에세이를 어떻게 써야하는지 모르는 자의 노력과 책값과 전기료가 담긴 에세이의 탈을 쓴 내용정리 글입니다.
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유전인자와 염색체
1860년대 수도사 그레고르 멘델(Gregor Mendel)은 뚜렷하고 명확히 대조되는 표현형이 여럿 존재하는 완두를 교배하는 실험을 통해, 어버이 세대에서 자손으로 형질이 전해지는 유전은 혼합되지 않고 상호독립적인 '유전 인자'를 통해 일어난다는 이론을 정립하였다. : 분리의 법칙, 독립의 법칙
이러한 개념은 매우 추상적이라 쉽게 받아들여지지 않았을 뿐만 아니라 다른 많은 가설들과 마찬가지로 시간 속에 묻혀버렸다. 그러나 1900년대에 감수분열 시 염색체의 행동과 '유전인자'의 행동이 유사하다는 점이 밝혀지면서 염색체 상에 유전인자, 즉 유전자가 위치해있다는 주장과 함께 멘델의 가설은 다시 세상 밖으로 나오게 되었다.
이후 토마스 모건이 초파리의 교배실험을 반복하여 발견한 성염색체의 유전양상과 일치하는 돌연변이 표현형은, 특정 유전자는 특정 염색체 상에 존재한다는 주장을 뒷받침해주는 근거가 되었다.
유전물질은 단백질인가, DNA인가?
이후 염색체의 단백질이 유전자를 구성하는 물질이라는 주장이 널리 받아들여졌다. 단백질은 복잡한 구조를 지닐 수 있으므로 복잡한 생물의 특징을 전달하는데 적합한 물질이라 생각되기 때문이었다. 그러나 유전물질이 단백질이라는 구체적인 증거는 나오지 않는 가운데 유전물질은 DNA일 것이라는 주장이 제기되었다. 미국의 세균학자인 에이버리(Oswald Avery)가 정제된 S형 폐렴쌍구균의 DNA로 R형 폐렴쌍구균을 형질전환 시키는데 성공한 것이다. 그러나 이러한 주장은 쉽게 받아들여지지 않았다. DNA는 복잡한 유전형을 표현하기엔 너무 단순하다는 점도 있고, 세균의 유전자와 동물의 유전자가 유사성이 있는지 확실치 못하다는 의문도 있지만, 가장 큰 이유는 이미 단백질이 유전물질이라는 생각이 널리 퍼진 가운데 많은 연구가 진행되고 있었기 때문이다.
* 에이버리 실험의 원리
1. 그리피스의 폐렴쌍구균 형질변환 실험 이용
S형 폐렴쌍구균은 피막을 가지고 있는 병원성균이고, R형 폐렴쌍구균은 피막을 가지고 있지 않은 비병원성균이다. 각 균주를 쥐에게 주사했을 때 쥐의 생사는 다음과 같았다.
| 살아있는 S형균 | 살아있는 R형균 | 열처리한 S형균 | 열처리한 S형균 + 살아있는 R형균 |
| 죽음 | 생존 | 생존 | 죽음 |
열처리하여 죽은 S형균과 살아있는 R형균을 섞었을 때, R형균의 일부가 S형균으로 바뀌는 현상을 '형질전환'되었다 표현한다. 오늘날 형질전환은 '외부 DNA가 세포로 도입되어 유전자형과 표현형을 변화시키는 현상'이라 정의된다.
2. 형질전환을 일으키는 물질 선별
탄수화물 분해효소/지질 분해효소/단백질 분해효소/ 핵산 분해효소 등을 이용하여 열처리한 S형균의 탄수화물/지방/단백질/핵산을 분리하여 R형균에 각각 처리해줬더니, 핵산을 처리한 R형균만 S형균으로 형질변환 되었다.
