3-1. 유전자와 형질발현(Feat. 비들과 테이텀의 붉은빵곰팡이 실험) -> 1유전자 1효소설
안녕하세요. 텔로머라제의 모든 것을 알려드리는 텔로머라제 홍보대사입니다.
텔로미어란?
염색체 끝 부분에 붙어있는 반복 염기서열로,
염색체의 손상을 막아주는 역할을 함
텔로머라제란?
텔로미어가 손상되면 복구, 생성해주는 효소
노화를 방지하는 효소
DNA에는 우리의 형질을 결정하는 유전자가 존재합니다. 특이한 점은, DNA 전체 부분에 우리의 유전자가 들어있는 것이 아니라, DNA 특정 부분들에만 유전자가 존재한다는 건데요. 즉, 유전자는 유전정보가 들어있는 DNA의 특정부분을 의미합니다.
이번 포스트에서는 이 유전자가 우리의 형질을 어떤 식으로 결정하는지에 대해 설명드리겠습니다.
● 비들과 테이텀의 붉은빵 곰팡이실험
우선 '형질'이라는 것이 무엇을 의미하는지부터 설명드리겠습니다. 형질이란, 형태와 성질을 의미합니다. 쌍꺼풀이 있는지, 키가 큰지 작은지, 곱슬인지 아닌지 등이 형질에 해당되는 것이죠.
이렇게 눈으로 보이는 특징들은 체 내에서 효소나 호르몬의 발현 양에 따라 결정됩니다. 즉, 유전자에 저장된 정보가 효소나 호르몬을 어느정도 발현할지를 결정해 우리의 형질을 결정하는 것이죠. 이렇게 유전자가 형질을 결정해 그 특성이 나타나는 것을 '형질 발현'이라고 합니다.
비들과 테이텀은 '붉은빵곰팡이 실험'을 통해 유전자가 형질을 결정한다는 것을 발견했습니다. 붉은빵곰팡이는 빵에서 증식하는 곰팡이로 관찰이 매우 용이하고, 유전자가 n형이어서 돌연변이 생성이 쉽다는 장점이 있는데요. 유전자 형이 2n이면, 염색체가 쌍을 이뤄 하나의 염색체가 돌연변이가 되어도 다른 하나로 인해 돌연변이가 되지 않을 수도 있기 때문입니다.
이들은 유전자가 형질을 결정한다는 것을 발견하면서, '오르니틴' -> '시트룰린' -> '아르지닌'으로 이어지는 '아르지닌 합성과정'도 발견했습니다. 용어들이 생소해 어려움이 느껴지실 수 있는데요. 지금부터 최대한 쉽고 자세하고 쉽게 설명드릴테니 여러 번 읽으면서 이해하시기 바랍니다.
우선 정상적인 붉은빵곰팡이와 x선을 쬐어 유전자에 돌연변이을 일으킨 붉은빵곰팡이로 실험을 진행했습니다. 정상적인 붉은빵곰팡이는 야생종, 돌연변이가 된 붉은빵곰팡이는 돌연변이주라고 부르겠습니다. 돌연변이주는 3가지 종류의 서로 다른 돌연변이를 만들어 실험을 진행했습니다.
실험은 야생종과 돌연변이주를 세포가 살아가는데 최소한의 영양분을 가진 배지인 '최소배지', 그리고 각각 다른 영양분이 들어있는 배지에 넣고 진행했는데요. 우선 최소배지에 넣고 배양한 결과, 야생종만 자라고 돌연변이주는 모두 자라지 못한다는 것을 관찰했습니다.
최소배지에 '아르지닌'을 넣어 배양했을 때는 야생종과 돌연변이주 모두 자라는 것을 확인했는데요. 아르지닌이 곰팡이가 자라는데 꼭 필요한 영양분이라는 것을 알 수 있습니다.
그렇다면, 야생종은 아르지닌이 없는 최소배지에서도 잘 자라는데 돌연변이종에서는 자라지 못하는 이유가 무엇일까요? 돌연변이종에서는 아르지닌을 합성하는 효소가 발현하지 않았기 때문입니다. 즉, 유전자 돌연변이로 인해 아르지닌 합성효소를 암호화하는 유전자에 돌연변이가 생겨 아르지닌 합성효소 발현이 이뤄지지 않은 것이죠.
최소 배지 : 야생종만 자람, 돌연변이주는 자라지 X
최소 배지 + 아르지닌 : 야생종, 돌연변이주 모두 자람
-> 돌연변이주는 아르지닌을 합성하는 효소를 발현하지 못함
이번에는 최소 배지에 '시트룰린'을 첨가한 배지에서 곰팡이를 배양했습니다. 그 결과, 야생종과 돌연변이 Ⅰ, Ⅱ만 자라고 돌연변이 Ⅲ은 자라지 못했는데요. 이는 왜 그런 것일까요?
돌연변이 Ⅲ은 시트룰린 -> 아르지닌으로 합성하는 아르지닌 합성효소가 발현하지 않았기 때문입니다. 즉, 아르지닌 합성효소 발현에 돌연변이가 생긴 것이죠. 이처럼 아르지닌 합성효소 발현에 돌연변이가 생긴 것을 '아르지닌 요구주' 라고 합니다.
