 대답은 허시-체이스 실험(Hershey-Chase experiment, 1952)에서 찾을 수 있다.

35 S가 코트단백질에 표지된 박테리오 파와 32 P가 DNA에 표지된 박테리오 파지

 

박테리오 파지 : 세균성 박테리아. 즉 세균이 세균을 감염시킨다.

 

 

이 실험의 결과는 방사성을 띄는 군집을 찾아보았을 때 32 P의 방사성이 검출되었다는 것이다. 그 결과 Protein은 유전물질이 아니다. DNA가 유전물질이었음을 알 수 있다. 만약 단백질이 유전물질 이었다면 35 S의 방사성이 검출되었어야 했다.

 

 

 

Central Dogma(중심 원리)의 탄생

 

 

그러면 이제 유전물질이 DNA임을 아는 유레카급 대발견을 하였다. 하지만 여기서 두 가지의 가설이 존재했다.

 

• one gene, one enzyme
• one gene, one polypeptide

 

그 중 one gene, one enzyme 가설의 탄생에는 비들 - 테이텀의 실험이 있었다.

 

Central Dogma가 생기기 위한 초석이라 할 수 있다

  

1. 핵상 n 상태의 붉은 빵곰팡이 포자를 X-선에 노출시켜 돌연변이를 일으킨다.
2. 최소배지에서 자랄 수 없는 영양 요구성 돌연변이체들을 획득한다.
3. 최소배지에 한 가지씩의 아미노산만 첨가한 후 돌연변이체들의 성장 여부를 확인한다. 아르기닌 첨가 시에만 성장이 가능한 아르기닌 영양 요구주를 얻는다.
4. 최소 배지에 아르기닌 합성 과정의 중간물질을 하나씩만 넣고 위에서 얻은 아르기닌 영양 요구주들의 성장 여부를 다시 확인한다. 각 돌연변이체들이 어느 대사 단꼐의 효소에 문제가 생겼는지 알아낸다.
5. 아르기닌을 합성하는 각 대사 단계마다 효소가 하나씩 관여하며, X-선 조사 시 각 효소를 합성하도록 지시하는 유전자가 망가졌다고 예상했다.  

→  One gene, one enzyme(1 유전자 1 효소설) 이 제창 되었다!!!, 이 당시만 해도 유전자에 대해 완전히 정립이 되어있지 않았다.

 

19세기 말 - 다윈을 필두로 진화론이 확립되었다. 이때 생물들이 서로 유연한 관계에 있을 수 있다는 추론에 학계가 뒤집혔다. 그리고 20세기 초 '박물학적' 연구 시대가 도래했다. 전 세계에 있는 생물을 전부 모아 연구하겠다는 것. 그 중 일부 학자들은 자낭균류를 연구했다. 그 중에 비들과 테이텀이 있었다.  

 

하지만 이 두 영향력있는 가설은 폐기 되었다

결국 후에 밝혀진 Central Dogma에서 파생된 정보들은 위 가설들이 틀렸음을 입증하고 폐기되었다. 하지만 이들은 그렇다고 가치가 없지 않다. 오히려 중요한 의미를 가진다. 유전자가 단백질을 지정한다 라는 중요한 메시지를 전달하고 있다.

Transcription(전사) 말고도 reverse transcription(역전사)도 존재했고, RNA 바이러스와 Viroid도 발견되었다.

Central Dogma

 

그리고 이제 가장 중요한 사건이 발생한다. 왓슨과 크릭이 그토록 베일에 쌓여있던 유전자, 즉 DNA의 구조를 밝혀낸 것이다.

 

요즘은 왓슨, 크릭 논란이 많다고는 하지만...

 

• 두 가닥의 역평행, 이중 가닥 구조
• 인산기가 바깥으로 노출
• Adenine = Thymine(수소 이중 결합), Guanine ≡ Cytosine(수소 삼중 결합)
• 판구조의 염기들이 서로 평행하게 쌓여서 소수성 결합 형성
• 분자 반경 동일하게 오른 나선 회전

 

왓슨과 크릭이 제시한 모델은 B-형 DNA. Figure 1-3b

물이 풍부한 조건에서의 비정상적인 염기쌍이 없을 때 나타나는 구조 - 세포에서 가장 흔한 형태

• Major groove(큰 홈) : 이중나선 DNA의 넓고 깊게 패인 옆구리
• Minor groove(작은 홈) : 이중나선 DNA의 얕고 좁게 패인 옆구리

이 홈들에 있는 작용기에 다양한 단백질이 결합한다.

• 특이 서열 결합 단백질은 보통 major groove에 결합 - 큰 홈에 염기가 더 많이 노출되어 있음
• 특이성이 없는 결합( ex) 히스톤 단백질) : 인상, 당 부분을 인식

 

 

돌연변이는 표현형을 바꿀 수 있다.

겸상 적혈구 빈혈증

 

위 처럼 사소한 염기 서열 하나만 바뀌었을 뿐인데 발현되는 단백질이 바뀌고 그것은 몸의 큰 변화를 가져올 수 있음을 보여준다.

 

마냥 Mutation(돌연변이)는 나쁘다고 볼 수는 없다. 적혈구가 감염되는 말라리아는 겸상 적혈구 빈혈증 환자에 감염될 수 없다.