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4장. DNA 이야기

1. DNA 연구의 출발점

2. DNA에서 단백질로

3. 유전자와 유전체학

경북대학교 미생물공학연구실KNUmbl

4장. DNA 이야기

What is life???

1. The Chemical Unity of

Diverse Living

Organisms

2. Energy Production &

Consumption in

Metabolism

3. Biological Information

Transfer

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DNA와 생명현상

◆ 생물학의 목적 : 생명현상 이해

생명현상의 거시적 연구 --- 주로 증식, 유전에 관한 내용

1) 생화학적 반응 : 효소 단백질의 반응에 의해 진행--- 생화학, 효소학

2) 정보전달 : 어버이의 형질이 자손에게 전달--- 유전학

◆ 무엇이 어떻게 이 생명현상을 지배하는가?

단백질은 아님: 종류가 다양(104 이상), 동일종류도 다량 존재, 불안정

--- 단백질은 어디에서?

* Biological macromolecule의 물리화학적 구조연구

생물학적 고분자 물질, 거대분자--- 핵산, 단백질, 다당류, 지질 등

: 1945년 William Astbury가 molecular biology 단어 처음 사용

DNA 연구의 출발점1

4장. DNA 이야기

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1-1. 멘델과 모건

1. 멘델 (Gregor Mendel) : 멘델의 유전법칙 (1865)

- 완두콩의 생식세포 어딘가에 유전인자 함유 – 일정 법칙에 따라 유전 확인

- 유전학 연구의 확고한 기초 확립

2. 모건(Thomas Hunt Morgan) : 유전자 염색체 지도 – 초파리

- 하나의 염색체가 눈의 색소와 성을 결정 확인- 초파리 염색체 지도 완성

Gregor Mendel Thomas Hunt Morgan

4장. DNA 이야기

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1-2. DNA의 기능 : 관심의 초점

1. Frederick Gfiffith 형질전환 실험 (1928) : Streptococcus pneumonia (폐렴구균)

4장. DNA 이야기

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2. A.D. Hershey, Martha Chase의 blendor experiment (1952)

: 유전물질이 DNA임을 확인

***파지의 생활사 : ..\phage life cycle.pptx

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* DNA가 E. coli의 유전 프로그램을 재조정 → DNA가 유전물질임을 확인

4장. DNA 이야기

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1-3. DNA의 구조

* 핵산의 구성성분 : 오탄당, 염기, 인산

1. 오탄당 : DNA는 deoxyribose, RNA는 ribose

2. 염기는 purine, pyrimidine 염기 두 종류 – 오탄당과 결합

3. 인산은 오탄당과 오탄당을 연결 – phosphodiester 결합

OH│

━ O ━ P ━ O ━‖O

Phosphodiester 결합

4장. DNA 이야기

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DNA 이중나선 (DNA double helix) 구조

***DNA 공간구조

1) 두 가닥 DNA 구조의 염기 사이 수소결합으로 base pairing : A=T(2개), G=C(3개)2) 서로 antiparallel : 1가닥은 5’-3’, 다른 가닥은 3’-5’3) 염기 : 소수성 결합으로 밀집 -분자 내부에 stacking -물과 접촉 최소화, 견고성4) 1 helical(나선의) turn : 10 bp - 결합각도에 의해 - 길이 3.4 nm5) Groove : major, minor

4장. DNA 이야기

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*역평행 및 수소쌍 형성 구조 모습

염기쌍 (base pair)- 수소결합에 의해

4장. DNA 이야기

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1-4. DNA 복제(Replication)

* DNA replication(DNA 복제)

: DNA 1분자가 2분자로 합성되는 현상

* DNA 복제의 특성 : Semiconservative

replication (반보존적 복제)

