제2부 유전자의 구조와 발현
Chapter 12 유전자 변화와 유전
농업유전학
(Agriculture Genetics)
교본 : 한국방송통신대학교출판부 [농업유전학]
1. 유전정보의 흐름을 뒷받침하는 원리의 이해 2. ‘1유전자-1효소설’의 내용과 의미 파악
3. 유전암호란 무엇인가?
4. RNA 합성의 전사과정 이해
5. 단백질을 합성하는 번역과정 이해
지난 강의내용
1. 유전자 돌연변이의 종류와 원인 이해 2. 유전자 돌연변이의 검출과 이용
3. DNA가 화학적으로 변하는 분자적 메커니즘 이해 4. 손상된 DNA 수선 메커니즘
5. DNA 상동 재조합과 부위특이적 재조합 메커니즘
이번 강의내용
13.1 DNA 변화와 돌연변이
돌연변이(mutation)
- 복제오류가 일어나거나 유전물질에 변화가 생겨 발생 : 돌연변이원(mutagen)
- 모든 세포에서 나타나지만, 생식세포에서 나타난 것만 유전 : 돌연변이체(mutant)
-> 돌연변이가 일어나는 과정 : 돌연변이 유발(mutagenesis)
돌연변이(mutation)
1. 유전자 돌연변이(gene mutation) : DNA 치환, 첨가, 결실
2. 염색체 돌연변이(chromosome mutation) : 염색체 단편의 결실, 중복, 재배열
3. 트랜스포존 돌연변이(transposon mutation) : 트랜스포존 유전자에 의해 발생
13.1 DNA 변화와 돌연변이
1. 유전자 돌연변이
1) 점 돌연변이(point mutation)
- DNA 염기하나에 일어나는 변화 : 치환 돌연변이
- 영향 : 유전자내 염기서열 변화로 뉴클레오티드 소실, 혹은 추가
2) 유전자 돌연변이와 단백질 기능
- 뉴클레오티드 변화 → 아미노산 변화 → 단백질의 구조 변화 → 표현형의 변화
- 아미노산의 전하(+, -)에 의해 단백질 3차 구조 변화 : 단백질의 구조와 기능 변화
13.1 DNA 변화와 돌연변이
3) 유전자 돌연변이의 종류
가. 염기치환 돌연변이 ① 침묵돌연변이 ② 중립돌연변이
③ 미스센스(missense)돌연변이
④ 사슬종료돌연변이(=nonsense 돌연변이)
나. 격자이동 돌연변이
: 염기서열에 다른 염기가 첨가, 결실 되는 경우
13.1 DNA 변화와 돌연변이
3) 유전자 돌연변이의 종류
가. 염기치환 돌연변이 ① 침묵돌연변이 ② 중립돌연변이
③ 미스센스(missense)돌연변이
④ 사슬종료돌연변이(=nonsense 돌연변이)
나. 격자이동 돌연변이
: 염기서열에 다른 염기가 첨가, 결실 되는 경우
13.1 DNA 변화와 돌연변이
3) 유전자 돌연변이의 종류
가. 염기치환 돌연변이 ① 침묵돌연변이 ② 중립돌연변이
③ 미스센스(missense)돌연변이
④ 사슬종료돌연변이(=nonsense 돌연변이)
나. 격자이동 돌연변이
: 염기서열에 다른 염기가 첨가, 결실 되는 경우
13.1 DNA 변화와 돌연변이
3) 유전자 돌연변이의 종류
가. 염기치환 돌연변이 ① 침묵돌연변이 ② 중립돌연변이
③ 미스센스(missense)돌연변이
④ 사슬종료돌연변이(=nonsense 돌연변이)
나. 격자이동 돌연변이
: 염기서열에 다른 염기가 첨가, 결실 되는 경우
13.1 DNA 변화와 돌연변이
정상적혈구(HbA)
겸상적혈구(HbS) 6번째 아미노산 글루탐산
발린
3) 유전자 돌연변이의 종류
가. 염기치환 돌연변이 ① 침묵돌연변이 ② 중립돌연변이
