유전자의 발현 · GeneLab

유전 정보의 전사

유전자는 유전 효과를 지닌 DNA 구간이지만, 단백질은 세포질의 리보솜에서 만들어집니다. 그래서 먼저 DNA의 유전 정보를 RNA에 ‘옮겨 적는데’, 이것을 전사라고 합니다.

RNA 중합 효소는 유전자 앞쪽의 프로모터에 결합해 DNA 이중 가닥을 조금 풀고, 한쪽 가닥을 주형으로 삼아 염기의 상보적 결합(A–U, T–A, G–C, C–G)에 따라 리보뉴클레오타이드를 하나씩 이어 갑니다. mRNA는 5′ 끝에서 3′ 끝 방향으로 자랍니다. RNA에는 T가 없고 그 대신 유라실 U가 있습니다.

먼저 중합 효소를 결합시킨 뒤, 주형 가닥의 염기마다 짝을 이루는 리보뉴클레오타이드를 직접 고르세요. 그다음 주형 가닥을 바꾸거나 프로모터를 없애 보세요.

번역과 유전자 돌연변이

mRNA에서 이웃한 염기 세 개가 아미노산 하나를 지정하는데, 이것을 코돈이라고 합니다. 리보솜은 mRNA를 따라 움직이며 한 번에 코돈 하나씩 읽습니다. tRNA의 한쪽 끝에 있는 안티코돈은 코돈과 상보적으로 결합하고, 다른 쪽 끝에는 해당 아미노산이 붙어 있습니다. 리보솜은 아미노산을 이어 펩타이드 사슬을 만들다가 종결 코돈에서 멈추는데, 이것이 번역입니다. mRNA 하나에는 흔히 리보솜 여러 개가 동시에 결합해, 적은 mRNA로 많은 단백질을 빠르게 만듭니다.

이 mRNA는 β-글로빈 유전자의 앞부분입니다. 한 번 번역한 뒤, 오른쪽 서열에서 염기를 눌러 바꾸거나 염기 하나를 삽입·결실시키고 다시 번역해 유전자 돌연변이의 여러 결과를 비교해 보세요.

유전 암호의 해독

네 가지 염기가 어떻게 스무 가지 아미노산을 지정할까요? 염기 두 개가 아미노산 하나를 지정한다면 조합은 4² = 16가지뿐이라 모자랍니다. 세 개라면 4³ = 64가지로 충분합니다.

1961년 니런버그와 마테이는 DNA가 없는 세포 추출액에 인공 합성한 mRNA를 넣고, 어떤 표지 아미노산이 펩타이드에 들어갔는지 살폈습니다. 같은 해 크릭은 파지 유전자에 염기를 삽입하거나 결실시켜, 코돈이 염기 세 개로 이루어지며 정해진 출발점에서부터 겹치지도 끊기지도 않고 이어서 읽힌다는 것을 보였습니다.

인공 mRNA를 하나 골라 넣기, 보온, 거른 뒤 방사능 재기를 차례로 해 보세요. 이어서 오른쪽의 틀이동 실험으로 염기 1, 2, 3개를 삽입한 결과를 비교하세요.

중심 원리와 후성유전

크릭이 제안한 중심 원리: 유전 정보는 DNA에서 DNA로(복제), DNA에서 RNA로(전사), 다시 단백질로(번역) 흐릅니다. 뒤이어 RNA를 주형으로 DNA를 합성하거나(역전사) 자기 RNA를 복제하는(RNA 복제) 바이러스도 발견되었습니다. 많은 약이 이 가운데 한 단계를 막아서 작용합니다.

유전자가 형질을 조절하는 길은 두 가지입니다. 효소의 합성을 통해 물질대사를 조절하는 길(PeaLab의 주름진 완두처럼)과 단백질의 구조를 직접 조절하는 길(낫 모양 적혈구 빈혈증처럼)입니다. 유전자의 염기 서열이 그대로여도 발현은 유전되는 방식으로 바뀔 수 있습니다. 예를 들어 프로모터의 DNA 메틸화는 유전자를 침묵시키는데, 이것을 후성유전이라고 합니다. 세포마다 서로 다른 유전자를 발현하는 것이 세포 분화의 바탕입니다. StemLab도 보세요.

오른쪽에서 유전 체계를 바꾸고 약을 넣은 다음, 메틸화 정도를 끌어 생쥐의 털빛을 보세요.

형성 평가

네 가지 주제를 되돌아보고 아래 객관식 문제를 풀어 보자.