식품, 화학 관련 전공 및 시험대비 생화학 핵심 요점 요약 정리 15. 핵산의 복제와 유전자의 전사 및 발현

 15강. 핵산의 복제와 유전자의 전사 및 발현

 

※ 들어가기
• 원핵세포들은 핵이 없이 DNA가 세포질에 노출되어 있고, 세대 기간이 짧아서 모든 일들을 거의 동시에 수
행해야 함
• 진핵세포들은 핵에서 전사된 RNA 분자들이 세포질로 나와야 단백질이 합성될 수 있음
• 진핵세포의 유전물질 발현 및 조절과정은 원핵세포보다 더 복잡함
※ 복제 : 이중나선 DNA의 두 가닥이 분리되고 주형가닥으로 사용되어 새로운 뉴클레오티드들이 정확히 상
보적 염기쌍으로 복사함으로써 새로운 두 쌍의 유전체를 만드는 과정
※ 전사 : 두 가닥의 DNA 사슬 중 한 쪽 가닥의 유전정보가 RNA 유전정보로 전환되는 과정
※ 단백질 합성 : 전사된 mRNA의 유전정보를 토대로 아미노산 순서가 결정되어 펩티드결합으로 폴리펩티드를 합성하는 과정
※ 역전사 : RNA 분자 염기서열이 DNA 분자 염기서열로 전환되는 과정

 

1. 유전자 구조
• 세균이나 바이러스에서 사람에 이르기까지 모든 생물체들은 각자의 유전체(genome) 분자를 가짐
• 가늘고 기다란 DNA는 각각의 사람 세포 내 좁은 핵 속에서 엄청나게 촘촘히 꼬여져 있음
※ 유전체 : 한 생명체의 세포가 갖고 있는 총 유전정보를 칭함. 이를 지놈이라 읽음
※ 염색체 : 생명체 세포가 갖는 유전물질 DNA는 1개 이상의 분자로 이루어져 있는데, 이렇게 기다란 크기
의 DNA는 히스톤 단백질 덩어리를 둘러싸고 포장되어 세포주기에 따라 그 구조가 달라지며 세포분열
시기에는 아주 밀집된 형태로 뚜렷한 형태를 갖는 특징적 개수로 나타남

 

1) 유전자의 구성
• 유전자(gene)은 전사되어 하나의 폴리펩티드 또는 일차 RNA(hnRNA, pre-tRNA, pre-rRNA)을 만들어 낼 수
있는 길이의 DNA 부분
※ 유전자 : 하나의 폴리펩티드 또는 RNA 분자를 만들어 내는 DNA 부위 전체를 말함
• 원핵세포의 대부분 유전자 → mRNA 한 개에서 여러 개의 단백질을 만듦
• 진핵세포의 대부분 유전자 → mRNA 한 개에서 단백질 한 개를 만들어 냄
• 진핵세포의 유전자는 엑손(exon)과 인트론(intron)으로 나뉨
※ 엑손 : 단백질의 아미노산 서열을 지정하는 mRNA 부분을 구성
※ 인트론 : 1차 전사체로는 전사되지만 세포질에 나온 mRNA에는 나타나지 않는 부분
• 헤모글로빈의 β-단백질 유전자는 인트론 하나가 유전자의 반 이상을 차지함
(예) 오브알부민 유전자 → 여러 개의 짧은 크기의 엑손들이 흩어져 있음
• 반면에 히스톤 유전자는 인트론이 없이 엑손 하나를 가짐
• 인트론 기능은 아직 정확히 알려져 있지 않음

 

2) 염색체상의 유전자
• 인간의 46개 염색체상에는 약 31억 쌍의 염기쌍이 있음 → 적어도 29,000여개의 유전자를 갖는다고 알려져
있음
• 실제로 생물학적 기능을 보이는 유전자는 훨씬 많음
• 그러므로 유전자 숫자는 중요하지 않으며, DNA의 길이가 길다가 더 많은 유전적 정보를 가진 것이라고 볼
수 없음

 

3) 원핵세포의 염색체 DNA의 특징
• 전형적인 원핵생물의 유전체는 진핵세포와 기본 DNA 구조는 같지만 특징적 차이가 있음
- 하나의 커다란 원형 DNA 분자로 되어 있음
- 유전체 DNA 이외에도 아주 작은 크기의 플라스미드 DNA를 갖는 경우도 있음
- DNA 분자들은 초나선형 구조로 상당히 꼬여 있고, 특히 유전체 DNA는 루프 구조로 뭉쳐 있으며, 주로
세포질에 떠 있는 ‘핵양체(nucleoid)'로 되어 있음
- 세포의 크기에 비해 길이가 상당히 긴 DNA는 세포질에 상당히 조밀하게 포장되어 있음
- 포장 해결방법으로는 DNA를 초나선형 감김(super coil) 상태로 존재하게 해야 함
- 초나선형 감김은 ‘감긴(colied)' DNA가 또 감긴(coiling) 것을 표현한 것임
※ 플라스미드 : 세균 염색체 DNA와 독립적으로 세포 내에 존재하며, 스스로 복제하는 작은 크기의 원형
DNA 물질로 고유한 유전자를 갖고 있음

 

4) 진핵세포의 염색체 DNA 특징
• 진핵세포들의 DNA는 핵 속에 있음
• 세포분열이 끝난 세포의 DNA들은 히스톤 단백질 옥타머(8개 단백질)를 포장하듯이 감싸서 뉴클레오좀 덩어
리를 이룸
• 핵막은 핵공(nuclear pore)을 갖고 있어서 핵 내외로 분자들을 통과시킴
• 히스톤, DNA 복제효소, RNA 중합효소 등이 세포질에서 핵으로 들어가고, 핵에서 전사된 여러 크기의 RNA
분자들은 세포질로 나옴

 

(1) 진핵세포의 염색체 DNA
• 대부분 여러 DNA로 나뉘어져 있고, 서로 다른 크기의 대단히 긴 분자
• 염색약에 염색되므로 염색체 DNA라고도 부름
• 염색체 DNA의 크기와 개수는 종에 따라 다르고, 같은 종 안에서도 각 염색체 DNA 크기가 서로 다름
• 이들 각 분자 길이는 보통 107 ~ 109 bp(염기쌍)에 달함
• 염색체 DNA 수는 종에 따라 완전히 다름
• 원핵세포는 대부분 1개 염색체를 갖지만, 진핵세포는 암컷과 수컷에서 하나씩을 받아서 두 개의 상동염색체
로 존재함

 

(2) 세포주기에 따른 DNA의 특징
• 진핵세포들은 세포주기에 따라 세포가 분열하고 성장함
- 체세포분열이 끝난 세포는 GI 단계로 들어감 → 핵막이 다시 생김 → 염색체 DNA는 덜 촘촘한 진정염색
질로 바뀜 → 유전자 전사활동이 활발함
- 세포주기 S 단계에 오면 DNA들이 복제
- 세포주기 G2 단계에 오면 복제가 끝난 DNA들이 히스톤 단백질에 포장된 염색분체(chromatid)상태로 체
세포 분열 단계로 들어감
- 체세포 분열단계(M)에서 염색체들은 분리되어 두 개의 G1 단계세포로 나뉨

