Transcript 원핵생물의 유전자 발현 조절

생명과학Ⅱ
Ⅲ. 유전자와 생명공학
1. 유전자와 형질 발현
L o a d I n g...
1) 유전자와 형질발현
2) 형질 발현의 과정
2. 유전자의 발현
3) 유전자 발현 조절
4) 세포 분화와 기관
형성에서의
유전자 발현 조절
1) 유전자와 형질발현
(1) 형질: 사람의 눈동자 색깔, 머리카락 모양, 피부색, 혈액형
등과 같이 생물이 나타내는 특성
(2) 유전자: 형질을 결정하는 유전 정보가 있는 DNA의 특정
부분
(3) 형질 발현: 유전자로부터 형질이 표현되기까지의 과정
1) 유전자와 형질발현
다음은 붉은빵곰팡이의 야생주와 영양 요구성 돌연변이주에
대한 설명이다.
비들과 테이텀은 최소 배지에 오르니틴, 시트룰린, 아르지닌
중 한 가지를 첨가한 후 각 배지에서 붉은빵곰팡이 야생주와
돌연변이주의 생장을 관찰하였다. 비들과 테이텀은 돌연변이
주를 분석한 결과 각 돌연변이주는 아르지닌 합성 단계에 필
요한 효소에 결함이 있다는 사실을 알아냈다.
1) 유전자와 형질발현
1) 유전자와 형질발현
1. 붉은빵곰팡이에서 아르지닌은 선구 물질로부터 중간 단
계 물질을 거쳐 합성된다. 위 결과를 토대로 아르지닌의
합성 과정을 정리해 보자.
오르니틴
시트룰린
2. 돌연변이 Ⅱ형, Ⅲ형은 각각 어느 효소에 결함이 생긴 것인가?
→ 돌연변이 Ⅱ형은 오르니틴이 시트룰린으로 변하는 과정
에 관여하는 효소에 결합이 생긴 것이다. 돌연변이 Ⅲ형은
시트룰린에서 아르지닌으로 변하는 과정에 관여하는 효소
에 결함이 생긴 것이다.
1) 유전자와 형질발현
3. 아르지닌을 합성하는 데 관여하는 효소와 유전자 사이에
는 어떤 관계가 있는지 생각해 보자.
→ 하나의 유전자가 하나의 효소 합성에 관여한다고 할
수 있다.
1) 유전자와 형질발현
(4) 1 유전자 1 효소설: 하나의 유전자가 하나의 효소 합성에
관여
▲ 아르지닌 합성에 관여하는 유전자와 효소의 관계
1) 유전자와 형질발현
(5) 1 유전자 1 폴리펩타이드설: 하나의 유전자가 하나의 폴리
펩타이드의 합성을 지정
• 1 유전자 1 효소설이 다른 단백질에도 적용됨이 밝혀지면서
1 유전자 1 단백질설이 제시되었고, 그 후 많은 종류의 단백질
이 2종류 이상의 폴리펩타이드로 이루어져 있으며, 각 폴리펩
타이드는 서로 다른 유전자에 의해 합성됨이 알려지면서 1 유
전자 1폴리펩타이드설로 수정되었음
2) 형질 발현의 과정
(1) 유전 정보의 저장
· 트리플렛 코드: 3개의 염기가 조합되어 구성된 DNA의 유
전 암호
· A, G, C, T 4가지 염기를 3개씩 조합하여 유전 암호를 만
들면 43=64개의 유전 암호 생성
(2)중심 원리: DNA의 유전 정보가 핵 안에서 mRNA로 전달되
고, mRNA 가 세포질로 나와 단백질 합성에 관여
2) 형질 발현의 과정
전사
① RNA 중 합
효소가 DNA의
프로모터에 결
합
② RNA 중 합
효소가 DNA 2
중 나선을 단
일 가닥으로
분리
③ 분리된 두 가닥의 DNA 중 한
쪽 가닥을 주형으로 하여 DNA
염기 서열과 상보적인 염기를
5’→3’ 방향으로 결합시켜 mRNA
를 만든다.
