유전자 발현과 조절
- 유전 물질의 구조와 DNA 복제
유전 물질의 발견
유전과 유전자
(1) 유전: 생식을 통해 낳은 자손이 부모를 닮는 현상이다.
(2) 유전자: 유전 형질이 나타나게 하는 유전 정보의 단위이다.
(3) 유전체: 한 개체가 가지고 있는 모든 유전 정보로, 한 개체의 모든 유전 정보가 저장된 DNA 전체를 뜻한다. (유전체에는 한 생물체가 가진 모든 유전자가 포함된다.)
유전 물질의 특성
(1) 세포나 생명체의 다양한 생명 활동에 필요한 정보를 보관한다.
(2) 세포분열이 일어날 때 정확하게 복제되어 다음 세대로 안정적으로 전달된다.
(3) 돌연변이가 일어나 진화에 필요한 유전적 변이를 제공한다.
원핵세포와 진핵세포
(1) 원핵세포: 세포 내부에 막으로 둘러싸인 핵과 세포 소기관이 없는 세포이다. 예) 세균
(2) 진핵세포: 세포 내부에 막으로 둘러싸인 핵과 세포 소기관이 있는 세포이다. 일반적으로 원핵세포보다 크기가 크다. 예) 동물 세포, 식물 세포
- 원핵세포와 진핵세포의 유전체 비교
(1) 유전체 구성: 원핵세포의 유전체는 세포질에 있으며, 진핵세포의 유전체보다 크기가 작다. 또, 대부분 1개의 원형 염색체로 구성되며, 유전자 수가 적다. 진핵세포의 유전체는 핵 속에 있으며, 여러 개의 선형 염색체로 구성된다. 또, 원핵세포의 유전체와 달리 DNA가 히스톤 단백질을 감아 뉴클레오솜을 형성한다.
(2) 유전자 구조: 원핵세포의 DNA에는 유전자가 매우 조밀하게 배열되어 있고, 일반적으로 각 유전자는 단백질을 암호화하는 부위로만 이루어져 있다.
진핵세포의 DNA에는 유전자 사이에 유전 정보가 저장되어 있지 않은 부분이 많다. 또, 하나의 유전자 안에 단백질을 암호화하는 부위(엑손)와 단백질을 암호화하지 않는 부위(인트론)가 있어 하나의 유전자가 여러 부분으로 구성되는 경우가 많다.
| 구분 | 세포 종류 | 염색체 수(n) | 염색체 형태 | 유전체 크기(염기쌍) | 유전자 수(추정치) |
| 대장균 | 원핵세포 | 1 | 원형 | 4.6 × 106 | 4400 |
| 효모 | 진핵세포 | 16 | 선형 | 1.2 × 107 | 5800 |
| 애기장대 | 진핵세포 | 5 | 선형 | 1.2 × 108 | 26500 |
| 사람 | 진핵세포 | 23 | 선형 | 3.2 × 109 | 20000 |
| 원핵세포(대장균)와 진핵세포(사람)의 유전자 구조 비교 |
| – 대장균: 60000 염기쌍 길이의 DNA에 53개의 유전자가 조밀하게 배열되어 있으며, 각 유전자는 단백질을 암호화하는 부위로만 이루어져 있다.
– 사람: 60000 염기쌍 길이의 DNA에 2개의 유전자만 있으며, 하나의 유전자 안에 단백질을 암호화하는 부위와 암호화하지 않는 부위가 있다. |
- 유전물질:
(1) 유전 물질의 특징: 세포와 개체의 생명 활동에 필요한 정보를 저장하고 있다. 세포 분열 동안 정확하게 복제된 후 다음 세대로 안정적으로 전달된다. 돌연변이가 일어나 진화에 필요한 유전적 변이(다양성)을 제공한다.
(2) 유전 물질에 대한 연구 초기에 DNA보다 단백질을 유전 물질이라 여겼던 이유: 유전자가 단백질과 DNA로 이루어진 염색체에 존재한다는 것이 알려져 있었다. DNA는 염기가 다른 4가지 뉴클레오타이드로, 단백질은 20가지의 아미노산으로 이루어져 있으므로 복잡한 유전 정보를 저장하기에 단백질이 적절하다고 여겼기 때문이다.
- DNA가 유전 물질인 직접적 증거
(1) 그리피스의 폐렴쌍구균 실험(1928년)
– 폐렴쌍구균: 폐렴을 일으키는 여러 원인 중의 하나로 구형의 모양을 갖는다. 쌍으로 자라는 성질이 있어 쌍구균이라 불린다.
S형 균: 피막으로 싸여 있어 배양 시 매끄러운 형태의 군집을 형성한다.
→ 피막으로 인해 주변 면역계에 쉽게 노출되지 않아 병원성을 가진다.
R형 균: 피막으로 싸여 있지 않아 배양 시 거친 형태의 군집을 형성한다.
→ 피막이 없으므로 주변 면역계에 쉽게 노출되어 병원성을 갖지 않는다.
– 실험 과정 및 결과
Ⅰ과 Ⅱ에서 S형 균과 R형 균이 갖는 병원성의 유무를 확인할 수 있다.