※ 세포 주기 : 진핵세포는 한 세포분열에서 다음 세포분열까지 4단계의 세포주기를 갖는데, G1 단계는 세
포대사과정이 활성화되고 있는 단계이며, 다음 S단계는 DNA가 복제되는 단계이고, G2 세포분열 준비단
계를 지나 곧 체세포분열(M)단계로 염색체와 세포질이 나누어짐
- 분열된 세포는 촘촘한 이질 염색질 구조 & 덜 촘촘한 진정 염색질 & 완전한 DNA가 노출된 부분 등으로

시간에 따라 역동적으로 바뀜
- 이러한 DNA 상태를 염색질(chromatin)이라 부름
- 염색질은 핵에 분산되어 있어서 잘 보이진 않지만, 분열 시에는 촘촘한 뉴클레오좀들이 염색체로 바뀜
※ 뉴클레오좀 : 염색질의 기본 반복단위로서 4가지 히스톤 단백질이 두 개씩 모여서 8개의 옥타머
(octamer)가 되어 약 146개 염기쌍의 DNA 길이가 그룰 둘러싸면서 포장된 단위를 말함
※ 염색질 : 체세포 분열 후 핵 내에 존재하는 느슨하게 풀어진 상태의 염색체 구조로서 현미경상에서 체세
포분열 때의 염색체와 다른 구조를 보여줌

 

2. DNA 복제
• DNA는 유전정보를 안정적으로 저장하고 있는 기구이며, 한 세대에서 다음 세대로 변함없이 전달되어야 함
• 그러므로 세포는 세포분열 전에 자신의 DNA를 두 배로 증가시키는 DNA 복제과정(replication)이 필요하고,
그 복제품은 서로 똑같아야 함
• 복제과정에는 많은 단백질과 효소, DNA 등이 참여해서 동일한 DNA 복사본을 만들어 냄

 

1) DNA 복제 원리
(1) 반보존적 DNA 복제
• ‘DNA 이중나선 모델’이 발표된 이후, 복제기작에 대해 반보존적, 보존적, 무작위 분산적 가설이 각각 제시
됨
• 메셀슨 & 스탈 → DNA 복제는 반보존적이여서 복제 전의 한 가닥이 새로이 합성된 가닥과 염기쌍을 이룬
다고 알려짐
(2) 복제시작점과 양방향성 복제
• 케언즈(Carins) → 한 곳의 복제시작점을 알아냄
• DNA의 AT 염기쌍이 풍부한 지역을 선택적으로 변성시켜 복제시켰더니 양쪽으로 버블(bubble)이 커져가는
것을 확인함
• 즉, 두 DNA 가닥이 동시에 복제되고, 원형의 세곤 염색체 복제는 양쪽 방향으로 진행됨
• 원형의 DNA 분자는 하나의 복제시작점(ori site)에서 양쪽 방향으로 복제됨
• 진핵세포 DNA와 같이 일직선의 긴 DNA들은 시작점이 여러 개 있으며 각 시작점에서 양쪽방향으로 복제를
시작함
※ 복제 시작점 : 대장균 같은 우너핵세포의 DNA 복제 시작은 한 군데에서 양쪽 방향으로 복제가 시작됨

 

2) 원핵세포 DNA의 복제
• 세균의 DNA 복제 : 복제시작점에서 시작 → 나선형 DNA 부분이 더욱 풀리면서 복제 → 신장과정 → 복제
완성 → 종결
(1) 개시단계 : 복제시작점과 DNA 나선의 풀림
• 복제 개시단백질(DnaA) + 복제시작점과 결합 → 약간의 DNA 부분이 풀림 → 헬리케이즈(helicase)효소가
수소 결합을 끊음 → 나선형을 조금 더 길게 풀어줌
• 단일가닥결합(SSB) : 단백질이 풀어진 단일가닥 DNA에 결합하여 복제되는 동안 풀린 상태를 일정기간 유지
하게 함
• DNA 자이레이즈(gyrase) : 회전압력을 감소시켜 나선형을 풀리게 함
• DNA 복제효소 III : 새로운 뉴클레오티드를 주형 DNA 가닥의 염기들과 상보적으로 염기쌍이 이루어지도록
함
• 프리메이즈(primase) 효소 : 일부 DNA 가닥을 주형으로 삼아 약 10~12개 길이의 RNA 프라이머를 합성
※ 복제분기점 : 복제가 시작하면 두 가닥 DNA가 풀려나가면서 Y자 모양의 분기점이 복제 방향으로 나아감
※ 주형 : 핵산의 상보적 가닥 합성에 필요한 정확한 정보를 보여 주는 DNA 또는 RNA 사슬. RNA 합성은
DNA 주형이 필요하고, DNA 복제에는 상보적인 양쪽 DNA 사슬이 주형으로 쓰임
※ 프라이머 : DNA 주형에 있는 짧은 길이의 RNA로서 복제개시점에서 DNA 뉴클레오티드가 부착할 수 있
도록 3‘-OH기를 제공함. 짧은 RNA 조각이 프리마제(primase)효소에 의해 일시적으로 만들어진 것

 

(2) 신장단계
• RNA 프라이머가 만들어지면 주형 DNA 가닥의 염기와 염기쌍을 이루는 새로운 DNA 뉴클레오티드가 프라
이머의 3‘-OH에 연결되면서 DNA 복제가 계속되고 새로운 가닥이 신장되어 감
• DNA 복제효소 I & II : DNA 합성
• DNA 복제효소 II & IV & V : 잘못된 부분을 수선하는데 사용함
• DNA 복제효소 III(DNA pol III)은 DNA를 복제하는 효소로서 10개의 단위 단백질체로 구성
• 신장되고 있는 DNA 가닥의 3‘-말단에 새로운 뉴클레오티드를 첨가시켜 5’-말단에서 3‘-말단으로 DNA가 신
속히 길어지게 함
• 이 때, 잘못 들어온 염기의 뉴클레오티드가 들어오면 DNA 복제효소 III의 복합체에서 핵산말단가수분해효소
활성을 가진 효소가 제거함
• 1960년대 오카자키(Okazaki)가 DNA 한쪽 가닥이 짧게 합성된 후, 이것들이 다시 이어지는 것을 발견함
• RNA 프라이머와 연결되어 있는 약 1,000개 길이의 짧은 단편을 ‘오카자키 조각’이라 부름 → 한 쪽은 첫
번째 프라이머에서부터 연속적으로 합성되고(선도가닥, leading strand), 다른 쪽은 불연속적으로 합성되는
것(지연가닥, lagging strand)
• DNA pol III의 신속성은 복제효소의 베타(β) 단위체가 주형 DNA에 걸쇠(clamp) 역할을 하여 복제하는 동안
효소가 주형 DNA에서 떨어지지 않고 계속 붙어 있게 하기 때문
• 지연가닥의 주형을 둥그런 고리를 형성하여 5‘ → 3’ 방향으로 복제가 일어날 수 있게 함
• DNA pol I : 중합효소 활성 + 핵산말단가수분해효소 활성을 가짐 → 잘못 삽입된 뉴클레오티드를 제거하여
교정하는 능력이 있음

