2021.08.10 (화) 맑음.
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유기농산물과 선택적 스플라이싱
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Alternative Splicing: AS; 선택적 스플라이싱.
한개의 유전자로부터 다양한 형태의 단백질이 발현될 수 있음.
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인간의 몸은 약 60조개의 세포(체세포 및 생식세포)로 구성되어 있고 각 세포마다 1개의 핵산을 포함하고 있으며 그 핵산은 DNA를 주성분으로 하는 23쌍의 염색체로 구성된다. 그 염색체는 다시 22쌍의 상염색체와 1쌍의 성염색체로 구분된다. 여기서 염색체란 세포를 관찰하기 위해 사용하는 특정 염료(동물세포-메틸렌블루:염기성, 식물세포-아세트산카민:산성)에 잘 염색된다고 하여 붙여진 이름이다.
핵산의 주요 구성성분인 DNA 1개의 길이는 대략 2m정도에 달하고 세포의 크기는 고작 2~4㎛(1마이크로미터=1/1,000,000m)인데, 그 긴 DNA를 어떻게 그리 작은 공간에 담을 수 있을까?
DNA는 이미 잘 알려진바와 같이 이중나선형태의 마치 실(염색사)과 같은 형태이다. 이 실을 작은 실패에 감아 1차적으로 부피를 줄인 후 다시 꽈배기처럼 꼬아 염색체를 구성한다. 물론 이 염색체는 다시 핵막으로 둘러싸여져 세포내 다른 세포소기관들과 구분된다. 여기서 실패의 역할을 하는 것이 바로 히스톤 단백질이다. (물론 꽈배기처럼 꼬여져 있는 상태의 모습은 세포가 분열할 때만 나타나고 그렇지 않은 경우에는 풀린 모습으로 나타난다.)
DNA는 우리 몸을 구성하는데 필요한 각 종의 단백질 합성 정보를 보관하고 있으며 이 단백질은 약 20여종의 아미노산들이 결합하여 만들어진다. 즉 DNA는 단백질 합성을 위한 아미노산의 조립정보를 보관하고 있는 일종의 핵심 정보창고이다.
단백질은 생물체 내의 구성 성분일뿐만 아니라 세포 내 생화학 반응을 촉매하는 효소, 항체 형성 및 면역체계 신호전달 물질(사이토카인;Cytokine), 전사(transcription)되는 단백질의 종류 등을 미세하게 조절하는 전사인자(transcription factor) 등 우리 몸을 정상적인 상태로 유지시켜주는 여러가지 기능물질이기도 하다.
이 DNA는 기본구성 단위인 뉴클레오타이드[ 1) nucleotide; 오탄당: 5개의 탄소원자로 구성된 단당류; Ribose와 2) 3인산, 그리고 3) 4가지 종류의 염기(사이토신 C, 구아닌 G, 아데닌 A, 티민 T)]들이 화학적 결합을 통해 길게 이어진 나선형태의 RNA 한 가닥과 역시 같은 구조이기는 하나 방향이 반대인 상보적 RNA 한 가닥이 서로 수소결합을 통해 이루어진다.
단백질의 합성은 세포주기(간기, 분열기) 중 간기 동안에 이루어지는데 이 때의 DNA는 염색체 형태가 아니라 염색사 형태를 띄어 전사(transcription) 과정과 복제(replication)과정이 수월하게 진행되도록 한다.
DNA는 앞서 뉴클레오타이드를 기본 구성단위로 한다고 언급했다.이 뉴클레오타이드 구성성분 중 1) 3인산은 나선형의 가닥(사슬)을 형성하는 기능을 하고 2) 4가지 염기(base)는 단백질 합성(아미노산 조립) 정보를 기록하는 기능을 한다. 즉 1) 오탄당(리보스)은 백지노트의 낱장, 2) 4가지 염기는 기록용 마커(일종의 4색연필?), 그리고 3) 3인산은 노트 각 낱장을 묶어서 한 개 노트를 만드는 기능이라고 할까?
어쨋든! 중요한 것은 바로 정보의 기록에 해당하는 4가지 염기(사이토신 C, 구아닌 G, 아데닌 A, 티민 T)일 것이다. 이 4가지 염기를 각 각 3개씩 묶어 한 개의 아미노산을 나타내게 된다. DNA는 이렇게 연속적으로 묶여진 3개의 염기를 한개의 아미노산으로 나타내도록 표현하는 방식을 그의 기록방식으로 택했다. 이 3개의 염기(base) 묶음을 코돈(CODON)이라고 한다.
이 한 개 DNA에는 여러개 또는 수십개 또는 수백, 수천개의 유전자가 포함되는데, 이 유전자는 별개의 특정 개체로 존재하는 것이 아니라 특정 단백질을 합성하는 정보의 묶음(염기서열)으로 마킹된 것이다. 즉, 한개 DNA의 몇 번째 위치부터 몇 번째 위치까지가 한 개의 유전자가 되는 것이다. 물론 그 위치 범위안에는 수백, 수천개의 염기와 함께 그들이 각 각 3개씩 순서대로 묶인 염기묶음(CODON)이 나열되어 있다. 이런 방식으로 한개 DNA에는 여러개의 유전자가 존재한다. 이런 방식으로 염기들이 나열되어 있는 모습을 우리는 '염기서열'이라고 한다.