Ⅰ: 살아 있는 S형 균을 주입한 경우 생쥐가 죽음 → 병원성이 있다.
Ⅱ: 살아 있는 R형 균을 주입한 경우 생쥐가 생존 → 병원성이 없다.
Ⅲ과 Ⅳ에서 형질 전환을 확인할 수 있다.
Ⅲ: 열처리한 죽은 S형 균을 주입한 경우 생쥐가 생존 → 죽은 S형 균은 병원성이 없다.
Ⅳ: 열처리한 죽은 S형 균관 살아 있는 R형 균을 주입한 경우 생쥐가 죽고 살아 있는 S형 균이 발견
→ 살아 있는 R형 균이 살아 있는 S형 균으로 형질 전환된다.
→ 죽은 S형 균의 성분 중 일부가 형질 전환의 원인으로 작용한다.
– 결론: 죽은 S형 균에 남아 있던 어떤 물질이 살아 있는 R형 균으로 들어가 R형 균을 S형 균으로 형질 전환했다.
– 그리피스 실험의 한계: 그리피스는 실험을 통해 형질 전환이 일어나는 것을 확인하였으나, 형질 전환을 일으킨 물질이 무엇인지 알아내지 못했고 형질 전환의 본질(Principles of transformation)이라고 불렀다.
(2) 에이버리의 실험(1944년)
– 그리피스의 실험에서 형질 전환의 원인으로 생각되는 죽은 S형 균의 추출물에 여러 가지 분해 효소(단백질 분해 효소, DNA 분해 효소, 탄수화물 분해 효소, 지질 분해 효소 등)를 처리한 후 살아 있는 R형 균에 공급한다.
– 실험 과정 및 결과
단백질 분해 효소를 처리한 경우: 생쥐가 죽고 체내에서 살아 있는 S형 균이 발견된다.
→ 형질 전환이 일어난다.
→ 형질 전환의 원인 물질이 분해되지 않았다. (단백질은 형질 전환의 원인 물질이 아니다.)
DNA 분해 효소를 처리한 경우: 생쥐가 생존한다. (S형 균이 발견되지 않았다.)
→ 형질 전환이 일어나지 않았다.
→ 형질 전환의 원인 물질이 분해되었다.
열처리로 죽은 S형 균의 DNA가 R형 균을 S형 균으로 형질 전환하는 물질이다.
– 결론: 죽은 S형 균의 DNA가 살아 있는 R형 균으로 들어가 R형 균을 S형 균으로 형질 전환했다. 즉, 형질 전환을 일으키는 유전 물질은 DNA이다.
– 에이버리 실험의 한계: 그 당시 대부분 과학자는 DNA가 유전 정보를 저장할 수 있을 만큼 충분히 복잡하지 않다고 생각하였고, 단백질이 유전 물질일 가능성이 크다고 여겼다. 또, 세균이 유전자를 가졌는지 밝혀지지 않았기 때문에 여전히 많은 사람은 DNA가 유전 물질이라는 것을 확신하지 못했다.
(3) 허시와 체이스의 박테리오파지 증식 실험(1952년)
– 자기 방사법과 특정 바이러스를 이용한 기술을 융합한 실험을 하였다.
– 대장균으로 들어간 파지 DNA로부터 새로운 파지가 만들어지는 것을 보여 줌으로써 DNA가 유전 물질임을 증명하였다.
– 실험 과정 및 결과
– 방사성 동위 원소인 32P이 포함된 배지와 35S이 포함된 배지에서 박테리오파지를 각각 배양하여 DNA가 32P으로 표지된 파지와 단백질 껍질이 35S으로 표지된 파지를 얻는다. ➜ 인(P)은 DNA의 구성 원소지만 단백질의 구성 원소는 아니며, 황(S)는 DNA의 구성 원소는 아니지만, 단백질의 구성 원소이다. 따라서 32P으로는 파지의 DNA를, 35S으로는 파지의 단백질 껍질을 표지할 수 있다.
– 방사성 동위 원소로 표지된 각각의 파지를 보통 배지에서 배양한 대장균에 감염시킨다. ➜ 보통 배지에서 배양한 대장균의 DNA와 단백질에는 32P과 35S이 없다.
– 일정 시간이 지난 후 믹서를 세게 돌려 대장균의 표면에서 파지를 떨어뜨린다.
– 대장균 배양액을 원심 분리하면 크고 무거운 대장균은 아랫부분에 가라앉고, 파지의 단백질 껍질은 가벼워서 윗부분에 뜬다.
– 침전물과 상층액 중 어디에서 방사선이 검출되는지 조사한다. ➜ DNA가 32P으로 표지된 파지를 감염시킨 경우에는 침전물에서 방사선이 검출되고, 단백질 껍질이 35S으로 표지된 파지를 감염시킨 경우에는 상층액에서 방사선이 검출된다.
– 결론: 파지의 DNA만 대장균 안으로 들어가며, 이 DNA가 다음 세대의 파지를 만드는 유전 물질이다.
참고자료: 지학사 생명과학2 교과서, EBS 수능특강 생명과학2