 

(3) 종결단계
• 두 가닥의 복제분기점이 서로 반대 방향에서 돌아오면서 만나면 복제가 종결됨
• 앞쪽의 뉴클레오티드와 인산디에스테르결합이 끊어짐 틈(nick)을 DNA 연결효소가 연결시켜 DNA 복제를 사
실상 완결시킴
※ 틈 : 뉴클레오티드와 뉴클레오티드가 연결될 때 인산다이에스테르 결합이 안 되어 서로 끊어져 있는 상
태를 말함. DNA 리가아제(ligase, 연결효소)가 이를 연결해줌

 

(4) 복제의 정확성
• 정확한 복제가 가능한 이유는 교정(proofreading) & 수선(repair) 때문
- 교정 : 핵산말단가수분해효소 활성
- 수선 : 잘못 연결된 부정한 DNA는 또 다른 복제효소 분자가 잘못된 염기짝을 제거하고 교정시킴

 

3) 진핵세포의 DNA 복제

• 원핵세포의 DNA 보다 길고 복잡한 구조를 형성하고 있음
- 여러 개의 복제 시작점(ori site)을 가짐
- 선형의 DNA를 가지므로 끝부분의 말단소체9telomere)구조의 복제 시작에는 텔로머레이즈(telomerase)효
소가 작용함
- 뉴클레오좀 구조를 가지므로 감겨 있는 DNA를 풀어주어야 함
(1) 복제시작점
• 여러 곳에 있으며, AT 염기쌍 > GC 염기쌍
• 세포주기 동안 단 한번만의 복제가 이루어지도록 조절
• 두 단계의 복제시작점을 가짐
- 첫 번째 : 복제가 일어나도록 준비하는 단계
- 두 번째 : 복제가 준비된 복제시작점에서만 복제가 시작
(2) 이중나선 DNA의 풀림
• 단백질들이 DNA를 풀어주고 단일가닥결합(SSB) 단백질들이 이를 유지시켜 주어 복제가 시작되도록 함
(3) 진핵세포 DNA 복제 효소
• 복제효소 → 복제, 재조합, DNA 수선 등에 관여
• 진핵세포는 5가지 서로 다른 복제효소 α, β, γ, δ, ε 등을 가짐
- 복제효소 α : 여러 단위체 단백질들의 복합체, 프리메이즈. 복제 활성 있음 & 핵산말단가수분해효소 없음
- 복제효소 δ : 원핵세포의 DNA pol III과도 같은 역할을 함. 오카자키 조각에 있는 RNA 프라이머는 RNA
분해효소(RnaseH)가 제거시킴
- 복제효소 β, ε : DNA 복구과정에 관여함
- 복제효소 γ : 미토콘드리아 DNA를 복제하는데 쓰임
• 진핵세포 DNA 복제기구와 원핵세포와의 차이점
- 유전체의 크기가 엄청 큼
- 원핵세포는 염색체가 하나이지만, 진핵세포는 염색체 46개 모두 복제해야 함
- 원핵세포 염색체는 원형이지만, 진핵세포는 일직선의 선형임. 선형의 DNA는 매번 복제 때마다 끝 부분이
조금씩 없어짐
※ 말단소체 : 진핵세포 염색체 DNA의 말단 부분
※ 텔로머레이즈 : 단백질과 RNA로 구성된 효소로, 말단소체를 복세키니다. 효소의 RNA는 말단소체의 반
복서열에 상보적이다.

 

3. DNA 변이와 수선
• 환경으로부터 방사선, 화학적인 돌연변이원, 자연발생적인 변화 등에 노출되어 손상을 입게 됨
• 자주 일어나지는 않지만, 손상이 치명적일 수 있고, 그로 인한 변이가 세대에서 세대로 이어질 수도 있음
1) DNA 돌연변이와 돌연변이원
• DNA 복제과정 중 실수로 서로 맞지 않는 염기쌍 결합이 일어나면 돌연변이(mutation)을 일으킴
• 돌연변이가 일어난 유전자는 아미노산 서열이 바뀐 단백질을 생산하여 세포의 정상적인 기능을 손상시킴
• 여러 효소 및 단백질들이 관여하는 복구시스템을 작동시켜 원래 DNA로 복구시킴

 

2) 돌연변이원에 의한 DNA 손상
(1) 염기의 알킬화
• DNA에서 음전하를 띠는 인산과 부분적인 음전하를 띠는 염기에 주변의 전자 친화물들이 공격하여 알킬기를
추가시켜 알킬화 시킴
• 알킬화된 염기들 → 복제 시 실수를 일으킴 → 돌연변이가 될 확률 ↑
(2) 자외선
• DNA 상의 연속된 피리미딘 염기를 연결시켜 피리미딘 이합체(pyrimidine dimers)를 만듦
• 염기쌍 결합을 깨트려서 복제가 중단 or 다음 세대에 부정확한 염기쌍이 형성
(3) 감마선 및 X-선
• 에너지가 큰 감마선과 X-선은 DNA 주변의 물 분자를 이온화 시킴 → DNA에 손상을 가함
• 산소 or 질소 자유라디칼을 만들어 → DNA를 공격함 → DNA 가닥이 끊어지기도 함

3) 일반적인 DNA 복구과정
• DNA 복구시스템은 대부분의 생물체 내에 존재함
• 대개 변경되지 않은 주형가닥의 염기 순서를 이용하여 변경된 가닥의 염기들을 아래와 같이복구함
① 변경된 염기 인식
② 그 염기를 제거
③ 그 틈을 DNA 복제효소와 DNA 연결효소가 복구
• DNA 수선 기작에는 뉴클레오티드 두 가닥 모두 필요함
• 수선 교정 기작에는 4 종류가 있음
- 부정한 DNA 염기쌍의 수선
- 직접수선
- 염기절제 수선
- 뉴클레오 절제 수선
(1) 부정합 DNA 염기쌍의 수선
• 부정합 염기짝의 복구능력은 복제효소가 갖고 있음
• 이 작용은 염기쌍 간의 수소결합이 잘못되면 복제효소의 합성속도가 느려짐 → 효소의 합성작용 활성부위에
서 핵산말단가수분해효소 활성부위로 효소 작용이 바뀌게 됨
• DNA pol I(부정함 DNA 수선 효소) : 잘못 들어온 염기쌍의 비틀어진 부분을 잘라내고, 본래의 DNA 가닥을
주형으로 내세워 새로운 뉴클레오티드로 빈 공간을 채워줌
(2) 직접수선
• 손상된 지역을 직접 제거한 후 복구하는 경우
• 빛에 의해 재활성화되는 DNA 광분해효소 이용 → 피리미딘 이합체를 직접 분해하여 정상적인 피리미딘으로
북구해냄
(3) 염기절제수선(base excision repair)
• 손상된 염기들은 DNA 글리코실 가수분해효소로 끊음 → AP(apurinic) 핵산내부 가수분해효소가 자름 → 디
옥시리보오스 인산디에스테라아제 효소가 인산 단위로 자른 후 → 다시 DNA pol I이 복구함
(4) 뉴클레오티드 절제 수선
• 피리미딘 이합체처럼 부피가 커진 DNA 손상을 제거하는 과정
• 가장 중요한 수선과정의 하나임
• 관련되는 효소 복합체가 구조적으로 비틀려있는 지역을 찾아내어, 두 가닥을 서로 분리하여 단일가닥결합
(SSB) 단백질을결합시켜 안정화시킴
• 손상된 양 가닥의 당-인산 골격 절단 제거된 부분은 DNA pol I이 메우고 DNA 연결효소가 봉합함

