유전자(DNA)의 구조적 특징과 기능

유전물질로서 DNA가 갖춰야 할 조건

- 핵과 염색체에 존재해야 한다.

- 세포주기 과정에서 복제되어야 하며 이배체 (diploid cells)에서는 양이 2배가 되어야 한다.

- 유전형과 같은 방식으로 다음 세대에 전달되어야 한다.

 

1. DNA를 발견한 사람

1) 핵 내에 DNA(핵산)가 존재한다는 사실은 스위스 생화학자인 Friedrich Miescher가 최초로 밝혀냈다(1868년). 병원에서 공급받은 붕대에 뭍은 고름(백혈구)으로부터 핵을 분리한 다음 산-염기 처리를 거쳐서 핵산을 분리하는데 성공했다. 그리곤 용액 내에서 섬유형태로 분리된 물질을 ‘뉴클레인 (nuclein)’이라고 명명했다. 그러나 이 물질에 인산이 포함되어 있다는 사실 이외에 어떤 기능을 하는 지에 대해서는 알아내지 못했다.

2) 미국의 생화학자인 Phoebus Levene은 DNA의 화학적 구성성분을 연구하였고 DNA에 deoxyribose가 존재함을 밝혀냈다. 핵산에는 deoxyribose-phosphate-base로 구성된 nucleotide가 반복되어 있다는 tetranucleotide 가설을 제시한 사람이다. 비록 해석한 DNA 구조는 틀렸지만 최초로 기본적인 DNA의 화학적 특성을 밝혀낸 사람이다.
3) 영국 의사 Frederick Griffith는 1928년 2종류의 Streptococcus pneumoniae (폐렴균) 균주 (S, R 균주)를 가지고 실험을 수행했다. 병원성 S 균주로부터 유래된 화학물질 (DNA)이 비병원성 R 균주를 병원성 균주로 전환시킬 수 있다는 사실을 관찰하였다. 이런 현상을 Transforming Principle이라고 명명했다.

4) 미국의 Oswald Avery와 동료들은 Griffith가 보고한 Transforming Substance가 무엇인지를 알기 위한 후속연구를 수행했다. (1944년) 다양한 종류의 생체분자를 선택적으로 분해하는 효소를 병원성 S (smooth) 균주에 처리한 다음 병원성의 변화를 관찰했다. DNA를 분해시킨 경우에만 Transforming Principle 효과가 없어지는 것을 발견했다.

5) 미국의 Alfred Hershey와 Martha Chase가 실험적으로 DNA가 유전물질이라는 사실을 증명 했다. (1952년) 대장균을 감염시키는 T2 bacteriophage를 이용하여 박테리아 내로 들어가는 성분이 단백질인지 DNA인지를 분석했다.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. DNA의 화학적 조성 : Chargaff의 법칙

1950년대 DNA에 4종류의 뉴클레오티드가 존재한다는 사실을 알게되었다. 4 nucleotide : purines (adenine, guanine) + pyrimidines (cytosine, thymine) 1950년대 Erwin Chargaff는 다양한 생물체의 DNA에 있는 뉴클레오티드 조성 비율 (A/T 및 C/G 비율)이 일정하다는 Chargaff’s Rule을 발표했다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. DNA 구조 분석

1) X ray 결정학 결정상태의 고체에 X-ray을 조사하여 통과되어 나오는 회절 패턴을 분석함으로써 결정 내 원자의 위치를 유추했다. 1950년대 초반 영국의 Rosalind Franklin과 Maurice Wilkins는 DNA 결정에 대한 고해상도 회절패턴 결과를 얻어 DNA 이중나선 구조분석에 핵심적으로 기여했다.

2) 이중나선 구조 (double helix) Francis Crick과 James Watson은 회절패턴결과를 분석하여 DNA가 이중나선 (double helix)임을 발표 (1953년) 2개의 polynucleotide 가닥은 역평행한 구조이며 (antiparallel), 염기는 두 가닥의 안쪽에, 당-인산기 골격은 바깥쪽에 위치한다. 그리고 염기쌍은 이중나선을 따라 동일한 너비를 가지고 있다는 내용이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. DNA 구조의 기본적인 특징

- DNA 분자는 이중나선 구조이다.

- DNA 분자의 직경(지름)은 항상 일정하다.

- DNA 분자는 오른손 방향으로 꼬여있다.

- DNA 분자의 2개의 가닥은 역평행이다. (반대방향으로 달린다.)

 

① Backbone 당-인산 골격 (sugar-phosphate backbone)은 이중나선 바깥 쪽에 위치하고 있으며 질소염기 (nitrogenous bases)는 이중나선의 중심을 향해 있음 2개 가닥의 상보적 염기쌍 (complementary base pair) 사이 수소결합이 이중나선을 결합시키고 있다.  A = T (이중 결합) / G Ξ C (삼중 결합)

② Phosphodiester linkage DNA 이중나선에서 각 뉴클레오티드의 deoxyribose 3번 탄소와 다음 뉴클레오티드의 5번 탄소를 인산기가 연결시키고 있음 ☞ Phosphodiester linkage 인산디에스터 결합 인산기가 있는 5번 탄소를 5′ end, free –OH기가 있는 3번 탄소를 3′ end라고 명명하기로 했다.

③ Major and minor grooves DNA 이중나선의 기본골격 (횡단면)이 완전하게 일직선에 놓여있지 않기 때문에 major groove & minor groove가 형성 A=T와 G≡C pair의 입체적 형상은 동일하지 않다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. 이중나선구조와 기능(기능 4가지)

DNA의 주요기능을 수행하기 위해서는 2중 나선구조가 필수적이다.

-유전정보저장: 방대한 양의 정보를 암호화 가능

-세포분열 과정에서 정확한 복제: 상보적 염기쌍 형성

-돌연변이의 가능성: 염기서열의 화학적 변화

-유전정보의 발현: RNA로 전사 후 단백질로 발현