단백질이 섞여 들어가 나온 잘못된 결과라는 주장을 방지하기 위해 핵산 분리 시에 각종 효소, 클로로포름, 알코올 등으로 단백질을 철저히 제거하였다고 한다.
*
저자는 언급하지 않았지만, 1952년 발표된 박테리오파지를 이용한 허시와 체이스의 실험은 DNA가 유전물질이라는 주장을 보다 확실하게 뒷받침한다. 박테리오파지는 단백질과 DNA로 구성되어 있으며, 대장균을 감염시켜 자신의 복제본을 만드는 바이러스이다. 허시와 체이스는 유전물질이 대장균 내로 들어가 파지의 복제본을 만든다는 생각 하에, 단백질과 DNA 중 어떤 물질이 대장균 안으로 들어가는지 알아보는 실험을 하였다.
단백질에는 인이, DNA에는 황이 존재하지 않는 다는 점을 이용해 파지를 인의 동위원소가 포함된 배지와 황의 동위원소가 포함된 배지에서 각각 기른 후 각각 대장균에 감염시켰다. 안으로 들어간 유전물질 외의 파지를 제거하기 위해 휘저은 후 방사능을 측정하였더니, 황 동위원소를 포함한 배지에서 기른 파지를 감염시킨 경우 배양액에서, 인 동위원소를 포함한 배지에서 기른 파지를 감염시킨 경우 대장균에서 방사능이 측정된 결과를 얻었다. 이는 적어도 바이러스의 유전물질은 단백질이 아닌 핵산임을 입증한다.
DNA 구조의 발견
DNA는 두 개의 당-인산 골격이 우선형으로 꼬이는 이중나선 구조이다. 데옥시리보오스라는 당과 인산기는 한 방향으로 중합체를 이뤄 방향성을 갖고, 두 골격은 서로 반대 방향의 방향성을 갖는다. 원래 방향으로 돌아오기 위해서 나선은 한 바퀴 회전을 해야 한다. 당-인산 염기가 바깥쪽에 위치에 핵산은 산성을 띄며, 골격 안쪽에 염기가 골격에 수직으로 위치한다. 퓨린 염기에 속하는 아데닌과 구아닌, 피리미딘 염기에 속하는 티민과 시토신이 서로 짝을 이뤄 하나의 염기쌍을 형성한다. 따라서 어떤 염기쌍이 오더라도 일정한 거리를 유지할 수 있다. 아데닌과 티민은 두 개의 수소결합을, 구아닌과 시토신은 세 개의 수소결합을 이룬다. 이러한 염기쌍은 한 종 내에서 아데닌과 티민의 비율과 구아신과 시토신의 비율이 같다는 샤가프의 법칙을 설명한다. 나선이 한 바퀴 돌 때 길이는 3.4nm에 해당하며 한 바퀴에는 10개의 염기쌍이 들어있다. 즉 염기쌍간 거리는 0.34nm이다.
이것이 왓슨과 크릭이 만든 DNA의 모형이다.
DNA 구조의 발견은 여러 사람이 목표를 지척에 둔 가운데 왓슨과 크릭이 먼저 승기를 잡았다 볼 수 있다. 라이너스 폴링은 마음껏 연구할 환경이 되었으나 몇몇 중요한 자료가 부족하였고, DNA의 X선 결정사진을 찍었으며 계속 연구했더라면 DNA의 구조를 발견했을지 모를 모리스 월킨스는 랜들교수의 행동 때문에 프랭클린이 같은 킹스 칼리지에 있는 동안 DNA 구조 연구를 중단하였고, 로절린드 프랭클린은 당-인산 뼈대가 바깥쪽을 향하고 두 축은 서로 역방향이며 염기쌍을 이뤄야 한다는 사실까지는 알아냈지만 결국 창의성의 부족으로 최종적인 결론에는 다다르지 못했다. 왓슨과 크릭이 결정적인 증거는 모두 샤가프나 월킨스, 프랭클린의 연구 결과에서 얻었지만, 이를 비난할 수 없는 것은 이들은 항상 기회를 노렸기 때문에 행운이 다가왔을 때 붙잡을 수 있기 때문이었다. 왓슨은 DNA의 구조를 밝혀내기 위해 크릭과 만나 결정학이나 위상문제 등을 공부하여 X선 사진을 보는 방법을 익혔고, 크릭은 물리학을 전공했음에도 수많은 논문과 글을 읽어 생물학에 대해 스스로 학습을 하였다.