 

4. 재조합
• 재조합은 DNA 분자 간의 물리적 교환
• 교환이 유사한 DNA 분자 사이에서 일어날 때 상동적 재조합
• 재조합 방법은 DNA 분자들 간에 유전물질이 상호 교환되어 재배열되기 때문에 유전적 다양성이 증가함
• 재조합 과정은 대개 DNA 복제 또는 복구과정과 밀접히 관련됨
1) 재조합 모델
• 재조합의 종류
- 일반적 재조합(상동성 재조합, homologous genetic recombination)
→ 상동성 서열을 갖는 두 DNA 사이에서 유전물질이 교환되어, 유전적 다양성을 만들어 냄. 두 가닥에 모
두 이상이 생겼을 때, DNA를 복구하는 기작임

- 위치특이성 재조합(site-specific recombination)
→ 재조합 효소가 특정 위치를 인식하고 끊어서 새로운 DNA 조각과 이어줌
- 유전체 전이과정(transposition)
→ 자유롭게 이동하는 전이인자(transposon)에 의해 염색체와 염색체 내부 또는 그 사이에 DNA 조각의 이
동과 끼워 넣기를 주도하는 과정

 

2) DNA의 제한과 변형
• 대략 4~8개 정도의 특정 염기서열을 가진 DNA 내부를 전달하는 제한효소(restriction enzyme) 또는 제한적
내부가수분해효소(restriction endonuclease)가 있음
(예) EcoRI 효소 : GATTC와 같이 이중나선의 중앙측을 기준으로 G와 A사이를 절단함
• 일부 세균들은 이미 제한효소를 갖고 있으며, 이 때 세균은 자신의 DNA 상에 있는 특정 염기를 메틸화하여
자신의 제한효소 공격으로부터 보호함 → DNA 변형(modification)
• 제한효소 : 특정 위치의 이중나선 DNA를 절단하는 EcoRI, BamHI 등이 있음
- 제한효소 명명은 그 단백질을 만드는 균주의 속명을 첫 글자를 대문자로 쓰고, 다음에는 그 균주의 종명
의 처음 두 개 글자를 붙여서 쓰고, 그 명칭 뒤에 쓰인 글자는 발견자가 정한 글자 등이 쓰임
(예) EcoRI → Escherichia의 E와 종명 coli의 채를 붙여서 만듦
• 변형효소 : DNA의 특정 염기, 특히 시토신 또는 구아닌 등을 메틸화시키는 DNA 메틸화효소 등이 있음

 

3) 유전공학(Genetic Engineering 또는 재조합 DNA 기술)
(1) 제한효소에 의한 특정 DNA 자르기
• 제한효소들은 특정한 염기 서열을 인식하여 DNA가 끊어지게 함
• 보통 4~8개까지의 특정 염기서열을 인식하는 제한효소는 DNA를 뭉뚝하게(blunt) 자르거나 한쪽 가닥이 단
일가닥이 되게(sticky-end) 자름
(2) DNA 연결효소(ligase)
• 서로 다른 두 DNA 단편을 단단하게 연결시키는 효소
• 대개 단편으로 끊어진 인산디에스테르 결합을 이어줌
(3) 플라스미드 벡터(plasmid vector)
• 자연적인 플라스미드를 인공적으로 재조합시켜 만든 플라스미드 백터가 유전공학 기술에서 유전자를 형질전
환시키는데 쓰임
• 재조합된 플라스미드 : 스크리닝에 편리한 항생제 내성 유전자가 있고, 그 유전자 내부에 특정 제한효소 인
식 DNA 서열에 넣거나, 외부 유전자를 발현시키는 데 좋은 프로모터 DNA를 연결시키게 함
• 플라스키더 벡터 DNA는 크기가 비교적 작고, 삽입되는 외부 유전자도 작음
(4) cDNA 합성
• 인트론 부분이 빠져서 엑손 부분만이 정보를 가진 DNA를 제조하므로 이를 클로닝하여 유용 유전자를 발현
시키는데 좋음
(5) PCR(polymerase chain reaction) 기술
• 특정 부위의 DNA를 반복적으로 복제시키는 방법으로서 아주 소량의 유전물질을 다량 합성할 수 있음
• 특정 염기서열의 양쪽 프라이머 사이의 염기서열을 정확히 다량 복제하므로 질병의 진단 등에 유용함
(6) 클로닝(cloning)
• 플라스미드 벡터 또는 viral 벡터 등에 외부 DNA를 동일한 제한효소로 끊어서 삽입시켜 재조합 DNA를 만들
고, 숙주세포에 물리적 힘으로 집어넣어 숙주세포를 형질 전환시킴
• 형질 전환된 세포만 찾아내어 배양시킨 세포(클론)을 얻는 과정
※ 클론 : 전체 또는 일부 유전자를 공통으로 보유하고 발현하는 같은 종 또는 개체세포들을 말함

※ 클로닝 : 클론세포 또는 개체를 얻는 과정을 의미하며, 유전공학 기술에서 외래 유전자를 함유한 클론생
물체를 얻는 과정이 중요함

 

5. 전사과정
• 전사과정은 DNA의 정보가 RNA 정보로 전환되는 과정으로서, DNA 복제와 유사하게 세 가지 구성요소가 필
요함
- DNA 주형가닥 : RNA 가닥을 만드는데 DNA 가닥이 필요함
- RNA 합성 기질 : ATP, GTP, CTP, UTP가 필요함
- 전사기구 : RNA 중합을 촉매하는 단백질로 이루어짐
• 전사단위(transcription unit)는 RNA로 암호화되는 부분의 DNA 조각으로서 전사에 필요한 염기서열을 말함
• 프로모터, RNA 암호 부위, 종결인자 등 세가지로 구성됨
- 프로모터 : 전사기구가 인식하여 결합하는 DNA 서열, 주형가닥, 전사방향을 정함
- RNA 암호 부위 : RNA 분자가 만들어지는 DNA 상의 염기서열
- 종결인자(terminator) : 전사가 끝나는 지역
• 전사결과, 세포들은 mRNA, tRNA, rRNA 등을 얻음
• 그 밖에도 조절 또는 촉매 역할을 하는 miRNA 등 작은 크기의 RNA들이 많이 알려져 있음
• RNA 합성은 DNA 합성과 달리 프라이머가 필요 없이 리보뉴클레오시드삼인산(NTP)으로부터 합성되기 시작
함
• 신장 중에는 RNA 분자의 3‘-OH에 NTP가 하나씩 추가됨
• 두 번째 결합하는 RNA 뉴클레오티드는 바로 앞 뉴클레오티드늬 3‘-OH에 인산디에스테르 결합으로 연결되
면서 pyrophosphate(PPi)가 떨어져나감
• 이렇게 합성된 RNA 가닥은 DNA 가닥 중 주형가닥과 상보적이며, 역평행 관계임

