유전학 3강. 유전자 발현: DNA에서 단백질로
당신의 피부 세포와 뇌세포는 같은 책을 갖고 있습니다. 다른 것은 펼쳐 읽는 페이지입니다.
풀고 시작
중심 원리: 정보의 방향
DNA가 유전 물질이라는 것까지 알았으니, 이제 질문은 하나입니다. 그 정보는 어떻게 단백질이 될까요. 크릭은 1958년 유전 정보의 흐름을 정리한 중심 원리(central dogma)를 제안했습니다. 뼈대는 DNA→RNA→단백질입니다. DNA의 염기 서열이 RNA로 옮겨 적히고(전사), RNA 서열이 아미노산 서열로 번역되어 단백질이 됩니다. 단백질은 효소, 구조물, 신호 분자로서 세포의 실제 일을 수행하죠. 요점은 방향성입니다. 단백질의 아미노산 서열 정보가 거꾸로 핵산 서열로 흘러 들어가는 경로는 없습니다. 훗날 레트로바이러스에서 RNA→DNA의 역전사가 발견되어 세부는 수정됐지만, 단백질에서 핵산으로 정보가 역류하지 않는다는 원래 주장 자체는 유지되고 있습니다.
전사와 번역
전사(transcription)는 RNA 중합효소가 DNA 한 가닥을 주형으로 상보적 RNA를 합성하는 과정입니다. 진핵세포에서는 이렇게 만들어진 전령 RNA(mRNA)가 가공을 거쳐 핵 밖으로 나갑니다. 번역(translation)은 리보솜에서 일어납니다. mRNA의 염기 세 개 묶음, 즉 코돈(codon)이 아미노산 하나를 지정하고, 운반 RNA(tRNA)가 각 코돈에 맞는 아미노산을 물어다 줍니다. 염기 4종을 세 개씩 묶으면 4³ = 64가지 코돈이 나오고, 아미노산은 20종이므로 여러 코돈이 같은 아미노산을 지정하는 중복이 생기죠. 언어의 비유가 정확합니다. 4글자 알파벳으로 쓴 문장을 20글자 알파벳의 문장으로 옮기는 번역인 셈입니다.
이 암호를 실제로 해독한 사람이 니런버그(Marshall Nirenberg)입니다. 1961년 그는 마테이와 함께 U만 반복되는 인공 RNA를 시험관 번역계에 넣었고, 페닐알라닌만 이어진 단백질이 나왔습니다. 최초로 해독된 코돈, UUU = 페닐알라닌입니다. 이후 몇 년 사이 64개 코돈이 모두 해독됐고, 이 암호표가 세균부터 사람까지 거의 보편적이라는 사실이 드러났습니다. 생명이 하나의 언어를 공유한다는 것, 이는 공통 조상의 강력한 증거이기도 합니다(진화 과목에서 다시 만납니다).
같은 유전체, 다른 세포: 유전자 조절
사람의 모든 체세포는 같은 유전체를 갖는데 세포는 200종이 넘습니다. 어떻게 가능할까요. 답은 유전자 조절입니다. 유전자마다 스위치가 있어 세포 종류와 상황에 따라 켜고 끄는 것이죠. 이 원리를 처음 구체적 메커니즘으로 보인 것이 1961년 자코브(François Jacob)와 모노(Jacques Monod)의 오페론(operon) 모형입니다. 대장균은 포도당이 있으면 젖당 분해 효소를 만들지 않다가, 젖당만 있으면 만듭니다. 억제 단백질이 DNA의 스위치 부위에 붙어 전사를 막고 있다가, 젖당 유래 분자가 억제자를 떼어 내면 전사가 시작되는 구조입니다. 유전자가 켜지고 꺼진다는 발상 자체가 이 실험에서 확립되었고, 발생이란 결국 조절 프로그램의 전개라는 관점이 여기서 자랍니다.
후성유전학: 서열 밖의 기록
조절 상태가 세포 분열을 넘어 유지되기도 합니다. DNA 염기 서열은 그대로인데 발현 양상이 달라지고 그 상태가 딸세포로 전달되는 현상을 후성유전학(epigenetics)이 다룹니다. 대표 메커니즘은 DNA에 메틸기가 붙는 DNA 메틸화, 그리고 DNA가 감겨 있는 히스톤 단백질의 화학적 변형입니다. 촘촘히 감긴 부위는 읽히지 않고 풀린 부위는 읽히죠. 분화된 세포가 정체성을 기억하는 방식이 바로 이것입니다. 눈에 보이는 사례가 삼색 얼룩 고양이입니다. 암컷 포유류는 두 X 염색체 중 하나를 세포마다 무작위로 불활성화하는데, 털색 유전자가 X 염색체에 있으면 어느 쪽이 꺼졌는가에 따라 피부 구역마다 색이 달라집니다. 같은 유전체를 가진 세포들이 후성유전적 상태의 차이만으로 다른 표현형을 보이는 것이죠. 다만 이런 표지가 세대를 넘어 자손에게까지 얼마나 전달되는지는 포유류에서 아직 논쟁적이며, 과장된 대중적 주장을 경계할 필요가 있습니다. 확실한 것과 논쟁적인 것을 구분하는 태도가 여기서도 필요합니다.
인출 문제
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