"우리가 어영부영 우연히 금을 발견한 것은 사실이지만, 우리 역시 처음부터 금을 찾고 있었다는 것 또한 사실이다."
부호문제
DNA가 유전물질이라는 것이 밝혀졌다. 그러면 DNA는 어떻게 유전자로서 역할을 할 수 있는가?
생물체의 많은 기능은 단백질에 의해 유지된다. 게다가 비들과 테이텀이 빵곰팡이를 이용한 실험으로 유전자가 특정 단백질을 지정한다는 사실이 밝힘으로서, DNA가 단백질을 만드는 설계도라는 생각은 점점 타당해보였다. 왓슨과 크릭은 이러한 설계도대로 건물을 지을 때 이용될 재료를 고르기 위해 보편적인 아미노산 스무 가지를 선별하였다. 놀랍게도, 이는 정확한 개수였다. 그렇다면 설계도는 어떻게 읽힐 것인가?
□ 유전부호의 암호화
분자생물학은 시작서부터 오늘날까지 생물학에 속했음에도 불구하고 다양한 분야의 사람들이 참여하는 과목인 것 같다. DNA의 구조를 밝혀내는데 물리학자가 참여했던 것처럼 이번에도 물리학자가 참여하였다. 물리학자인 조지 가모프(George Anthony Gamow, 책에서는 조지 가모)는 염기에 숫자를 대입하여 4진수 체계로 쓰인 하나의 긴 수에 따라 유기체의 특징이 정해진다는, 즉 DNA는 디지털코드로서 단백질 정보를 암호화한다는 주장을 하였다. 가모프는 코드를 추론하는데 중심에 서서 많은 물리학자들을 끌어들였다.
하나의 아미노산을 지정하는 코드는 세 개의 염기로 구성될 것이라는 주장은 받아들여졌다. DNA의 염기는 네 종류인데, 4^2은 16이라 20개의 아미노산을 지정하기엔 모자라고, 4^3은 64라 스무 개의 아미노산을 지정하기에는 이미 차고 넘치는 가짓수를 가지기 때문에 이 이상의 염기는 필요치 않아 보이기 때문이었다. 오늘날에는 사실로 들어났으며, 이를 triplet code라고 한다.
가모프는 하나의 코드와 그 다음 코드의 염기가 두 개씩 중복된다는 주장을 바탕으로 여러 가지 중복부호체계를 제안하였지만, 아미노산이 인접한 아미노산의 종류를 제한하는 실례가 관찰되지 않았기 때문에 가모프의 가설들은 기각되었다. 헛발질을 한 것은 크릭과 그의 동료들도 마찬가지였다. 그들은 어느 지점에서나 올바른 아미노산이 지정될 수 있게 오류가 날 가능성이 높은 AAA, TTT, GGG, CCC는 제외하고 세 가지 염기로 이뤄진 순환적인 조합 중 한 가지만 선택하여 선별된 20가지 코드가 각각의 아미노산을 지정한다는 가설을 세웠다. 그러나 실제로는 시작점 뒤로 세 개의 염기 씩 연달아서 코드를 만들며, 여러 개의 염기가 하나의 아미노산을 지정하는 축퇴된 모형이다.