 

1) RNA 중합효소
(1) 세균의 RNA 중합효소(RNA polymerase)
• 세균은 한 종류의 RNA 중합효소로 만든 RNA를 합성함
• RNA 중합효소의 핵심효소는 α-단위체 2개, β-단위체 및 β‘-단위체, ω-단위체로 구성되어 RNA 분자의 신
장을 촉매하고, σ(시그마) 단위체까지 결합된 완전효소는 프로모터를 찾아 결합시켜 전사를 시작하게 함
※ 핵심효소 : 세균의 중합효소는 ααββ'ω 단위체들이 결합되어 RNA 합성의 신장단계를 담당
※ 완전효소 : 핵심효소에 σ(시그마)-단위체가 결합되면 전사 시 프로모터를 인식
(2) 진핵세포의 RNA 중합효소
• 세 가지 서로 다른 RNA 중합효소들이 서로 다른 종류의 RNA를 합성함
- RNA 중합효소 I (RNA pol I) : pre-rRNA
- RNA 중합효소 II (RNA pol II) : mRNA 전구체, snRNA, miRNA, snoRNA 전사
- RNA 중합효소 III (RNA pol III) : tRNA, 5S rRNA, miRNA, snRNA 전사

 

2) 원핵세포의 mRNA 합성과정(개시, 신장, 종결단계)
(1) 개시단계
• RNA합성을 시작하는데 필요한 4가지
① 프로모터 인식
② 전사버블 형성
③ rNTP를 이용하여 첫 번째 뉴클레오티드 결합
④ 프로모터에서 σ-단위체의 벗어남과 전사기구가 프로모터를 떠나는 단계까지를 말함
• 프로모터는 전사가 시작되는 곳으로서 DNA 두 가닥 중 어느 가닥이 읽혀지고 있으며, 어느 방향으로 중합

효소가 움직이는 것인가를 알려줌
• 세균의 프로모터들은 대부분 RNA 암호화지역 가까이 있으며, 세균들의 여러 유전자에는 공통적인 염기서열
이 있음
• 그 위치에 따라 지적되는 공통염기서열은 -10 위치의 5‘-TATAAT-3'으로 표시되며, 이를 보통 TATA 박스
라 함
• 또 다른 위치의 공통염기서열로는 -35위치에 TTGACA 서열이 있음
- RNA 완전중합효소는 NTP의 염기가 시작점 DNA에 있는 상보적 염기와 쌍을 이루게 함
- 프로모터에 결합된 채 9~12개 뉴클레오티드 길이의 전사체가 만들어지면 → σ-단위체가 프로모터 지역
에서 떨어져 나감 → 핵심효소만 남아 → 계속 신장단계로 들어감
(2) 신장단계
• 시그마(σ) 단백질이 완전중합효소에서 떨어져 나오면 → RNA 중합효소는 핵심효소(core)로 바뀜 → 프로모
터 지역을 떠나 아래쪽으로 내려가며 RNA를 신장시킴
• 핵심효소가 전사를 행하면서 앞쪽 방향으로 내려가면 뒤쪽에서는 일시적으로 주형가닥과 염기 짝을 형성 →
붙어 있던 RNA 전사체는 수소결합이 끊어짐 → 대신 주형 DNA 가닥은 비주형 DNA 가닥과 다시 염기쌍을
이루어 원래 DNA 형태로 돌아감
• 전사는 중간에 일시중지되었다가 계속 진행하기도 함
(3) 종결단계
• 종결인자부분까지 모두 전사되면 중합효소는 RNA 합성을 끝내고, 합성된 RNA 전사체가 방출되며 RNA 중
합효소도 DNA 주형에서 떨어져 나옴으로써 전사는 종결됨
• 세균의 종결인자는 두 가지가 있음
① 로(rho, p) 비의존형 종결인자
- DNA 서열이 역반복 서열로 되어있어서 전사될 경우 머리핀 모양의 RNA 부분이 만들어짐
- 대략 6개 정도의 아데닌 염기서열이 역반복 서열 뒤에 따라 나와 있어서 머리핀 다음에 poly(U) 사슬이
만들어짐
② 로(rho) 의존형 종결인자
3) 진핵세포의 mRNA 전사와 가공
• 진핵세포의 전사와 세균의 전사과정의 차이점 : 진핵세포의 RNA 중합효소에는 서로 다른 RNA 중합효소 I,
II, III 등이 있음
• 진핵세포의 경우 보조단백질(co-factor)들이 먼저 프로모터 지역을 인식 → 중합효소들이 각각 그 지역에
결합
• 보조단백질은 대개 전사인자(transcription factor)들 → RNA 중합효소와 함께 기본 전사기구를 이루어 최소
수준의 전사를 일으킴
• 진핵세포 DNA들은 히스톤 단백질들에 둘러싸여 있어서 전사에 필요한 단백질들이 접근하기가 매우 어려움
(예) 아세틸전이효소 : 히스톤 단백질에 아세틸기를 붙여서 불안정하게하여 DNA가 풀어지게 함
※ 전사 인자 : RNA 중합효소와 함께 시작점에서 기본전사기구를 형성하여 최소 수준의 전사를 시작하게
함
※ 전사활성화 단백질 : 이 단백질들은 특정 DNA 서열에 결합하고, 시작점에서 기본 전사 기구의 활성을
높이는 데 사용됨
(1) 프로모터
• 진핵세포 RNA 중합효소(I, II, III)는 구조들이 서로 달라서 서로 다른 종류의 유전자를 전사하며, 각각 다른
프로모터를 인식하고, 여러 보조인자들이 독특하게 관여하여 전사가 이루어지도록 함

