현재 유전자의 개념: 게놈 시퀀싱

유전자의 현재 개념

일단 유전 암호가 해독되면 유전자가 폴리펩타이드 사슬의 아미노산 서열 또는 특정 기능을 가진 리보핵산 분자를 코딩하는 디옥시리보핵산 분자의 염기 서열이라는 것이 분명해졌습니다. 개별 유전자의 디옥시리보핵산 염기서열의 가용성은 유전자의 특징적인 패턴을 찾는 것을 가능하게 했습니다. 단백질을 코딩하는 유전자는 시작 코돈과 아미노산 서열을 코딩하는 일련의 코돈과 종결 코돈을 가지고 있습니다. 이것을 오픈 리딩 프레임이라고 합니다. 전체 게놈 시퀀싱은 전례 없는 규모의 생물학적 데이터를 제공했습니다. 염기서열 데이터 분석의 필요성은 생물정보학 분야의 발전으로 이어졌습니다. 생물학적 질문에 답하기 위해 이러한 데이터를 분석합니다. 생물정보학에서 사용되는 한 가지 핵심 개념은 상동성의 개념입니다. 공통 조상을 가진 두 유기체를 상동성이라고 하며 구조나 유전자에 대해서도 동일하다고 할 수 있습니다. 예를 들어 다섯 손가락이 있는 오각류 사지는 인간과 다른 포유류뿐만 아니라 새, 파충류 및 양서류에서도 발견됩니다. 팔다리는 상동이며, 이것은 모든 동물 그룹의 공통된 진화 조상의 증거입니다. 유전자도 마찬가지입니다. 모든 척추동물은 헤모글로빈을 포함하는 적혈구를 가지고 있으며, 성인 인간 헤모글로빈은 2개의 알파 및 2개의 베타 글로빈 분자로 만들어집니다. 척추동물의 글로빈 분자를 암호화하는 유전자의 디옥시리보핵산 서열은 모두 서로 유사하며, 두 동물이 얼마나 오래전에 공통 조상을 공유했는지는 그들의 글로빈 유전자가 얼마나 유사한지를 보면 추정할 수 있습니다. 이 원리는 또한 새로운 디옥시리보핵산 서열에서 유전자를 찾는 데 사용될 수 있습니다. 알려진 유전자와 유사한 서열 섹션이 있는 경우 상동 유전자를 인코딩할 가능성이 있습니다. 유전자는 단백질을 암호화하는 서열 그 이상입니다. 또한 전사가 시작되는 위치와 전사에 관여하는 단백질이 디옥시리보핵산에 결합하는 부위를 정의하는 프로모터 서열과 같은 유전자 발현 조절에 관여하는 서열을 포함합니다. 박테리아에서 거의 모든 유전자는 중단되지 않은 단일 디옥시리보핵산 서열입니다. 진핵생물에서는 암호화 영역이 일반적으로 인트론에 의해 중단되기 때문에 상황이 더 복잡합니다. 1차 전사체는 전구체 또는 메신저 리보핵산 예비단계라고 하며, 이는 엑손과 인트론을 모두 포함합니다. 인트론은 메신저 리보핵산 예비단계가 핵을 떠나기 전에 제거됩니다. 성숙한 메신저 리보핵산을 만들기 위해 함께 스플라이싱 된 엑손을 남겨둡니다. 진핵생물 메신저 리보핵산은 비정상적인 5번 말단 연결에 의해 메신저 리보핵산의 5번 말단에 추가된 메틸화된 구아노신 뉴클레오티드인 5번 캡을 가지고 있습니다. 이것은 번역을 시작할 때 중요합니다. 3번 말단에는 폴리 아데노신 꼬리가 있으며, 이는 안정성을 증가시키기 위해 메신저 리보핵산에 추가된 100~250개의 아데닌 잔기 사슬입니다. 인간 게놈 서열의 분석은 대략 20000~25000개의 단백질 코딩 유전자가 있음을 시사하지만 훨씬 더 많은 다른 단백질이 있습니다. 이는 많은 유전자가 단백질의 여러 변이체를 인코딩할 수 있기 때문입니다. 대체 스플라이싱은 성숙한 메신저 리보핵산에 포함될 엑손의 다양한 조합을 허용하고 유전자는 또한 여러 대체 프로모터 및 대체 폴리 아데노신 부위를 가질 수 있습니다. 유전자의 현대적 개념은 대체 스플라이싱, 조절 서열 및 폴리아데닐화 부위뿐만 아니라 과다한 비암호화 리보핵산을 포함한 메신저 리보핵산 처리의 모든 복잡성을 고려해야 합니다. 이러한 요인을 고려하는 유전자의 정의는 유전자가 리보핵산으로 기능할 수 있거나 하나 이상의 단백질로 번역될 수 있는 하나 이상의 전사체를 암호화한다는 것입니다.

 

전사

우리는 유전자가 리보핵산의 산물이나 단백질 서열을 암호화할 수 있음을 확인했습니다. 리보핵산이 최종 산물이거나 리보핵산이 단백질 합성을 위한 주형으로 작용해야 하기 때문에 둘 다의 생산은 유전자가 리보핵산으로 전사되어야 합니다. 리보핵산 합성은 효소 리보핵산 중합효소에 의해 촉매 되는 원핵생물과 진핵생물에서 매우 유사합니다. 다만, 한 가지 차이점은 진핵생물에서는 전체 프로세스가 염색질 콘텍스트에서 발생해야 하므로 디옥시리보핵산 템플릿에 대한 액세스가 제한된다는 것입니다. 유전자 발현의 조절은 세포 분화, 항상성 및 종분화의 주요 촉진자입니다. 다른 세포 유형은 분화된 표현형을 일으키는 다른 유전자의 전사를 켭니다. 포유류를 종분화의 예로 보면 모두 거의 동일한 유전자 함량을 가지고 있습니다. 포유류가 진화하면서 변화한 것은 전사가 조절되는 방식입니다. 예를 들어, 인간과 생쥐를 비교하면 공통 조상에서 갈라진 이후 발생한 인간과 생쥐 게놈 서열의 중요한 변화는 주로 단백질 코딩 서열보다는 전사를 조절하는 서열에 있다.

 

리보핵산 중합효소

디옥시리보핵산 의존성 리보핵산 중합효소는 디옥시리보핵산을 리보핵산으로 전사하는 역할을 합니다. 디옥시리보핵산 중합효소와 마찬가지로 리보핵산 중합효소에는 디옥시리보핵산 주형과 뉴클레오타이드 삼인산 전구체가 필요합니다. 리보핵산 중합효소는 프라이머가 필요하지 않습니다. 리보핵산 합성 동안, 들어오는 뉴클레오타이드 삼인산 내의 염기가 디옥시리보핵산 주형의 염기와 쌍을 이루고, 포스포디에스테르 결합이 형성되고 피로인산이 방출됩니다. 리보핵산 중합효소는 사슬의 3번 말단에만 뉴클레오티드를 추가할 수 있기 때문에 리보핵산을 5번 말단에서 3번 말단 방향으로 합성합니다. 전사하는 동안 단 하나의 디옥시리보핵산 가닥만 리보핵산으로 전사됩니다.