실제 유전부호의 모형을 돌연변이 유발원이 오히려 돌연변이를 억제시키는 점을 이용한 연구를 통해 확인되었다. 바이러스에 돌연변이를 일으키는 아크리딘과 같은 화학물질은 염기를 삽입하거나 결실시킨다. 삽입이나 결실이 일어나는 경우 틀이동 돌연변이(frameshift mutation)가 일어나 원래 있어야할 아미노산과는 다른 의미 없는 아미노산을 만든다. 이를 미스센스 돌연변이라고 한다. 그런데 삽입이 일어난 바이러스에 결실을, 결실이 일어난 바이러스에 염기를 삽입하면 의미 없던 아미노산 서열이 멈추고 다시 정상적인 아미노산이 중합된다. 삽입과 결실 돌연변이는 서로의 돌연변이를 ‘억제’하는 ‘억제제’라 볼 수 있으며 같은 종류의 억제제끼리는 서로의 돌연변이를 억제하지 못한다. 이 실험의 수많은 '억제제'들은 아미노산이 스무가지의 선별된 코드에 의해 암호화되는 것이 아니라 (후에 밝혀지겠지만 중지코드 3가지를 뺀) 모든 코드들이 아미노산을 암호화하며, 이로 인해 여러 가지 코드들이 하나의 아미노산을 지정한다는 축퇴된 모형이라는 주장을 지지한다.
그리고 아미노산을 지정하는 코드가 정말 세 개의 염기로 구성된다면 세 개의 염기를 한꺼번에 삽입하거나 삭제 시 하나의 아미노산이 추가될 뿐인 거의 정상적인 단백질이 만들어져야한다. 크릭과 레슬리 바넷이 실험을 통해 이 가설을 입증하였다. - 시기상으로는 뒤에 나오는 '단백질 합성에 관하여'라는 논문을 낸 후의 일이다.-
□ 중심원리 (central dogma)
크릭은 각각의 아미노산 한 종류에 특화된 스무 가지 '어댑터' 분자가 존재한다고 추측하였다. 어댑터의 임무는 코드를 인식해 적절한 아미노산을 가져와 생성중인 단백질 서열에 붙여주는 것이다. 이러한 어댑터의 존재를 가정하게 된 이유는 DNA와 단백질이 서로 상호작용하여 직접적으로 DNA가 단백질을 암호화하기에는 일부 소수성 아미노산과 결합할 자리가 없었기 때문이다. 코드 인식에는 수소결합이 핵심적인 역할을 할 수 있을 것이라 예상을 하였다. 이는 후에 '어댑터'가 tRNA라(= transfer RNA, 운반RNA)라는 사실이 밝혀지면서 적절한 예상이었던 것으로 밝혀졌다.
tRNA는 세포에서 추출한 마이크로솜 - 후에 리보솜 - 에 아미노산을 제공하면 아미노산들이 잠깐 작은 수용성 RNA 분자에 - 후에 tRNA -붙었다가 마이크로솜으로 이동해 단백질로 중합되는 과정을 관찰한 실험에서 확인되었다. 후에 각각의 아미노산에게 서로 다른 tRNA가 있다는 사실이 차차 밝혀진 뒤에야, 어댑터와 현실의 tRNA가 동일한 것이라는 사실이 확실해졌다.
크릭은 '단백질 합성에 관하여'라는 논문에서 다음과 같은 선언을 하였다.
- '유전자의 기능은 단백질을 만드는 것이다.'
- '단백질을 구성하는 아미노산은 20종이고, 모든 생물종에서 거의 모든 단백질에 그 20가지가 전부 쓰인다.'
- '단백질의 아미노산 서열은 확실하게 정해져있으며 변하지 않는다.
- '단백질이 접히는 것은 아미노산 서열에 따라 자연적으로 벌어지는 현상일 뿐이다. 그 서열은 유전자의 염기서열에 의해 결정된다.'
- '단백질은 주로 세포질에서 만들어지고, 핵에서는 만들어지지 않는다.'
- '단백질은 마이크로솜 입자 - 후에 리보솜 - 에서 만들어진다.'