◀전사 과정
DNA 염기 서열이 5’-GAACTTAGCT-3’이면 전사된 mRNA의
서열은 무엇일까? → 3’-CUUGAAUCGA-5’
2) 형질 발현의 과정
· mRNA: mRNA는 단일 가닥의 폴리뉴클레오타이드 사슬로,
당이 리보스이고 염기는 T 대신 U(유라실)로 구성 ⇒ DNA와
상보적 염기 서열
· RNA의 종류: mRNA 외에도 리보솜을 구성하는 rRNA, 단백
질 합성 과정에서 아미노산을 운반하는 tRNA가 있음
2) 형질 발현의 과정
번역
(1) mRNA의 유전 정보
· 코돈: mRNA 상에 3개의 염기가 조합되어 구성된 유전 암호
◀ 트리플렛 코드와 코돈
· 코돈의 특징: 64 종류의 코돈 중 61 종류는 특정 아미노산을
암호화하고, 나머지 3종류는 아미노산을 지정하지 않음
⇒ 개시 코돈(AUG): 메싸이오닌 지정 및 단백질 합성 시작
⇒ 종결 코돈(UAA, UAG, UGA): 단백질 합성 종결
2) 형질 발현의 과정
(2) 번역 과정
· tRNA: mRNA의 코돈과 상보적으로 결합하는 안티코돈을 가지
고 있고, 한쪽 끝에 아미노산이 결합되어 있어 코돈이 지정하
는 아미노산을 운반
· 단백질 합성 과정: 개시, 신장, 종결의 3단계로 구분
2) 형질 발현의 과정
① 개 시 : mRNA 의
개시 코돈이 리보솜
의 P 자리에 위치하
고 여기에 메싸이오
닌과 결합한 tRNA
가 mRNA의 코돈과
상보적으로 결합
② 신장: A 자리에
다음 코돈에 해당하
는 아미노산을 지닌
tRNA가 위치한다.
③ 신장: P 자리에
있는 메싸이오닌과
A 자리의 아미노산
이 펩타이드 결합
으로 연결된다.
2) 형질 발현의 과정
④ 신장: 리보솜이 하나의
코돈만큼 mRNA를 따라
이동하여(5’→3’) P 자리에
있던 tRNA는 E 자리로
이동해 방출되고, A 자리
에 있던 tRNA는 P 자리에
온다. 비어 있는 A 자리에
는 새로운 tRNA 가 결합
하며, 이러한 과정을 반복
하면서 폴리펩타이드가
길어진다.
⑤ 종결: 리보솜이
종결 코돈에 도달하
게 되면 종결 코돈
과 상보적으로 결합
할 수 있는 tRNA가
없기 때문에 단백질
합성이 종결된다.
⑥ 종결: 폴리펩타
이드는 리보솜에서
떨어져 나오고,
mRNA – 리보솜 복
합체와 tRNA도 분
리된다.
3) 유전자 발현 조절
원핵생물 vs 진핵생물
3) 유전자 발현 조절
원핵생물 vs 진핵생물
구분
원핵생물
진핵생물
전사 장소
세포질
핵
번역 장소
세포질
(리보솜)
세포질
(리보솜)
전사 후 가공 과정
없다
전사된 RNA가 여러 가지
가공을 거쳐 mRNA로 된
후 세포질로 이동한다.
3) 유전자 발현 조절
원핵생물의 유전자 발현 조절
(1) 오페론: DNA 상에서 서로 연관된 기능을 하는 단백질을
암호화하는 유전자와 유전자 발현을 조절하는 프로모터,
작동 유전자 및 구조유전자가 모여 있는 유전자 집단
• 조절 유전자는 속하지 않는다.