③ 미스센스(missense)돌연변이
④ 사슬종료돌연변이(=nonsense 돌연변이)
나. 격자이동 돌연변이
: 염기서열에 다른 염기가 첨가, 결실 되는 경우
13.1 DNA 변화와 돌연변이
3) 유전자 돌연변이의 종류
가. 염기치환 돌연변이 ① 침묵돌연변이 ② 중립돌연변이
③ 미스센스(missense)돌연변이
④ 사슬종료돌연변이(=nonsense 돌연변이)
나. 격자이동 돌연변이
: 염기서열에 다른 염기가 첨가, 결실 되는 경우
-> 변역격자(reading frame) 변화로 심각한 영향 초래13.1 DNA 변화와 돌연변이
시스테인 글리신
글루탐산 리신 이소류신
종결
비암호화 부위의 돌연변이
- 인트론, 프로모터 내 변화 -> 단백질 합성에 영향 x
기타 돌연변이
가. 정방향 돌연변이(forward mutation) 나. 복귀 돌연변이(reverse mutation)
13.1 DNA 변화와 돌연변이
돌연변이(mutation)
1. 유전자 돌연변이(gene mutation) : DNA 치환, 첨가, 결실
2. 염색체 돌연변이(chromosome mutation) : 염색체 단편의 결실, 중복, 재배열
3. 트랜스포존 돌연변이(transposon mutation) : 트랜스포존 유전자에 의해 발생
13.1 DNA 변화와 돌연변이
돌연변이(mutation)
1. 유전자 돌연변이(gene mutation) : DNA 치환, 첨가, 결실
2. 염색체 돌연변이(chromosome mutation) : 염색체 단편의 결실, 중복, 재배열
3. 트랜스포존 돌연변이(transposon mutation) : 트랜스포존 유전자에 의해 발생
13.1 DNA 변화와 돌연변이
2. 염색체 돌연변이(chromosome mutation) ※ Chapter 7 참조
- 염색체가 재배치되는 구조적변화 - 종류 : 결실, 중복, 역위, 전좌
13.1 DNA 변화와 돌연변이
그림 7-1 염색체 돌연변이
돌연변이(mutation)
1. 유전자 돌연변이(gene mutation) : DNA 치환, 첨가, 결실
2. 염색체 돌연변이(chromosome mutation) : 염색체 단편의 결실, 중복, 재배열
3. 트랜스포존 돌연변이(transposon mutation) : 트랜스포존 유전자에 의해 발생
13.1 DNA 변화와 돌연변이
3. 트랜스포존(transposon, 전이인자) ※ Chapter 14 참조
- 의미 : 트랜스포존 - 움직이는 유전자
- 발견 : McClintock(1951)의 옥수수 알갱이 색 연구
염색체상의 위치를 능동적으로 움직이는 유전자 발견 = Jumping gene
13.1 DNA 변화와 돌연변이
3. 트랜스포존(transposon, 전이인자)
1) 트랜스포존
- 분포 : 원핵, 진핵생물
- 돌연변이의 원인 : 프로모터, 엑손 등에 끼어 들 경우
2) 진화적 의의
- 박테리아의 트랜스포존 : 항생제 저항성 유전자의 전이 - 생명체의 다양성과 새로운 적응성
-> 환경변화에 적극적으로 대처하는 능동적 적응 메커니즘
3) 트랜스포존의 이용
- 유전자분석, 유전자 조작시 운반체로 이용
13.1 DNA 변화와 돌연변이
Barbara McClintock(1963)
4) 전위(transposition)와 트랜스포존 발생 메커니즘