• 클래스 I, II, III 프로모터는 각각 진핵세포 RNA 중합효소 I, II, III가 인식함
• 클래스 II 프로모터는 TATA 박스, 상부 핵심효소(GC 박스 또는 CCAT 박스), 시작점, 하부 핵심요소 등으로
구성되어 있음
• 그 밖에 인헨서, 싸이랜서 등의 DNA 부위들이 유전자 가까이에서 전사를 조절함
(2) 전사 기새단계
• 진핵세초의 전사는 프로모터 위치에 전사기구 복합체를 형성하여 시작함
• 보통 이 복합체는 RNA 중합효소와 여러 전사인자들로 구성됨
• 전사를 조절하는 단백질들이 먼저 핵심 프로모터 앞쪽에 결합하여 염색질 구조를 바꾸고 이에 따라 전사가
시작되도록 함
• TATA 박스 + TATA 결합단백질(TBP) 결합 → TFIID 일반 전사인자 결합 → + 프로모터에 결합하는 여러
TF 인자들 결합 → 전사복합체 형성
• 선개시복합체 형성은 특정한 TBP(TATA binding protein) 인자가 결합하여 전사개시가 일어나게 함
(3) 신장단계
• 약 30여 개의 DNA-RNA 염기쌍이 먼저 만들어진 후, RNA 중합효소는 프로모터를 떠나면서 계속 RNA를
중합시킴
• 프로모터에는 전사인자들이 남아서 다른 중합효소와 함께 다시 RNA를 전사시킴
• 신장되는 동안 약 8개의 RNA 뉴클레오티드들이 한 번에 합성되도록함
(4) 종결단계
• 세 종류의 중합효소들은 종결단계에서 각각 서로 다른 기작을 사용함
- RNA 중합효소 I : 로(p) 단백질과 유사한 인자를 필요로 함
- RNA 중합효소 II : 로(p) 비의존형 종결인자와 유사하게 RNA 2차 구조형성에 따라 종결됨
- RNA 중합효소 III : 종결은 Rat I 단백질도움으로 일어남
(5) 전사 후 mRNA 가공
• 진핵생물의 RNA는 전사 후 가공되고 변형됨
• mRNA 단백질 합성을 위한 주형으로 사용됨
• 진핵생물 mRNA는 전사된 전구체 RNA(hnRNA)로부터 만들어지고 가공되어 mRNA로 전환됨
• 진핵세포에서는 전사와 단백질 합성이 일어나는 장소가 핵내와 세포질로 나누어져 있음
• 모든 진핵세포 RNA들은 전사 후 가공되고 변형되어 그 기능을 발휘함
① 5‘-캡 구조의 첨가
• mRNA 합성 시 캡 구조의 형성(capping)은 전사가 일어나면서 바로 시작함
• 캡 구조가 만들어진 mRNA는 리보좀에 인식 → 핵산 분해효소들의 작용으로부터 보호되어 mRNA를 안전하
게 유지시키는데 필요함
• 전사가 시작된 후 인산기 하나가 떨어진 hnRNA의 첫 뉴클레오티드에 GTP에서 PPi가 떨어진 GMP가 마주
보고 결합
• 그 뒤 메틸기 한 개가 구아닌 염기에 붙어서 메틸화됨
② 폴리-(A) 꼬리 첨가
• mRNA의 3‘-OH 말단에 50~200개의 아데닌 뉴클레오티드가 첨가되는 경우, 이는 전사 후 hnRNA에 첨가됨
• 3‘-말단에서 앞쪽으로 11~30개 염기서열 위치에 AAUAAA라는 특수한 서열이 있을 경우, poly(A) 꼬리가
붙는 것으로 확인됨
• 이 구조도 mRNA를 안정화시켜 오랫동안 분해되지않고 남아 있게 함
③ RNA 스플라이싱(splicing)

• 스플라이싱 과정 : 전구체 RNA(hnRNA)가 핵에서 전사된 후 세포질로 이동하기 전 인트론 부분의 RNA 조
각들을 절개하여 제외시키고 엑손 부분만이 연결되는 것
• 스플라이싱 인트론에서 세 부분의 서열이 필요함
• 5‘-스플라이스 위치, 3’-스플라이스위치, 인트론 하류 쪽에서 분지점으로 사용되는 아데닌(A) 염기 등
• 대부분 GU로 시작, AG로 끝남
• 그래서 이 서열들이 스플라이싱 과정에서 중요한 역할을 함
• 스플라이싱은 snRNP 단백질과 snRNA의 복합체 스플라이세오좀(spliceosome)에서 일어남
• 인트론의 5‘-위치 절단 → 그 말단 G의 인산기가 분지점 A의 2’-OH에 결합 → 올가미 형태의 고리(lariat)
를 만듦
• 3‘-스플라이스 위치(인트론의 G와 엑손의 G사이)에서 또 한번 절단 → 올가미 형태가 떨어져 나감 → 결국
은 인트론 앞에 있던 엑손과 뒤에 있던 엑손이 두 차례로 연결됨
• 어떤 유전자가 다른 조직세포에서 발현되는 경우 서로 다른 스플라이싱으로 서로 다른 mRNA를 만들고 결
과적으로 다른 단백질이 합성되기도 함

 

4) 원핵세포와 진핵세포의 tRNA와 rRNA의 전사와 가공
• 원핵세포와 진핵세포의 tRNA와 rRNA들은 1차 전사체가 특정 리보핵산분해효소에 의해 일부 절개되어 변형
됨
• tRNA는 보통 30~40 종류의 서로 다른 tRNA 유전자에서 전사됨
• 각각 아미노산과 결합하여 단백질 합성 장소인 리보좀으로 그 아미노산을 옮겨주는 역할을 함
• tRNA는 고유 안티코돈 부위를 가지며, 3‘-말단에 아미노산을 결합시킬 수 있는 부위가 마련됨
• rRNA 유전자들도 rRNA 전구체로 전사된 후 메틸화와 절단에 의해 기능을 갖는 rRNA들이 만들어짐
• 원핵세포의 rRNA(23S, 16S, 5S), 진핵세포의 rRNA(28S, 18S 5.8S, 5S)가 있음

 

5) RNA로부터 DNA 합성의 역전사 과정
• DNA 복제와 RNA 합성은 DNA를 그 주형으로 사용함
• 하지만, RNA를 유전정보 물질로 갖고 있는 일부 RNA 바이러스(예, HIV-1인체면역결핍바이러스)는 숙주세
포의 핵 속에서 자신의 RNA를 주형으로 사용해서 DNA를 합성하는 RNA-DNA 중합효소를 갖고 있음
• 역전사과정 : RNA-DNA 중합효소는 RNA에서 DNA를 만들기 때문에 전사과정을 반대방향으로 일으킴
• 이렇게 만들어진 DNA는 바이러스가 갖고 있던 삽입효소를 사용하여 숙주세포의 염색체 DNA에 끼어들어감
→ 프로바이러스
• 숙주세포의 RNA 중합효소 II에 의해 전사되어 바이러스 단백질들이 합성되고, 바이러스 유전체인 RNA가 만
들어져 새로운 바이러스가 생성됨

 

6. 유전암호와 단백질 합성
• DNA 분자에 유전정보로 내장된 A, T, G, C 암호들은 전사과정에서 각각 U, A, C, G 등의 RNA 암호로 바
뀜
• 이것을 DNA → RNA → 단백질로 흘러가는 정보의 흐름 또는 암호해독시스템(coding system)이라 표현함
• 합성된 단백질들은 합성 후 변형과정을 거쳐 그들의 고유한 생물학적 기능을 발휘하면서 생명현상의 발현에
기여하게 됨
1) 단백질 합성 준비과정
• 단백질 합성은 세포질에 있는 리보좀에서 일어남
• 첫 번째 아미노산의 카르복실 말단이 두 번째 아미노산의 아미노기 말단과 빠르게 펩티드 결합으로 연결됨
• 세포질 속에서 자유롭게 떠다니던 아미노산은 특정 tRNA의 3‘-말단 부위 CCAOH-3의 마지막 아데노신 오탄
당의 2’-OH 또는 3‘-OH에 아미노아실 그룹으로 결합 → 아미노아실-tRNA가 형성