: DNA 두 가닥 모두 주형으로 작용

: DNA 복제 후 각 DNA duplex 중 한 가닥은 어

버이로부터 유래, 한 가닥은 새로 합성

: 새로 합성되는 DNA 가닥은 어버이 DNA 가닥

과 염기쌍 형성 가능하게 복제 -복제 정확성

* 반보존적 복제의 의의 : 어버이의 DNA 염기서

열과 동일한 염기서열을 가진 딸 DNA 합성

– 유전정보의 정확한 전달 가능

4장. DNA 이야기

* 반보존적 복제의 확인 : Maselson & Stahl(1958) – 15N 질소원을 배지에 첨가

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15N 함유배지 배양후 14N 함유배지에서 세포 분열 후 DNA

15N, 14N 함유배지 배양 후 DNA

14N 배지 경우

15N 배지 경우

혼성체 DNA

4장. DNA 이야기

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유전형질의 보존과 전달

Replication : 주형 DNA 유전정보대로 상보적 DNA의 합성

* RNA replication : RNA virus 경우

Transcription : DNA의 유전정보를 RNA로 전달

Translation : mRNA 유전정보대로 단백질 합성

Reverse transcription : RNA를 주형으로 상보적 DNA 합성

TranslationvRNA V ira l p ro te ins

Transcription Translation

Replication

Reversetranscription

DNA RNA Pro te ins

TranslationvRNA V ira l p ro te ins

Transcription Translation

Replication

Reversetranscription

DNA RNA Pro te ins

DNA에서 단백질로2

4장. DNA 이야기

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4장. DNA 이야기

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2-1. 유전암호

* 유전암호 (genetic code) : 단백질의 아미노산 서열 결정 암호 –mRNA에 함유

- 3개의 누클레오타이드가 1개의 아미노산 결정 –코돈(codon)

4장. DNA 이야기

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2-2. 전사(Transcription)

* 전사 : DNA로부터 RNA의 합성 (DNA dependent RNA synthesis)

- 상보적인 염기 : DNA의 한 가닥(주형 DNA)과 수소결합 가능하게 전사

: 전사의 정확성 및 유전정보 전달의 정확성

- RNA polymerase (RNA 중합효소)가 관여

4장. DNA 이야기

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RNA의 종류와 기능

1. mRNA (전령 RNA) : 유전암호 함유

- Coding region : 유전암호 (genetic code) 함유 -단백질 아미노산 서열 결정

- Noncoding region : 단백질 정보와 무관 – 번역의 조절에 관여

2. tRNA (운반 RNA) : 아미노산을 리보솜에 전달 ***tRNA 구조

- 73 to 94 뉴클레오타이드로 구성

- 내부 상보적 염기배열 - 여러 hairpin loop 구조 형성 가능

- 한 개 아미노산 결합 가능한 적어도 한 개 이상 tRNA 존재

- 3'-말단 CCA 함유 – 아미노산 결합 부위

3. rRNA (리보좀 RNA) : 리보좀(단백질 합성 장소) 구성분

- 리보좀은 2/3가 RNA, 1/3이 단백질로 구성

- rRNA는 단백질 결합 골격으로 작용

ATG STOP

Leader

Ribosome binding site

AUG STOP

Coding region Trailer

4장. DNA 이야기

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2-3. 번역(Translation)

* 번역 : mRNA의 유전정보에 따라 단백질을 합성하는 것 –단백질 합성

: mRNA의 코돈에 따라 아미노산들을 연결하는 과정

- mRNA의 정보 + tRNA의 아미노산 전달 + 리보솜의 아미노산 연결

4장. DNA 이야기

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• DNA로부터 단백질로의 유전정보 전달 과정 요약