※ 전위 : 트랜스포존이 이동하여 새로운 위치에 끼어들어가는 현상
1) 보존적 전위
2) 복제적 전위
3) 역전사 전위
13.1 DNA 변화와 돌연변이
13.2 돌연변이의 검출 및 이용
돌연변이의 검출
- 가시 돌연변이(visible mutation) - 우성 돌연변이 & 열성 돌연변이
돌연변이의 유발
- 인위돌연변이 유발
① 방사선 : 자외선, 감마선, X선 등
- 선량, 조사시간 등 : 반치사선량 LD50 이하
② 화학물질 : 삽입성물질, 염기유사물질, DNA 변형물질 - 농도, pH, 예침시간, 처리시간
13.2 돌연변이의 검출 및 이용
돌연변이의 이용
1) 유용물질 생산
- 페니실린 돌연변이
2) 유전연구
- 유전적 다양성 유지
- 생화학적 대사경로 : 효소유전자의 돌연변이체 분석
- 유전 메커니즘 구명 : 파지 바이러스 구조, 박테리아 질소고정 등
3) 육종적 이용
- 육종재료 제공
- 돌연변이 육종 : 특정형질만을 개량 예) 병충해, 초형, 품질 등
DNA 변화 메커니즘
1) 고에너지 방사선 2) 자외선
3) 삽입성 물질 4) 염기유사물 5) DNA 변형물
돌연변이 유발원
-> DNA 1차적 손상 초래
13.3 DNA 변화 메커니즘
13.3 DNA 변화 메커니즘
DNA 변화 메커니즘
1) 고에너지 방사선
- 종류 : 감마선, X선
- 변화메커니즘 : 고에너지가 DNA 염기에 흡수되어 당-인산 결합 절단
13.3 DNA 변화 메커니즘
DNA 변화 메커니즘
2) 자외선
- 원인 : DNA가 자외선에 오래 노출시
- 변화메커니즘 : 같은 DNA 가닥내 두 티민(혹은 시토신)이 서로 연결되어 피리민딘 2량체(pyrimidine dimer) 형성
-> 복제, 전사 방해
13.3 DNA 변화 메커니즘
DNA 변화 메커니즘
3) 삽입성 물질
- 원인 : 납작한 분자가 DNA 염기쌍 사이로 들어가 복제오차 유발 - 유발원 : 아크리딘 색소분자, 프로플라빈, 아크리플라빈 등
- 변화메커니즘 : DNA 복제 시 삽입된 분자에 의해 염기서열에 오차가 발생 하여 코돈의 3염기조합이 달라짐
-> 격자이동 돌연변이 유발
13.3 DNA 변화 메커니즘
DNA 변화 메커니즘
4) 염기 유사물
- 원인 : 염기와 유사한 물질이 복재중인 DNA 가닥에 끼어들어 감 - 유발원 : 5-브로모우라실(5-BU, T, C 유사물) 등
예) 케토형 에놀형
- 변화메커니즘 : T, 혹은 C로 행동하여 DNA 복제시 염기전위(AT→GC)를 일으킴
T
13.3 DNA 변화 메커니즘
DNA 변화 메커니즘
5) DNA 변형물
- 원인 : DNA와 반응하여 염기쌍이 형성되지 못하게 함
- 유발원 : 알킬화물질(EMS;ethylmethane sulfonate) 아질산(HNO2), 하이드록실아민 등
- 변화메커니즘 : 염기에 새로운 화학기를 첨가시키거나
염기의 수소결합 성질을 변화시켜 정상적인 염기쌍이 형성되지 못하게 함
13.4 DNA 수선
DNA 수선(repair)
- DNA의 1차적 손상을 복구하는 메커니즘 : 대부분의 돌연변이 원상복구
- 종류 : ① 광 재활성화, ② 제거 수선, ③ 재조합 수선, ④ SOS 수선
1) 광 재활성화(Photoreactivation)
- 돌연변이 발생 : 자외선에 의해 피리미딘 2량체 형성 - 수선 : 가시광선의 청색파장
-> 비정상적인 결합을 끊는 수선효소(repair enzyme:
photoreactivation enzyme, PRE) 활성화 -> 비정상 T 배열 복구
13.4 DNA 수선
DNA 수선(repair)
- DNA의 1차적 손상을 복구하는 메커니즘 : 대부분의 돌연변이 원상복구
- 종류 : ① 광 재활성화, ② 제거 수선, ③ 재조합 수선, ④ SOS 수선
1) 광 재활성화(Photoreactivation)
- 돌연변이 발생 : 자외선에 의해 피리미딘 2량체 형성 - 수선 : 가시광선의 청색파장
-> 비정상적인 결합을 끊는 수선효소(repair enzyme:
photoreactivation enzyme, PRE) 활성화 -> 비정상 T 배열 복구
그림 13-9 광재활성화
2) 제거 수선(excision repair)
- 돌연변이 발생- 수선 : 광 재활성화로
복구되지 못했을 때
- 제거 수선 과정
① 엔도뉴클레아제 : 당-인산 결합 절단 ② 엑소뉴클레아제 : 절단 DNA 가닥 제거 ③ DNA 중합효소 : 새로운 DNA 합성
④ DNA 연결효소 : 새 DNA와 원가닥 연결
그림 13-9 재거수선
3) 재조합 수선(recombination repair)
: 복제 후 수선 메커니즘- DNA 가닥에 피리미딘 2량체 형성 후 DNA 복제 진행
4) SOS 수선
: 재조합 수선 시 새로 합성된
DNA 가닥에 두 개의 아데닌 첨가 -> 빈 공간을 메움
-> 돌연변이 빈도 증가 가능성 有
그림 13-10 재조합 수선
그대로
1. 유전자 돌연변이는 자연계에서 생명체의 유전적 다양성을 유 지하며 진화를 가능하게 하는 소재가 된다.
2. 유전자돌연변이는 실용적으로 1) 유용물질 생산에 이용하거 나 2) 육종의 재료를 제공한다. 또한 유전학에서 1) 유전자 분 석, 2) 유전물질의 분석, 3) 생화학적 대사경로 분석, 4) 유전 자 발현 및 조절 메커니즘 등에 대한 연구재료로 중요하다.
3. 돌연변이는 침묵 돌연변이, 아미노산 서열은 변화해도 기능 이 달라지지 않는 돌연변이를 중립 돌연변이, 아미노산 서열 과 단백질 구조가 모두 변화하는 돌연변이를 미스센스 돌연 변이 등이 있다.
Summary
4. 격자 이동 돌연변이는 DNA에 염기가 첨가 또는 결실되면 번 역격자가 달라져 전혀 다른 단백질이 생산되는 것으로 염기치 환 돌연변이보다 표현형에 훨씬 더 심각한 영향을 가져올 수 있다.
5. 유전자 돌연변이는 자연적으로 발생하지만 인위적으로 유발 될 수도 있다. 인위 돌연변이는 방사선이나 화학물질 등 돌연 변이 유발원을 처리하여 유발한다.
6. 고에너지 방사선, 자외선, 삽입성 물질, 염기유사물, DNA 변형 물이 주된 돌연변이원이다.
7. DNA의 1차적 손상은 광재활성화, 제거 수선, 재조합 수선 및 SOS 수선 메커니즘에 의해 대부분 원래대로 복구가 가능하다.
Summary
유전학에서 지금까지 무엇을 배웠나
유전학(Genetics)의 기본개념
유전의 원리와 패턴: 세포분열과 염색체
멘델의 법칙
유전자 상호작용 : 대립, 복대립, 치사, 반성 유전 등
연관, 재조합 및 유전자지도 : 교차, 연관, 재조합 등
세포질 유전
염색체변화와 유전 : 결실, 중복, 정배수성, 이수성 등
농업형질의 유전
유전자구조와 발현
유전물질의 구조와 성질 : DNA와 복제
유전자의 기능과 발현 : RNA와 단백질 합성
유전자 변화와 유전 : 돌연변이와 수선