(2)원핵생물의 유전자 발현 조절: 조절 유전자에서 합성된 억
제 단백질에 의해 오페론 내 유전자의 발현이 동시에 조절
됨
(3) 젖당 오페론: 젖당 분해 효소의 생산에 관여하는 오페론
3) 유전자 발현 조절
억제 단백질
을 합성하는
유전자
RNA 중합 효소
가 결합하여 전
사가 시작되는
부위
▲ 젖당 오페론의 구조
억제
하는
중합
터에
조절
단백질이 결합
부위로, RNA
효소가 프로모
결합하는 것을
젖당 분해에
관련된 효소
를 생산하는
유전자
3) 유전자 발현 조절
(3) 젖당 유무에 따른 오페론의 조절 작용
① 젖당이 없는 경우: 전사가 일어나지 않음
젖당이 없으면 억제 단백질이 작동 유전자에
결합하여 RNA 중합 효소가 프로모터에 결합
하지 못하고, 전사가 일어나지 않아 젖당을 분
해하는데 필요한 효소가 만들어지지 않음
3) 유전자 발현 조절
② 젖당이 있는 경우: 전사가 일어나 젖당 분해에 필요한 효소
생성
젖당이 억제 단백질
에 결합하여 억제
단배질의 모양이 변
하므로 작동 유전자
에 결합하지 못하고,
RNA 중합 효소가
프로모터에 결합하
여 전사가 진행
2) 형질 발현의 과정
진핵생물의 유전자 발현 조절
3) 유전자 발현 조절
(1)전사 전 조절: 염색사를 응축하거나 푸는 과정을 통해 유전
발현을 조절
(2)전사 단계의 조절: 여러 조절 단백질에 의해 유전자 발현
조절
· 진핵 생물에는 RNA 중합 효소가 프로모터에 결합하는 것
을 도와주는 전사 인자가 존재
3) 유전자 발현 조절
· 여러 전사 인자와 인핸서의 상호 작용으로 유전자 발현 조절
전사 인자가 인핸서에
결합하면 DNA가 휘어지
고 여러 전사 인자들이
추가로 결합하여 단백질
복합체가 프로모터에 결
합해 전사가 시작
인핸서와 조절 단백질의 ▶
작용
3) 유전자 발현 조절
(3) 전사 후 조절: RNA의 인트론이 제거되고 엑손만 남는 과
정의 가공이 일어나 유전자 발현 조절
(4) 번역 조절: 단백질 합성의 개시를 조절하는 단백질에 의
해 유전자 발현 조절
4) 세포 분화와 기관 형성에서의 유전자 발현 조절
세포 분화와 유전자 발현 조절
(1) 분화: 수정란에서 세포 분열이 일어날 때 각 세포가 각각의
형태와 기능을 갖게 되는 것
4) 세포 분화와 기관 형성에서의 유전자 발현 조절
만약 분화가 진행되는 동안 세포의 DNA에 변화가 생긴다면,
분화된 세포는 온전한 성체로 자랄 수 있는 능력이 없을 것이
다. 다음은 분화가 완료된 세포의 유전자 구성을 알아보기 위
한 실험이다.
4) 세포 분화와 기관 형성에서의 유전자 발현 조절
1. 실험 (가)와 (나)를 통해 분화된 세포의 유전자 구성에
대해 내릴 수 있는 결론은 무엇인가?
→ 실험 (가)와 (나)에서 발생이 완료된 개체의 핵을 수
정란에 이식하였을 때 온전한 개체가 발생하였다는
것은 수정란에 이식된 핵이 한 개체가 발생하는 데
필요한 유전 정보를 모두 지니고 있음을 의미한다.
따라서 두 실험을 통해 분화된 세포에는 수정란과 동
일하게 유전자 전체가 있다는 결론을 내릴 수 있다.
4) 세포 분화와 기관 형성에서의 유전자 발현 조절
(1) 핵심 조절 유전자: 세포에서 유전자 발현을 총괄적으로 조
절하는 유전자로, 유전자 발현을 조절하는 조절 단백질을 생
산
▲ 핵심 조절 유전자의 작용
4) 세포 분화와 기관 형성에서의 유전자 발현 조절
(2) 분화 과정에서의 유전자 발현 조절: 수정란에서 분화되는
모든 세포는 동일한 유전체를 갖고 있지만 각 세포마다 유
전자 발현이 다르게 조절되므로 서로 다른 세포로 분화
마이오디 유전자(myoD)의 조절 작용에 의한 근육 모
세포에서 근육 세포로의 분화
4) 세포 분화와 기관 형성에서의 유전자 발현 조절
근육 모세포에서는 마이오디
유전자, 조절 유전자, 근육 단
백질(마이오신, 액틴)유전자
중 마이오디 유전자가 제일
먼저 발현되어 마이오디 단
백질을 생성
▲ 마이오디 유전자의 조절 작용
마이오디 단백질은 전사 인자
로 작용하여 다른 조절 유전
자의 발현을 촉진하고 조절
유전자에서 또 다른 전사 인
자가 생성
전사 인자가 근육 단백질의
발현을 촉진하여 마이오신,
액틴 등의 근육 특이 단백질
이 생성되어 근육 모세포가
근육 세포로 분화
4) 세포 분화와 기관 형성에서의 유전자 발현 조절
기관 형성과 유전자 발현 조절
(1) 기관 형성 과정에서의 유전자 발현 조절: 발생 과정에서 적
절한 위치에 기관이 형성되도록 핵심 조절 유전자가 기
관 형성에 관련된 유전자의 발현을 조절
초파리 배아의 각 위
치에서 서로 다른 핵
심 조절 유전자가 발
현된다.
핵심 조절 유전자의
발현에 따라 각 위치
에 알맞은 기관이 형
성된다.
▲ 초파리의 기관 형성에 관여하는 핵심 조절 유전자
Q&A