Chapter 6. Genes and Genomes

본 게시글은 학부 '세포생물학' 강의와 강의 교재(The Cell : A Molecular Approach - Geoffrey M.Cooper)를 토대로 이해한 바를 정리하였습니다.

 

 

Contents

 

6.1 The Structure of Eukaryotic Genes

 

6.2 Noncoding Sequences

 

6.3 Chromosomes and Chromatin

 

 

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6.1 The Structure of Eukaryotic Genes

 

The genomes of most eukaryotes are larger and more complex than those of prokaryotes

 

그림에서 보다시피, 진핵생물의 유전자는 일반적으로 원핵생물보다 훨씬 크고 복잡하다.

 

 

Inrons and Exons

mRNA는 exon만 존재한다

 

 

• 유전자는 Coding sequence인 exon과 이를 분리하는 non-coding sequence인 intron으로 이루어진 split structure(분할 구조)를 가진다.
• 최종적으로 mRNA는 exon만 포함되고, intron은 제거된다.
• Adenovirus는 유전자 발현 연구에 유용한 모델로 사용된다.
• RNA splicing(RNA 스플라이싱) : Intron(non-coding region)을 제거하고, exon(coding region)을 연결하여 성숙한 mRNA를 형성하는 과정이다.

 

 

 

Role of introns

 

• 많은 인트론은 기능적 산물(단백질 또는 non-coding RNA)을 암호화한다.
• Nested gene : 한 유전자가 더 큰 유전자의 intron 내부에 포함되어 있을 수 있다.

 

 

• 조절 서열 : Intron에는 유전자 발현을 조절하는 서열(Regulatory sequence)이 포함되어 있어, 세포 행동에 중요한 역할을 한다.

 

 

Alternative splicing

• Alternative Splicing(대체 스플라이싱) : Intron의 존재로 인해 하나의 유전자에서 Exon이 여러 조합으로 연결 될 수 있다. 그 결과, 다양한 단백질이 합성된다.

 

 

Keypoint

• 대부분의 진핵생물 유전자는 Exon(Coding sequence)와 Intron(Non-coding sequence)로 이루어진 Split structure(분할 구조)를 가진다.
• 포유류에는 Exon보다 Intron이 10배 이상 많은 DNA를 차지한다.
• Intron은 mRNA에서 제거되지만, 다양한 세포 기능을 가진다.
  • 일부 단백질과 RNA는 인트론 내부에 암호화 되어 있다.
  • 인트론은 전사 조절 서열을 포함핳여 유전자 발현을 조절한다.
  • 인트론은 대체 스플라이싱을 가능하게 하여 유전자로부터 다양한 단백질을 생성할 수 있게 한다.

 

6.2 Noncoding Sequences

 

Learning Objectives

• miRNA와 lncRNA의 차이를 이해하고 구분하기
• 다양한 반복 DNA 서열의 유형을 설명하기
• Transposable Elements(전이성 요소)가 유전자 발현에 미치는 영향을 설명하기
• 가공된 위유전자와 DNA 복제에 의해 생긴 위유전자의 차이점 구분하기

 

Noncoding RNAs

 

 

 

• miRNA(마이크로RNA) : 약 22 염기쌍을 가지고 있고 유전자 발현 조절에 중요한 역할을 한다.

 

 

 

 

• lncRNA : long non-coding RNA, 200염기쌍 이상을 가지고 있고, 다양한 유전자 조절 과정에서 작용한다.
• 대표적으로, X-chromosome iinactivation(X 염색체 불활성화)는 lnc의 역할을 보여주는 사례 중 하나이다.

 

Repetitive sequences

 

Simple-sequence repeats(단순 반복 서열)

• 짧은 서열(1 - 500 bp)의 tandem array(탠덤 배열)로 수천 번 반복된다.
• 인간에서 발견되는 예로 α-satellite DNA(α-위성 DNA, 171 bp의 A/T rich 서열)

 

Retrotransposons(레트로트랜스포존)

• SINEs(짧은 삽입 요소)와 LINEs(긴 삽입 요소)로 구성된다.
• LINE은 RNA polymerase II, SINE은 RNA polymerase III가 관여한다.