한 마디로 정리하면, '염기서열'이란 유전정보 또는 단백질 합성 정보의 표현, 또는 기록이라고 할 수 있을까?
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세포내 소기관으로 리보좀이라는 것이 있다. 이 리보좀은 DNA에 기록되어 있는 단백질 합성(아미노산 조립) 정보를 읽어 들여 단백질을 만들어(합성)내는 세포소기관(일종의 단백질 합성 공장)으로, 합성한 단백질을 운송하는 소포체에 붙어 있거나 세포질에 흩어져 다 수가 존재한다.
핵막으로 둘러싸여 있는 DNA, 그리고 그 안에 기록되어 있는 유전정보(염기서열)를 어떻게 리보솜으로 전달해서 생물체에 절대 필요한 단백질을 만들어 낼 수 있을까? 단백질의 합성은 DNA 복제(replication)와 전사(transcription), 그리고 번역(translation)과정을 통해 이루어진다.
먼저 서로 꼬여 있는 DNA 두 가닥을 풀고 각 각의 가닥을 주형(기준)으로 하여 각 염기와 상보적인(complementaly) 복사체(RNA)를 만들고 난 다음 이 둘을 다시 합쳐 복사본 DNA를 만든다. 이렇게 복사된 DNA는 세포분열시 나누어져 분열된 다른 세포(딸세포)에도 똑 같은 DNA가 존재할 수 있도록 한다.
또한 단백질 합성이 필요한 경우, 그에 해당하는 정보를 담고 있는 DNA의 특정 영역만을 복사해서(전사: transcription) mRNA(messengerRNA)를 만들고 이 mRNA는 핵공(핵막에 뚫린 구멍)을 통해 세포질로 나와 리보솜으로 전달되며 이 때 부터 tRNA(tramsferRNA) 및 rRNA(ribosomalRNA)와 더불어 단백질을 만들어 낸다.
사실 전사(transcript)과정에서는 precursor-mRNA(전구체 mRNA)가 먼저 만들어지는데, 이 전구체 mRNA는 단백질 번역에 직접 관련이 되는 엑손(EXON; 암호화서열)이라는 부분과 그렇지 않은 인트론(INTRON;비암호화서열)이라는 부분을 모두 포함한다. 이 전구체-mRNA로부터 인트론을 떼어내고 엑손만으로 구성된 mRNA(성숙-mRNA)로 변형하는 과정을 스플라이싱(Splicing)이라고 한다.
한 개의 전구체-mRNA로부터 단지 한 개의 성숙한 mRNA만을 만들어낼까? 한 개의 유전자로부터 전사와 번역과정을 거쳐 합성된 단백질은 생물체의 생장과정에서 과연 똑 같은 단백질만을 생성할까? 이러한 의문이 어쩌면, 유사하면서도 다양한 단백질을 생성할 수 있을 것이라는, 그렇게 생성된 단백질들의 기능 또한 다양하면서도 구체적일 수 있을 것이라는 합리적인 상상을 할 수 있을 것이다.
사실 Alternave Splicing이라는 과정을 통해 엑손(EXON)들의 재조합이 이루어지고 이와 함께 여러개의 mRNA들이 만들진다(그림1 참조).
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후성유전학(epigenetics)은 환경적 요소에 의해 유전자의 발현(expression) 기능이 바뀔 수 있음을 연구한다. 유전자의 발현이라 함은 결과론적으로 단백질의 합성을 의미한다. 물론 다양한 기능을 수행하는 단백질을 포함한다.
세포분열을 통해 생물체는 생장하고 그 생물체를 구성하는 세포는 똑 같은 유전자들을 포함한다. 생식세포를 통해 후대에 전해지는 유전자 역시 부모로 부터 물려 받은 특성으로 염기, 즉 단백질 합성정보는 바뀔 수 없다. 다만 그 한 개의 유전자 정보로부터 합성되는 단백질의 종류가 다양함으로 인해 생물체는 환경변화에 적절히 적응하고 대응할 수 있는 것이다.
유기농산물과 후성유전학..., 그리고 선택적 스플라이싱(Alternative Splicing)은 정말 관계가 없을까?
어쩌면, 외부 자극(이를테면 병원체(바이러스, 세균, 곰팡이) 및 벌 침에 쏘이는 등의 독소 유입, 먹거리 및 기후변화 등 환경변화)으로부터 그에 적응하고 대응하기 위한 어떤 물질(단백질)을 합성하지는 않을까? 유전자 자체의 변경이 그렇게 자유롭거나 손쉽지는 않을 것이라는 생각으로부터 발현되는 단백질의 다양성에 대해 조금의 가능성이 있을 것이라는 생각이 있었다. 결국 선택적 스플라이싱을 공부하면서 그 부분에 대한 의문이 풀렸다. (2021.08.10.화.14:05)
유기농산물의 섭취와는 또 어떤 관계가 있을까? 정말 다양한 실험을 해 보고 싶지만.... 장비도 없고.... 돈도 없다. 더군다나 일개 개인이 국가연구과제에 참여할 수 있기는 할까! 그 과제를 따낸 사람들이나 연구기관들... 모두 연구 그 자체가 목적이라기 보다 그저 자기들 밥그룻 유지를 위한 그냥 자리일뿐...
이 넘쳐나는 아이디어를 어찌 주체할 것인가!!!
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