• 20개 아미노산은 각각의 아미노아실-tRNA 합성효소에 의해 각 해상 tRNA에 결합됨
• 이 효소는 tRNA의 안티코돈과 그에 해당하는 아미노산의 R-그룹들을 식별하여 특정 아미노산을 3‘-OH에
결합시킴
• 피로인산(PPi)이 가수분해되어 생성되는 에너지는 아미노아실-tRNA가 계속 합성되는 방향으로 반응이 일어
나게 함

2) 코돈과 안티코돈
(1) 코돈(codon)
• 한 아미노산은 실제로 3개의 염기 그룹, 즉 코돈(codon)이라는 3중 암호마다 특정 아미노산으로 읽힘
• 대부분의 생물체들은 ‘공통 유전암호’를 갖고 있음
• 코돈의 각 뉴클레오티드는 4개 염기(A, G, C, U) 중 하나를 가질 수 있음
• 이 중에서 종결 코돈 3개를 제외하면 61개의 전사 코돈이 20가지의 아미노산을 암호화 할 수 있음
(2) 안티코돈(Anti-codon)
• tRNA 유전자가 전사 후 몇몇 기본 염기에 구조가 변형된 염기가 나타남
• 모든 tRNA의 구조는 매우 유사하고, 일부 내부에 상보적으로 수소결합으로 클로버 잎 모양을 함
• 안티코돈에는 mRNA의 코돈과 상보적으로 결합하는 3개의 염기의 안티코돈이 있음
(3) 와블현상
• 와블(wobble; 흔들림) 현상 : 코돈의 세 번째 염기와 tRNA 상에 있는 안티코돈 첫 번째 염기 사이의 상호결
합은 약한 상태
• 그래서 어떤 안티코돈들은 1개 이상의 mRNA 코돈과 짝을 이룸
• 퇴행성 유전 암호(degenerate code) : 두 개 이상의 코돈이 동일한 한 개의 아미노산을 암호화할 수 있는
코돈의 성질
① 유전암호에 유연성
② mRNA상의 코돈과 tRNA상의 안티코돈 사이의 결합이 약해서 단백질 합성이 일어나고 있을 때, tRNA를
재빨리 mRNA로부터 분리시켜 단백질 합성 속도를 빨라지게 함
③ 코돈의 세 번째 염기에 해당하는 DNA 상의 염기에 돌연변이가 오더라도 변경된 단백질로 만들어질 위
험을 줄임
(4) 개시코돈과 정지코돈
• mRNA 상에서 개시코돈 : AUG(중간에 나온 AUG 코돈은 일반적인 아미노산 메티오닌으로 읽힘)
• 종결코돈(stop codon) : UAG, UGA, UAA(맞는 아미노아실-tRNA가 없어서 리보좀으로 아미노산이 들어오
지 못하여 종결됨)
• 개시코돈(AUG) - ORF(Open Reading Frame) - 정지코돈의 배열이 이루어짐
• ORF : 개시코돈으로부터 종결코돈 바로 앞까지의 중복되지 않는 코돈 서열

 

3) 단백질 합성
• 원핵세포의 단백질 합성과 변형에는 100개 이상의 단백질과 여러 종류의 RNA들이 관여함
• 원핵세포의 단백질 합성과정은 세 단계로 나눌수 있음
• 진핵세포들의 단백질 합성과정도 원핵세포와 유사함
• 개시단계 - 신장단계 - 종결과정으로 이루어져 있음
(1) 개시단계

• mRNA와 개시인자(IF), 30S 리보좀 단위체들이 GT, N- formylmethionin-tRNAfMet 등과 함께 30S-개시복합
체를 형성
• 이 때, mRNA상의 5‘-말단 쪽에 있는 SD(shine-dalgarno) 염기서열과 30S 리보좀의 16S rRNA 사이에 일시적인 염기쌍 결합으로 복합체가 형성
(2) 신장단계
• 70S 개시복합체가 형성되고 나서 두 번째 코돈에 맞는 아미노산을 갖고 있는 아미노아실-tRNA, 신장인자들
이 참여함
① EF-Tu가 리보좀의 A-위치에 아미노아실-tRNA를 위치시킴. P자리에는 이미 fMet-tRNA가 있음
② 첫 아미노산인 fMet의 카르복실기(COOH)와 두 번째 아미노산의 아미노기(-NH2) 사이에 펩티드 결합 →
2개 아미노산을 가진 디펩티딜-tRNA가 리보좀의 A-위치에 생성
③ 아미노산 fMet을 잃은 P-위치에 남아있던 tRNA는 리보좀에서 떨어져 나가고, 70S 리보좀은 mRNA의
3‘-쪽으로 한 코돈만큼 이동
④ 신장인자 EF-G가 mRNA와 디펩티딜-tRNA를 좌측으로 한 코돈 간격만큼 이동시킴 → 디펩피딜-tRNA가
P 자리로 이동되고 탈아실화된 첫 번째 tRNA를 밖으로 내보냄
⑤ A 자리는 비어있게 되므로 세 번째 새로운 아미노아실-tRNA가 들어와 펩티드 결합이 반복됨
• GTP가 가수분해되어 에너지로 쓰임
• 즉, 아미노산 하나가 연결될 때마다 GTP 두 개가 하나는 아미노산 운반(아미노아실-tRNA 형성에 쓰임), 다
른 하나는 A 위치에서 P 위치의 자리 옮김에 쓰임
(3) 종결과정

• 리보좀 A-위치에 종결코돈인 UAG, UGA, UAA 중 하나가 들어오면, 상보적 안티코돈을 가진 아미노아실
-tRNA가 존재하지 않아서 아미노산을 가진 tRNA가 들어오지 않게 됨
• 대신 그 자리에 방출인자(RF1)가 자리하여 펩티드전이효소를 활성화시켜서 tRNA와 단백질 간에 생긴 에스
테르 결합이 가수분해되어 서로 떨어지게 함

 

4) 단백질 번형 후 변형
• 샤프론 : 단백질이 접혀지는 구조 변경
• 인산화, 수산기(-OH) 첨가, 하이드록실화, 당화 : 다른 분자단이 첨가되어 단백질의 기능을 활성화하는데
도움을 줌
• 일부 단백질이 소포체로 들어가고 나머지 C-말단 부분 : 소포체 막에 끼어 있는 형태의 단백질이 되어 결국
세포막이나 세포소기관의 막에 끼어 있는 단백질이 됨 → 세포와 환경 사이의 신호 전달이나 물질의 이동
등에 쓰임

 

