소개글
"분자생물"에 대한 내용입니다.
목차
1. DNA의 구조와 복제
1.1. DNA의 발견과 염기서열
1.2. DNA의 이중나선 구조
1.3. DNA 복제 과정
1.4. DNA 토폴로지
2. DNA 손상과 복구
2.1. 돌연변이의 유형
2.2. DNA 손상의 종류
2.3. DNA 수선 기작
3. 유전자 발현 조절
3.1. 전사 과정
3.2. RNA splicing
3.3. 번역 과정
3.4. 후번역 조절
4. RNA의 다양성과 기능
4.1. RNA의 구조와 종류
4.2. RNA 효소와 리보스위치
4.3. RNA 간섭 기작
5. 염색체 구조와 기능
5.1. 뉴클레오솜 구조
5.2. 크로마틴 리모델링
5.3. 에피유전체 조절
6. 유전체 구조와 진화
6.1. 유전체 크기와 유전자 밀도
6.2. 반복 서열과 유사 유전자
6.3. 유전체 재배열과 유전체 진화
7. 참고 문헌
본문내용
1. DNA의 구조와 복제
1.1. DNA의 발견과 염기서열
DNA의 발견과 염기서열은 분자생물학의 역사에서 매우 중요한 부분이다. DNA의 발견은 유전자와 생명체의 기본 정보를 담고 있는 물질이 무엇인지 밝혀낸 중요한 발견이었다.
DNA는 1868년 스위스 생화학자 Friedrich Miescher에 의해 처음 발견되었다. Miescher는 의료 실험실에서 부정 처리된 백혈구에서 새로운 물질을 분리하였는데, 이 물질은 인을 많이 함유하고 있어 "nuclein"이라고 명명되었다. 이후 연구를 통해 nuclein이 세포 핵에 많이 존재하는 것이 밝혀졌다.
1866년 멘델이 유전인자의 존재를 발견한 이후, 1880년대에는 보베리와 서튼에 의해 염색체 이론이 정립되었다. 여기서 염색체가 세포분열과 생식세포 형성 과정에서 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 1910년대에 모건은 초파리 실험을 통해 염색체가 유전형질 발현에 관여한다는 것을 발견하였다.
1928년 그리피스는 폐렴균 실험을 통해 유전형질 전환 현상을 관찰하였는데, 이는 DNA가 유전물질일 가능성을 시사하는 결과였다. 1944년 에이버리, 맥클로드, 맥카티는 이 실험을 확장하여 DNA가 유전물질임을 확인하였다. 당시에는 단백질이 유전물질의 역할을 할 것이라 생각되었지만, DNA의 구조가 상대적으로 단순하여 유전물질로서는 부적합할 것으로 여겨졌었다.
이후 1950년대 초반 차가프는 DNA의 염기 조성비가 일정하다는 사실을 발견하였다. 1952년 허시와 체이스는 박테리오파지가 세균을 감염시킬 때 단백질이 아닌 DNA만 주입된다는 것을 밝혀냈다. 이러한 발견들은 DNA가 유전물질일 가능성을 더욱 높여주었다.
마침내 1953년 왓슨과 크릭은 X-선 회절 실험 데이터를 토대로 DNA의 이중나선 구조를 발견하였다. 이로써 DNA가 유전물질로서의 역할을 할 수 있는 근거가 확립되었다.
1.2. DNA의 이중나선 구조
DNA의 이중나선 구조는 1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭에 의해 발견되었다. 그들은 DNA가 두 개의 polÿnucleotide chain이 서로 꼬여 있는 double helix 구조를 가지고 있다는 것을 밝혀냈다.
DNA의 backbone은 phosphate와 2'-deoxyribose로 구성되어 있다. 그리고 내부에는 4종류의 염기인 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C)이 상호 상보적으로 결합하여 염기쌍을 이루고 있다. 아데닌은 티민과, 구아닌은 시토신과 수소결합을 통해 결합한다. 이때 A-T 염기쌍은 2개의 수소결합, G-C 염기쌍은 3개의 수소결합으로 연결되어 있다.
DNA 이중나선 구조의 pitch(나선의 간격)는 3.4nm이고, 직경은 2nm이다. 1개의 helical turn에는 10.5개의 염기쌍이 존재한다. DNA 이중나선 구조에는 major groove와 minor groove가 형성되는데, 이는 2'-deoxyribose와 염기 사이의 glycosidic bond 각도의 비대칭성 때문이다.
DNA는 대부분 오른나사 방향(right-handed)으로 감겨 있지만, 특정 조건에서는 왼나사 방향(left-handed)의 Z-DNA 구조로 존재할 수 있다. 이중나선 구조의 형태는 습도, 염도 등의 환경 요인에 따라 달라지며, 이에 따라 major/minor groove의 크기와 염기간 수소결합의 강도도 변화한다.