돌연변이 Ⅲ : 시트룰린 -> 아르지닌으로 합성하는 '아르지닌 합성효소'를 암호화 하는 유전자에 돌연변이, 아르지닌 요구주
이번에는 최소배지에 오르니틴을 첨가한 배지에서 곰팡이를 배양했습니다. 이번에는 야생종과 돌연변이 Ⅰ 만 자라고 돌연변이 Ⅱ, Ⅲ은 자라지 못했는데요.
돌연변이 Ⅱ는 오르니틴 -> 시트룰린을 만드는 시트룰린 합성효소를 암호화하는 유전자에 돌연변이가 생겨 자라지 못한 것입니다. 돌연변이 Ⅲ은 시트룰린이 있는 배지에서도 자라지 못했기 때문에 오르니틴을 넣었을 때도 자라지 못하는 것이죠.
돌연변이 Ⅱ와 같이 오르니틴 -> 시트룰린으로 합성하지 못하는 돌연변이를 '시트룰린 요구주' 라고 합니다.
돌연변이 Ⅱ : 오르니틴 -> 시트룰린으로 합성하는 '시트룰린 합성효소'를 암호화하는 유전자에 돌연변이, 시트룰린 요구주
다시 맨 처음 언급드린 최소배지에서 배양한 곰팡이에 대해 설명드리겠습니다. 최소배지에서는 야생종만 자라고 돌연변이는 모두 자라지 못하는 것을 확인했는데요.
돌연변이 Ⅰ 은 오르니틴이 있는 배지에서도 자랄 수 있었지만, 오르니틴이 없는 배지에서는 자라지 않았습니다. 이는 돌연변이 Ⅰ이 오르니틴을 합성하는 오르니틴 합성효소를 암호화하는 유전자에 돌연변이가 생겼기 때문입니다. 이 때문에 최종적으로 아르지닌을 합성하지 못해 자라지 못하는 것이죠.
비들과 테이텀은 여기까지 실험을 진행하고 다음과 같은 결론을 냈습니다.
- 전구물질 -> 오르니틴 -> 시트룰린 -> 아르지닌 합성 순서 확인
- 유전자 1개는 1개의 효소를 발현한다. -> 1유전자 1효소설
- 발현한 효소로 인해 형질이 발현한다.
앞에 설명드린 내용을 표로 정리한 것입니다. 우선 전구물질 -> 오르니틴 -> 시트룰린 -> 아르지닌으로 이어지는 합성순서는 암기하는게 좋습니다. 그리고 표에서 X -> O로 넘어가는 부분에 돌연변이가 발생했다는 점도 이해하시고 넘어가는게 좋습니다.
사실 내용을 완벽하게 이해했으면 굳이 암기는 하시지 않으셔도 됩니다. 밑에 예시를 통해 한번 더 개념을 설명드리겠습니다.
우선 표를 보실 때, 최소배지 + @ 에서 가장 많이 생존하는 배지를 찾으시면 됩니다. 여기서는 최소배지 + A에서 모든 종류의 곰팡이들이 생존하는데요. 이 A가 '아르지닌'이라는 것을 파악하시면 됩니다.
생존을 많이 하는 배지는 아르지닌 -> 시트룰린 -> 오르니틴 순서인 것이죠. 이를 해석해 정리하면,
A : 아르지닌
B : 오르니틴
C : 시트룰린
이 되는 것입니다.
그렇다면 Ⅰ 요구형에서의 Ⅰ은 시트룰린, Ⅱ 요구형에서의 Ⅱ는 오르니틴, Ⅲ 요구형에서의 Ⅲ은 아르지닌이 되는 것이죠.
● 마무리
이번 포스트에서는 1유전자 1효소설을 검증한 비들과 테이텀의 붉은빵곰팡이 실험에 대해 설명드렸습니다. 다음 포스트에서는 여기에 이어서 유전자가 실제로 단백질을 어떤 기전으로 합성하는지에 대해 설명드리겠습니다.
이 블로그에서는 텔로미어(Telomere)와 텔로머라제(Telomerase)에 대해 중점적으로 다루고 있습니다. 텔로미어는 염색체 양 끝에 위치한 DNA구조인데요. 세포가 분열할 때마다 염색체 양 끝단인 텔로미어 길이가 짧아집니다. 텔로미어가 더 이상 분열할 수 없을 정도로 짧아지면 분열을 멈춥니다. 세포의 노화가 시작되는 것이죠.
텔로머라제는 이를 방지해 세포 노화를 억제하는 역할을 합니다. 최근 논문들에서는 텔로머라제가 텔로미어 길이 연장 뿐 아니라 다양한 면역 반응에도 관여한다고 하는데요.
텔로머라제에 대한 자세한 내용은 '관련 논문 카테고리'에 올릴 예정이니, 한 번 보시길 바랍니다.
글 마지막 부분에 전체 영상 보실 수 있게 링크 걸어두었으니 더 관심있으시면 한번 보시는 것을 추천드립니다.
※영상 출처
채널명: 계숙 샘
동영상제목: [생명과학2]2단원 2-1차시 유전자와 형질발현-비들 테이텀 실험(붉은빵 곰팡이 실험)