7. 유전자 발현 조절과정
• 세포는 현재 세포 안과 밖의 상황을 감지하고 그것에 반응하는 여러 기작들을 사용하여 유전자 발현을 조절
함
① DNA 염기서열 변경
② 전사단계 조절
③ mRNA의 안정성 조절
④ 단백질 합성과 합성 후 단백질을 변경하는 단계
1) 전사과정에서의 조절
(1) 세균에서의 전사단계 조절기작
• 세균은 세포질에 DNA가 있으므로 비교적 간단히 세포 내의 상황을 감지함
• 유전자 발현을 조절하는 조절단백질을 만드는 유전자는 대개 표적유전자와 별도로 항상 전사됨
• 합성된 조절단백질은 억제자(repressor) 또는 활성자(activator) 역할을 함
• 억제과정(repression) : 억제자 역할을 하는 조절단백질은 표적 유전자의 조절부위 DNA에 결합하여 RNA 중
합효소의 전사를 못하게 함

① 어떤 억제자는 스스로 조절부위에 결합하여 표적유전자가 전사되지 않게 함
- 유도과정(induction) : 만약 유도물질(inducer)이 억제자에 결합하면 조절부위 DNA에 결합되어 있던 억제
자가 떨어져나와 다시 표적유전자가 전사됨
(예) lac 오페론(lac operon) : 유당 오페론으로서 유당 대사를 조절하는 제어 시스템으로 억제자, 조절부
위(프로모터 포함), 그리고 유당 분해 관련 구조 유전자 부위 등으로 나뉨. 이 때, 젖당은 lactase(유
도효소)의 발현을 위한 유도물질로 작용한다.
※ 오페론 : 하나 이상의 구조유전자와 그 유전자들의 발현을 조절하는 작동유전자가 포함되는 DNA 염기서
열
② 억제해제(derepression) : 다른 억제자는 작은 리간드 물질인 보조억제자와 우선 결합해야 조절부위
DNA에 결합해서 전사를 억제하는데, 보조억제자가 세포에서 없어지면 비로소 억제자가 조절부위 DNA
결합에서 떨어져 나와 전사가 이루어지게 함
• 활성자는 유도자 리간드가 있으면 같이 조절부위 DNA에 잘 결합하여 RNA 중합효소가 표적유전자를 전사시
키게 함
• 세포 내에 유도자 물질이 ↓ → 활성자는 DNAP에서 떨어지거나 RNA 중합효소와 만날 수 없는 주변 DNA로
떨어져 나감 → 표적유전자 전사 중지
• 세포 밖 신호물질을 감지해서 세포 내로 옮겨주는 과정 : 두 가지 서로 다른 단백질의 인산화 릴레이가 담
당함
• 신호전달 시스템 : 센서키나아제 단백질 & 반응조절자에 조절됨
- 센서키나아제 단백질 : 외부신호물질과 결합하여 그 단백질 구조가 바뀌면서 세포질 쪽 부위에 단백질에
ATP에서 인산기 하나를 결합시킴
- 반응 조절자 : 세포질에 있던 반응조절자 단백질이 릴레이식 바통을 이어받듯이 인산기를 받아 결합하고,
인산화된 반응 조절자 단백질이 표적 유전자 앞쪽에 있는 조절 DNA에 결합하여 유전자를 활성화시키거
나 발현시킴
(2) 진핵세포에서의 전사 조절기작
• 원핵세포의 프로모터를 찾아주는 시그마 인자와 유사한 TATA-결합단백질 등의 일반 전사인자들과 세균의
억제자 단백질이나 활성자 단백질과 비교되는 특이 전사인자들에 의해 조절됨
• 조절 DNA 부위, 인헨서 DNA, 사일렌서 DNA 등에 결합한 후, RNA 중합효소가 결합하여 전사를 촉진하거
나 억제함
2) 단백질 합성단계에서의 조절
• 세포의 유전자 발현은 전사단계에서 가장 많이 조절되고 있으나, 단백질 합성과정에서의 조절도 중요함
(예) 헴(heme) : 단백질 합성 개시인자인 eIF-2의 인산화를 억제하여 전반적인 단백질 합성을 촉진함. 인산
화가 되어 있지 않을 때, 활성이 높음
• 그 밖에도 mRNA 상에 조절단백질들이 결합하여 단백질 합성 정도를 조절하고 있음
3) 폴리펩티드 사슬의 변형에 의한 단백질 발현 조절
• 많은 단백질들은 합성되고 있거나 합성이 끝난 후 화학적인 변형이 일어날 수 있음
• 일부 아미노산이 제거 또는 단백질 활성에 필요한 화학적인 그룹들이 결합되기도 함
(1) 다듬어내기(trimming)
• 절단과정은 분비형 단백질이 분비되어 가는 과정에 따라 달라질 수 있음
• 어떤 것은 소포체에서 절단되기도하고, 다른 것은 골지체 내에서 절단되기도 함
(예) 프로-인슐린 → 인슐린, 펩시노겐 → 펩신
(2) 화학적 변화과정

• 효소적 역할 또는 구조적 역할을 하는 단백질들은 합성된 후, 다양한 화학적 그룹들의 결합으로 활성을 갖
거나 활성을 잃어버리게 됨
• 인산화(phosphorylation) : Ser, Thr, Tyr 아미노산 등의 잔기에 있는 -OH 그룹에 인산 그룹에 결합하는 경
우
• 당화(glycosylation) : 세포질막이나 리소좀 같은 막 성분에 끼어 있는 단백질이나 또는 분비된 단백질들의
세린, 트레오닌 아미노산의 -OH 그룹 또는 아스파르산 아미노산의 -NH2에 탄수화물이 결합되는 경우
• 수산화(hydroxylation) : 콜라겐, 프롤린, 리신 등의 아미노산에 -OH 그룹이 결합되는 것
• 그 외의 변화 : -COOH 그룹이 붙는다거나 지방질이 붙는 경우

---

<확인문제>
문제 1. 다음 중 DNA 복제에 필요한 물질로 옳은 것은?
㉮ RNA 중합효소
㉯ RNA 프라이머
㉰ 제한효소
㉱ DNA 복제효소 I, II, III
① ㉮㉯㉰㉱
② ㉮㉰
③ ㉯㉱
④ ㉮㉯㉰
정답 ③

 

문제 2. 다음 중 DNA 전사과정에 필요한 인자로 옳은 것은?
㉮ DNA 주형가닥
㉯ 전사기구
㉰ GTP
㉱ rRNA
① ㉮㉯㉰㉱
② ㉮㉰
③ ㉯㉱
④ ㉮㉯㉰
정답 ④

 

문제 3. 단백질 합성에서 tRNA와 결합하는 것으로 옳은 것은?
① AMP
② 펩티드
③ 아미노산
④ 안티코돈
정답 ③

 

문제 4. 다음 중 DNA 복제에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?
① 원핵생물 DNA는 양쪽 방향성의 복제를 한다.
② 진핵생물 DNA는 복제개시점이 오로지 하나만 존재한다.
③ 지연가닥은 오카자키조각의 형성으로 완성된다.
④ DNA 복제는 2가닥 모두가 복제시 주형가닥이 된다.
정답 ②

문제 5. 다음 5‘-GTACCAT-3'인 뉴클레오티드의 상보적인 염기서열은 무엇인가?
① 5‘-ATGGTAC-3'
② 5'-GGTTGAC-3'
③ 5'-GCAAGAT-3'
④ 5'-CATGGTA-3'
정답 ①