- DNA의 정보가 mRNA로 전달되고 그 암호에 따라 아미노산 연결

4장. DNA 이야기

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2-4. 유전자 조절

* 유전자 조절의 오페론(operon)설 : Jacob and Monod

4장. DNA 이야기

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관련어휘

1) 유전자 (gene) : 1개의 유전자 산물(단백질 또는 RNA)을 결정하는 DNA 부분

2) 유전체 (genome) : 한 생명체의 전 유전자 세트

3) 유전체학 (genomics) : 유전체를 연구하는 학문

: 특정 생명체가 가지고 있는 모든 유전자의 구조 및 기능을 연구하는 학문

4) 단백질체학 (proteomics) : 생체 총 단백질을 확인하고 연구하는 학문

5) 전사체학 (transcriptomics) : 생체의 총 전사체

6) 대사체학 (metabolomics) : 생체의 전 대사물질

유전자와 유전체학3

4장. DNA 이야기

3-1. 유전체 연구의 출발

1. 유전자의 분리 및 특성 연구 : 한계

2. 1985, 인간 유전체 30억 염기쌍의 구명 계획 논의

- 유전자 지도 작성과 염기서열 결정

3. 유전체 계획의 확장

- 대장균, 효모, 선충, 초파리, 옥수수, 쥐 등으로 확대

4. 1989년 : 인간유전체 사업 (Human Genome Project) : 초대 단장 - Watson

5. 1994년 : Francis Collins 인간유전체 사업 2대 연구 단장 승계

6. 효모 (1996), 대장균(1997) 유전체 사업 완료

7. 2001년 : 휴먼게놈 초안 발표

8. 2006. 5. 18 : 휴먼게놈 완전해독

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4장. DNA 이야기

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3-2. 유전체 연구의 방법

: 특정 염색체의 유전자 탐색 – 유전자의 위치 결정 – DNA 염기서열 결정

- 염색체 지도 작성과 염기서열 결정

가. 염색체 지도 제작 - 유전자 지도와 물리적 지도

1) 유전자(연관)지도 (gene linkage map) : 염색체 상의 유전자 상대적 위치 표시- 교잡시험에 의한 변이의 동시 발현 빈도에 따라 거리로 표시

4장. DNA 이야기

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2) 물리지도 (physical map) : 유전자간의 실제 거리 표시 – 염기쌍 수

- 이전에는 특정 부위를 숫자로 표시

- 현재 염기서열을 기준으로 유전자간의 거리 표시

4장. DNA 이야기

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4장. DNA 이야기

* 1995년 Haemophilus influenzae의 유전체 해독 완료 – 최초의 유전체- 180만 bp, 1,749 유전자

: 1996년 효모(Saccharomyces cerevisiae) 유전체 해독 완료 : SGD, NCBI

- 최초의 진핵 유전체 – 16개 염색체, 1,200만 bp, 6,000 유전자: 1997년 대장균(Escherichia coli) 유전체 해독 완료 - 46만 bp, 4,288 유전자

* 2011년 현재 : 진정세균 1,042주; 고세균 84주; 진핵미생물 27주 완료

(계 1,153주)

3-3. 미생물 유전체

4장. DNA 이야기

-MBGD (Microbial Genome Database) http://mbgd.genome.ad.jp/

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4장. DNA 이야기

3-4. 인간 유전체

HGP (human genome project) : 1989년 1월 시작 - 2006. 5. 18 최종 발표

- 염색체 1번(3,141개 유전자, 350개 질병 관련 유전자) 마지막

- 총 31억6,500만 bp (200억 Km 길이), 약 35,000~50,000개의 유전자 함유

***인간의 DNA: ..\z인간DNA.mpg

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2000. 6. 26. 백악관에서 인간유전체 초교 발표- 벤터(Venter), 클린턴, 콜린스(Collins)

최초 인간 게놈 인쇄본- 영국 런던

4장. DNA 이야기

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3-5. 유전체 연구 이후

* 생물정보학 (Bioinformatics) : 컴퓨터를 이용하여 생명체 관련 자료를 체계적으로 정리하고, 분석, 이용하는 방법을 연구하는 학문

* 기능유전체학 (Functional genomics) : 유전체의 기능에 관한 연구

* 유전체학 결과의 이용