전반적으로 DNA의 이중나선 구조는 염기 서열 정보를 효과적으로 보존하고 복제할 수 있게 하는 최적의 구조라고 볼 수 있다. 염기 간 수소결합과 염기 적층 상호작용을 통해 DNA 구조가 안정화되며, 복제 과정에서 상보적 염기 쌍 형성으로 원래의 염기 서열이 보존된다.
1.3. DNA 복제 과정
DNA의 복제 과정은 다음과 같다.
DNA는 복제 과정을 통해 자신의 유전 정보를 자손에게 전달한다. DNA 복제의 핵심 원리는 DNA의 이중 나선 구조와 상보적 염기 쌍 결합이다. DNA 복제 과정은 주형 DNA로부터 새로운 2가닥의 DNA를 합성하는 것이다. 이 과정은 DNA 이중 나선이 풀리고 각 가닥이 주형이 되어 새로운 상보적 가닥이 합성되는 방식으로 진행된다.
DNA 복제 과정은 다음과 같은 단계로 이루어진다. 먼저 DNA 이중 나선 구조가 헬리케이즈에 의해 풀리고 DNA 이중 가닥이 분리된다. 그 다음 DNA 복제 시작 부위(origin of replication)에 DNA 프라이머가 결합한다. DNA 중합효소는 프라이머의 3' 말단에서 시작하여 새로운 DNA 가닥을 합성한다. 하나의 가닥은 연속적으로 합성되는 선도 가닥이고, 다른 한 가닥은 불연속적으로 합성되는 지연 가닥이다.
지연 가닥의 경우 짧은 RNA 프라이머를 이용해 작은 DNA 절편들이 합성된 후, 이들 절편이 DNA 리가제에 의해 연결된다. 이 과정에서 DNA 중합효소 III와 DNA 헬리케이즈, DNA 프라이머아제, DNA 리가제 등의 효소들이 복합체를 이루어 협력한다. 복제가 진행됨에 따라 복제 포크가 이동하며, 복제가 완료되면 두 개의 동일한 DNA 분자가 생성된다.
이와 같이 DNA 복제 과정은 정확성과 효율성을 위해 다양한 효소들의 협력 하에 진행되며, 이를 통해 유전 정보가 자손 세대로 안정적으로 전달될 수 있다.
1.4. DNA 토폴로지
DNA 토폴로지는 DNA 분자의 위상 구조와 관련된 개념이다. DNA는 보통 right-handed로 감겨있는 이중나선 구조를 가지지만, 다양한 토폴로지적 상태로 존재할 수 있다. DNA 토폴로지는 DNA 복제, 전사, 재조합 등 많은 생명 과정에 중요한 역할을 한다.
cccDNA(covalently closed circular DNA)는 양 끝이 자유로운 linear DNA와 달리 원형으로 연결되어 닫힌 구조의 DNA이다. 이 cccDNA의 토폴로지는 twisting, writhing 등으로 표현된다. Twist number(Tw)는 DNA 이중 가닥이 꼬여있는 횟수이고, Linking number(Lk)는 꼬여있는 이중 가닥을 완전히 풀기 위해 회전시켜야 하는 횟수이다. Lk는 항상 불변이지만, DNA 복제 등의 과정에서 Tw와 Wr(Writhe)가 변화한다.
cccDNA는 일반적으로 negatively supercoiled 상태로 존재한다. 즉 Lk 값이 Lk°(fully relaxed 상태의 Lk) 보다 작다. 이러한 음의 supercoiling 상태는 염기 간 결합이 쉽게 풀릴 수 있게 하여 DNA 복제, 전사 등의 과정을 촉진한다.
토폴로지는 Topoisomerase라는 효소에 의해 조절된다. Topoisomerase는 DNA를 절단했다가 다시 이어붙여 Lk를 변화시켜줄 수 있다. Type 1 topoisomerase는 단일 가닥을, Type 2 topoisomerase는 이중 가닥을 절단한다. 이를 통해 DNA 복제 과정에서 발생하는 음의 supercoiling을 해소할 수 있다.
종합하면, DNA 토폴로지는 DNA의 구조와 기능에 매우 중요한 영향을 미치며, 복합적인 토폴로지 조절 기작에 의해 유지된다고 할 수 있다.
2. DNA 손상과 복구
2.1. 돌연변이의 유형
돌연변이의 유형에는 크게 네 가지가 있다. 첫째, 전이(transitions)는 피리미딘 염기(C, T)가 다른 피리미딘 염기로, 퓨린 염기(A, G)가 다른 퓨린 염기로 바뀌는 경우이다. 둘째, 전위(transversions)는 피리미딘 염기가 퓨린 염기로, 퓨린 염기가 피리미딘 염기로 바뀌는 경우이다. 전위가 일어나면...
참고 자료
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