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PowerPoint® Lectures forCampbell Essential Biology with Physiology, Third Edition– Eric Simon, Jane Reece, and Jean Dickey

Chapter 11

유전자는 어떻게 조절되나

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우리와 함께하는 생물학:담배에관한확실한증거

• 1900년대에 의사들은

– 담배 흡연자가 늘어나자

– 그만큼 폐암률이 증가하였다는 사실을 인지하기 시작하였다

• 1996년 폐암을 연구하던 연구자들이 실험실에서 배양한사람의 폐세포에 비피디이(BPDE)라 불리는 담배연기의성분을 첨가한 결과, 종양 형성을 억제하는 단백질을만들어내는 p53이라 부르는 유전자가 있는 DNA 내부에결합한다는 것을 밝힘

• 이 연구에서는 담배 흡연이 사람의 폐종양 형성과 직접적인관련이 있었음[그림 11.0]

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그림 11.0 흡연과 암이 X선 사진에서 오렌지 색조를 띤 폐암과 같이 암은 유전자 조절이 고장이

나서 생기게 된다.

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유전자는 어떻게 그리고 왜 조절되나

• 생물의 모든 체세포는 모두 똑같은 유전적 지령을 가지고있음

– 이들이 모두 똑같은 유전체를 가지고 있는데

– 세포가 어떻게 서로 다를 수 있는가?

• 세포분화(cellular differentiation)에서 각 세포는

– 구조와

– 기능이 특성화된다

• 어떤 유전자는 유전자 조절(gene regulation) 과정에서유전자가 켜지기도 그리고 꺼지기도 함

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11.1 분화된세포에서유전자발현패턴

• 유전자발현(gene expression)에서

– 유전자가 켜져 RNA로 전사된다

– 정보는

– 유전자에서 단백질로 흐르고

– 유전자형에서 표현형으로 흐른다

• 정보는 DNA에서 RNA로, 그런 다음 단백질로 흐름

• 생물에서 세포 사이의 커다란 차이는 선택적인유전자발현으로 이해 생기는 것임

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11.2 세균에서유전자조절

• 자연선택은 세포가 그 산물을 필요로 하는

– 특정 시간에

– 그 특정 유전자만을 발현시킬 수 있는 세균에게 보다 유리하게작용한다

• 세균은 유전자를 어떻게 켜고 끄고 하는가?

• 오페론(operon)은 [그림 11.1]

– 유관기능을 가진 유전자들의 집단과

– 유전자를 켜고 끄는 조절서열로 이루어져 있다

• 세균인 대장균은 자신의 환경에 있는 젖당 분해에 사용되는효소를 만들어내는 유전자의 발현을 조정하기 위해 lac 오페론을 사용함

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그림 11.1 대장균에서 lac 오페론

오페론이 켜진 상태(젖당이 억제자를 불활성화시킴)

젖당

단백질

mRNA

젖당효소

DNA

단백질

mRNA

DNA

오페론이 꺼진 상태(젖당이 없음)

해독

불활성 억제자

프로모터에결합한 RNA 중합효소

전사

활성 억제자RNA 중합효소는프로모터에부착할 수 없다

조절유전자 프로모터

오페론

젖당효소의 유전자작동자

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• lac 오페론은

– 전사효소가 전사를 시작하는 조절서열인 프로모터(promoter) 와

– 켜고 끄는 스위치의 역할을 하는 DNA 단편인 작동자(operator) 와

– 작동자에 결합하여 RNA 중합효소의 부착을 물리적으로 방해하는억제자(repressor) 를 사용한다

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11.3 진핵세포에서 유전자 조절

• 진핵세포는 많은 조절지점을 가진 좀 더 복잡한 유전자조절메커니즘을 가지고 있는데, 이 과정은 상수원에서 집안의수도까지 물을 운반하는 수도관에 중간중간 수도 밸브가있는 모습으로 비유해 볼 수 있음[그림 11.2]

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DNA

핵막을 통한mRNA의 이동

RNA의 가공

유전자의 전사

DNA 풀기

염색체

유전자

RNA 전사체

인트론 엑손

핵에 있는 mRNA꼬리모자

세포질에서 mRNA

핵

세포질

mRNA의분해

mRNA 해독

단백질의분해

폴리펩티드에여러 변화

활성 단백질

폴리펩티드

그림 11.2 진핵세포에서 유전자발현 “수도관”

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DNA 응축에 의한 조절

• 세포는 장기간의 유전자 불활성화를 위해 응축된 DNA를사용함

• X염색체 불활성화(X chromosome inactivation)는

– 포유류의 암컷에서 볼 수 있는데

– 각 세포에서 무작위적으로 X염색체 두 개중 하나는 불활성화된다

• 모든 자손세포는 꺼져 있는 같은 X염색체를 갖게 될 것임

• 암컷 고양이가 X염색체에 있는 어떤 유전자가이형접합성이면

– 그 고양이 세포의 약 반은 한 대립유전자가 발현될 것이고

– 나머지 반은 다른 대립유전자를 발현될 것이다

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전사의 개시

• 전사의 개시는 유전자발현을 조절하는데 있어 가장 중요한단계임

• 원핵생물과 진핵생물에서 조절단백질은

– DNA에 결합하여

– 유전자의 전사를 켜기도 하고 끄기도 한다

• 원핵세포의 유전자와는 달리 진핵 생물에서의 전사는복잡한데, 전사인자(transcription factor)라 부르는단백질이 관여하며, 이들은 인핸서(enhancer)라 부르는DNA 서열에 결합함[그림 11.3]

전사개시(Animation: Initiation of Transcription)

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DNA가접힘

인핸서(DNA 조절서열)

전사인자 전사프로모터

유전자

RNA 중합효소

그림 11.3 진핵 유전자가 켜지는 모델

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• 억제자(repressor)가

– 사일렌서(silencer)라 부르는 DNA에 결합하게 되면

– 전사개시가 억제된다

• 활성자(activator)는

– 진핵생물에서 보다 일반적으로 사용되며

– DNA에 결합하게 되면 유전자가 켜진다

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RNA 가공과 분해

• 진핵세포에서는

– 핵에서 전사가 일어나며

– 핵에서 RNA가 가공된다

• RNA 가공에서

– RNA에 머리와 꼬리가 첨가되며

– 인트론이 제거되고

– 남은 엑손들이 서로 연결시켜 하나로 연결된다

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• 선택적 RNA 스플라이싱(alternative RNA splicing) 에서엑손이 다른 조합들로 스플라이싱되면 하나의유전자로부터 두 종류 이상의 폴리펩티드가 만들어질수있음[그림 11.4]

• 진핵세포의 mRNA는

– 몇 시간부터 몇 주 또는 몇 달까지 존속할 수 있으나

– 결국 모든 mRNA는 분해되어 순환된다

RNA 가공(Animation: RNA Processing)

mRNA 분해(Animation: mRNA Degradation)

해독 방해(Animation: Blocking Translation)

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그림 11.4 선택적 RNA 스플라이싱: 같은 유전자에서 서로 다른두 종류의 mRNA 만들기

RNA 전사체

액손

RNA 스플라이싱

mRNA

DNA

또는

1 2 3 5 1 2 4 5

1 2 3 4

1 2 3 5

5

4