 

• 유전자 발현 조절에 기여한다.
• e.g. Cortex 유전자의 첫 번째 intron에 전이성 요소(Transposable element)가 통합되어 유전자 발현이 증가하고 더 짙은 색깔을 표현한다.
• 반복 서열 간의 Recombination(재조합)을 통해 DNA 재배열을 유도하고 진화적 변화에 기여한다.

 

Keypoint

• miRNA는 약 22 bp 길이의 짧은 non-coding RNA로, 유전자 발현 조절에 관여한다.
• lncRNA는 200 bp 이상으로, 염색체 조절과 같은 역할을 수행한다.
• 반복 서열은 Simple-sequence repeat와 retrotransposon으로 나뉘며, 유전자 발현 조절과 진화에 영향을 미친다.
• Transposable element(전이성 요소)는 유전자 발현을 조절하고, DNA 재배열을 통해 진화적 변화를 유도한다.

 

 

Gene duplication and pseudogenes

 

Pseudogenes(위유전자)

 

• 비기능성 유전자 복사본으로, 기능적 유전자 역할을 수행하지 않는다.

 

 

Pseudogenes

• 진화적 흔적으로 진핵생물의 Genome size를 증가시킨다.

• 일부 유전자는 역전사를 통해 복제된 후 새로운 염색체 위치에 삽입되어 여전히 기능을 유지한다.

 

Summary

• 포유류 Genome : 약 2/3는 단백질 coding gene이 아닌 서열로 구성된다.
• 많은 유전자가 miRNA와 lncRNA와 같은 조절 RNA를 암호화한다.
• 반복 DNA 서열
  • 포유류 DNA의 50% 이상은 고도로 반복되는 DNA 서열
  • 일부 서열은 Genome 당 10^5 - 10^6 회 복제본으로 존재한다.
  • 단순 반복 서열과 Transposable elements(전이성 요소)를 포함한다.
• 많은 유전자 가족의 구성원이 돌연변이에 의해 비활성화되어 더 이상 기능성 유전자가 아니다.

 

 

6.3 Chromosomes and Chromatin

 

 

Chromatin

• 진핵 생물 DNA와 단백질(Histone etc.) 간 복합체
• Histones(히스톤 단백질)
  • 크로마틴의 주요 단백질
  • 아르기닌(Arginine)과 라이신(Lysine)같은 염기성 아미노산이 많아 음전하를 띤 DNA에 결합한다.
  • 주요 유형 : H1, H2A, H2B, H3, H4

 

 

Nucleosome

• Nucleosome : Chromatin의 기본 구조 단위

 

Centromeres(동원체)

 

• 염색체의 특수 영역으로, 유사분열 동안 복제된 염색체가 딸세포에 정확히 분배되도록 보장한다.
• 두 자매 염색분체(Sister chromatids)가 metaphase(중기)에 연결된 부분

 

**Kinetochore

Kinetochore

• 동원체에 결합된 단백질 구조
• 분자 모터(Molecular motors)로 작용해 방추사(Spindle fibers)를 따라 염색체를 이동시켜 딸핵으로 분리한다.

 

 

Telomeres

• 진핵생물 염색체의 끝 부분에 위치한 서열
• 염색체 복제와 유지에 중요한 역할을 수행한다.
• 단순 반복 DNA 서열로 구성되며, 한 가닥에서 G 잔기(G residues) 클러스터를 포함한다.
• TTAGGG 서열이 수백에서 수천 번 반복된다.
• DNA가 분해되지 않도록 보호하고, 복제 과정에서 염색체 손실을 방지한다.
• Telomerase : 텔로미어 서열을 복구하고 연장시키는 효소

**Shelterin : 텔로미어 보호 단백질 복합체. 비정상적인 DNA 복구 반응을 방지하며 Telomere를 보호한다.

 

 

 

 

 

Summary

• 진핵생물의 DNA는 Histones에 감겨 뉴클레오좀과 크로마틴 섬유를 형성한다.
• Chromatin 섬유의 구조
  • Euchromatin(진정염색질) 상태 : 크로마틴 섬유가 느슨해짐
  • Heterochromatin(이질염색질) 및 유사분열 중기 염색체 : Chromatin 섬유가 단단히 응축
• 동원체는 진핵생물 염색체의 특수 영역이다. 자매 염색분체(Sister chromatids)를 연결하며, 유사분열 중 방추사(Spindle fiber)가 부착되는 부위