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2021-02-25 KNU Microbial Biotechnology Laboratory 1
4장. DNA 이야기
1. DNA 연구의 출발점
2. DNA에서 단백질로
3. 유전자와 유전체학
경북대학교 미생물공학연구실KNUmbl
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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
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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
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1-2. DNA의 기능 : 관심의 초점
1. Frederick Gfiffith 형질전환 실험 (1928) : Streptococcus pneumonia (폐렴구균)
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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
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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
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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
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*역평행 및 수소쌍 형성 구조 모습
염기쌍 (base pair)- 수소결합에 의해
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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
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* 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
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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
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2-1. 유전암호
* 유전암호 (genetic code) : 단백질의 아미노산 서열 결정 암호 –mRNA에 함유
- 3개의 누클레오타이드가 1개의 아미노산 결정 –코돈(codon)
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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
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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
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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
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4장. DNA 이야기
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• DNA로부터 단백질로의 유전정보 전달 과정 요약
- DNA의 정보가 mRNA로 전달되고 그 암호에 따라 아미노산 연결
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2-4. 유전자 조절
* 유전자 조절의 오페론(operon)설 : Jacob and Monod
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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
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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
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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
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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
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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
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4장. DNA 이야기
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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