- '핵산으로 만들어진 특수한 어댑터- 후에 tRNA -가 아미노산을 합성장소로 운반한다.
- '조립에 활용되는 암호문은 중복되지 않는 삼중항 염기부호들로 적혀있다.'
이러한 선언은 후에 모두 맞는 것으로 확인된다.
또한 이 논문에서 크릭은 단백질은 정보를 제공하지 못한다는 점을 강조하기 위해, 즉 DNA와 단백질은 상호관계가 아니며 유전자도 단백질과 DNA의 조합이 아니라는 점을 강조하기 위해 왓슨이 만든 '중심원리'라는 단어를 이용해 핵산에서 핵산이나 단백질로 정보가 이동할 수는 있어도 단백질에서 단백질이나 핵산으로 정보가 이동할 수는 없다는 주장을 하였다.
DNA ↔ RNA → protein
이 주장은 오늘날 정설로 받아들여진다. 다만 크릭은 단백질합성의 마이크로솜 내의 RNA라는, 즉 주형이 mRNA가 아니라 리보솜 내의 rRNA라고 생각하는 실수를 저질렀다. 이러한 실수는 후에 부호를 같이 연구하는 동료인 시드니 브레너에 의해 수정된다. 시드니 브래너는 왓슨처럼 서로의 아이디어를 거리낌 없이 내뱉고 거리낌 없이 비판하며 새로운 분야를 탐험하는 크릭의 '공명판'으로 취급되는 사람 중 한명이다. 그는 폰 노이만의 '자가 증식 기계는 기계 제작에 필요한 정보를 저장하고 있어야 하고, 더불어 그 정보를 해석하는 메커니즘, 즉 테이프와 테이프판독기를 따로 가지고 있어야한다.'는 주장에 영향에 받아 해독 기구와 저장 메커니즘은 별개로 존재해야한다고 생각하였다. 크릭도 브래너에게 영향을 받아 DNA가 단백질 제작을 직접 지시하는 체계로부터 등을 돌린 덕에 단백질은 리보솜에서 만들어진다는 생각을 하게 되었다.
단백질 합성의 주형이 rRNA라는 점은 다음과 같은 실험결과에 의해 반박되었다.
1) 자크 모노 : 박테리아를 락토오스가 풍부한 환경에 둘 경우, 박테리아가 순식간에 락토오스에 반응하여 특정 단백질을 제조한다는 점
2) 프랑수아 자콥 : 한 박테리아가 다른 박테리아에게 유전자를 전달할 경우에 받는 쪽 박테리아는 불과 3분 만에 그 유전자가 지시하는 단백질을 만들기 시작한다는 것을 밝혀내었다.
3) 프랑수아 자콥 : 붕괴하는 방사성 인을 써서 일부러 유전자를 망가뜨리자 거의 즉시 단백질 생산이 멎었다.
박테리아가 우선 새 리보솜을 만든 다음에 그곳에서 단백질을 만든다고 보기에는 대응이 지나치게 빨랐다.
이에 브래너는 리보솜이 일종의 테이프판독기이고, 테이프역할을 하는 물질은 따로 존재한다는 아이디어를 떠올렸다. 각각의 유전자마다 서로 다른 리보솜을 만들 이유는 없던 것이다! 그럼 테이프 역할을 하는 물질은 무엇일까? 바로 mRNA(messenger RNA, 전령 RNA)이다.
mRNA의 생성은 DNA 한 가닥을 주형으로 해 만든다는 점에서, 또한 어떠한 경우에는 RNA가 DNA의 주형으로 작용할 수 있다는 점에서 DNA의 반보존적 복제와 일맥상통하다. DNA의 반보존적 복제 모델은 DNA가 복제될 떄 두 개의 딸 DNA는 옛 가닥 하나와 이를 주형으로 만들 새로운 가닥 하나로 구성된다는 모델이다. 메셀슨과 스탈이 대장균을 질소의 동위원소가 포함된 배지에서 기르다 일반배지에서 기르면서 세대별로 원심분리를 해 생긴 띠의 유형을 분석해 반보존적 복제 모델을 뒷받침하였다.
□ 각 암호들은 어떤 아미노산을 지정하는가?
니런버그의 실험실에 하인리히 마테이는 시험관 속 리보솜으로 인공적으로 만든 사슬형태의 RNA를 이용해 단백질을 합성하는데 성공하였다.
폴리우라실은 폴리페닐알라닌을 번역하고 폴리시토신은 폴리프롤린을 번역한다는 사실을 알아내었다. 이를 시작으로 다른 연구자들이 찾아낸 새로운 기법을 이용하고 자료를 수집하여 크릭은 각 코돈이 어떤 아미노산을 암호화하는지 표현하는 유전부호표를 만들었다. 이러한 부호표는 레슬리 바넷이 넌센스 돌연변이(번역을 종료시키는 종결코돈을 만드는 돌연변이)를 통해 UGA가 종결코돈이라는 것을 알아내면서 완성되었다. 유전부호표를 보면 같은 아미노산을 지정하는 코돈들을 보면 세번째 염기만 다르다. 이는 세번째 염기의 엄격성이 떨어지기 때문이다. 크릭은 이를 '흔들리는' 구조라 표현하였다.
모든 생물의 코돈이 크릭이 만든 유전부호표에 해당하는 아미노산으로 번역되지는 않는다. 코돈이 인식하는 것은 어디까지나 tRNA의 안티코돈으로, 각각의 tRNA의 말단에 아미노산을 결합시키는 효소의 종류가 달라지면 코돈에 의해 번역되는 아미노산의 종류도 달라지기 때문이다. 각 생물의 유전자가 18가지 부호표 중 어떤 부호표에 따라 번역되는지 알아보기 위해서는 분류학적 정보를 제공하는 NCBI의 taxonomy에서 해당 생물을 검색하면 알 수 있다.
□ 번역 : translation
DNA에서 RNA를 합성하는 과정을 전사(transcription)이라고 한다. DNA와 RNA는 3' -> 5' 방향의 가닥을 주형가닥(tmeplate strand)으로 삼아 5'->3' 방향으로 합성된다. 이 때 3'은 히드록시기가 있는 당의 세 번째 탄소를 말하고 5'은 끝에 인산염이 달려있는 당의 다섯 번째 탄소를 말한다. DNA의 트리플랫 코드와 상보적인 mRNA의 서열을 코돈이라고 한다.
mRNA에서 폴리펩티드를 만드는 과정을 '번역'이라고 한다. 진핵생물과 원핵생물의 번역이 시작되고 끝나는 방법은 다르지만 과정은 비슷하다. 어댑터인 tRNA은 코돈에 상보적인 염기서열을 지니고 있는데 이를 안티코돈이라고 한다. 시작코돈에 리보솜이 위치하면 시작코돈과 상보적인 안티코돈을 갖는 tRNA가 말단에 아미노산을 달고 리보솜 내로 위치하게 된다. 그러면 리보솜은 mRNA의 5' -> 3' 방향으로 이동하고 그 다음 코돈과 상보적인 안티코돈을 갖는 tRNA가 위치하게 된다. 그러면 리보솜은 아미노산끼리 펩티드결합을 만들고 5' -> 3' 방향으로 한칸 이동해 아미노산이 달려있지 않은 tRNA를 방출한다. 이러한 방법으로 폴리펩티드를 계속 신장해나가다 종결코돈이 오면 끝마치고 리보솜이 떨어져나간다. 이 때문에 mRNA의 codon은 관습적으로 5'->3' 방향으로 읽고 triplet code와 안티코돈은 3'과 5'을 표시하고 3' -> 5' 방향으로 읽는다.
