Protein synthesis

원핵생물과 진핵생물 모두 유전자의 선별적 발현으로 세포가 특성화된다

발현된 유전자란, 유전 정보를 DNA에서 RNA로 전사하여, 그 정보가 특정 단백질(protein)로 해독되는 것이다. 
유전자로부터 protein으로 정보가 전달되어가는 일련의 과정, 즉, 유전자형으로부터 표현형으로 나타나는 현상을 유전자 발현이라고 한다.  
유전자 발현의 결정은 유전자 발현을 조절하는 주된 방법으로, 접합체가 다세포 개체로 발달하는 과정 동안 cell의특성화를 위한 기본이 된다.  
예를 들어 발생 중인 초파리의 날개 세포에서 발현되는 protein으로 해독되어 cell을 납작하고 매끄럽고 투명한 플라스틱 같이 튼튼하고 얇은 날개 구조를 만들게 한다.  
반면에 발생단계의 초파리 눈 cell에서 발현된 유전자는 빛을 모으는 수정체를 형성하는 protein으로 발현된다.  Cell이 구조와 기능 면에서 특성화 되는 것을 세포 분화라 한다.  

세포 분화는 접합체를 성숙된 개체로 전환하는 데 관여한다.  성체에서 낡은 cell이나 손상된 cell을 새로운 cell로 대체할 때에도 cell분화가 일어나는데, 전체 유전자 중에서 특정 유전자만이 발현되기 때문에 cell의 특성화가 일어나게 된다.  유전자 발현의 조저로 필요한 시기에 그리고 필요한 부위에서만 특정한 protein이 만들어지는 것이 가능하게 된다.

단백질이 환경의 변화에 따라  DNA와 상호작용 하여 원핵생물의 유전자를 조절한다.

제이콥과 모노의 모델은 lactose 사용에 관련된 효소를 암호화하고 있는 유전자가 lactose의 존재 여부에 따라 어떻게 발현이 되고 안 되는지를 설명해 주고 있다. E.coli는 lactose를 섭취하고 대사 하는데 세 종류의 효소를 이용하고 있으며, 이들 효소를 암호화하고 있는 유전자는 하나의 단위로 조절된다. E.coli의 DNA 조각인 lactose 효소 유전자 그룹 옆에는 이들을 조절하는 작은 DNA 구역이 있다. 이 일련의 염기서열을 promoter라고 하며 RNA 중합효소(RNA polymerase)라고 하는 전사 효소가 붙어 전사를 시작하는 곳이다. 이 경우는 세 개의 lactose 효소 유전자를 모두 한꺼번에 전사한다. Promoter와 효소 유전자들 사이에 있는 operator라고 하는 DNA 조각은 스위치 역할을 한다.  Operator는 RNA 중합효소가 promoter에 붙어서 유전자를 따라 이동할지를 결정한다. 
서로 연관된 기능을 가진 유전자들이 하나의 promoter, 하나의 operator와 함께 집합되어 있는 유전자군을 operon이라 부른다. Operon은 원핵생물에만 존재한다. 여러 유전자를 operon으로 묶는 주된 장점은 이들 유전자들의 발현을 쉽게 통합 조절할 수 있기 때문이다. 여기서 설명한 operon은 lactose operon, 줄여서 lac operon이라 부른다. operon 내의 모든 유전자들은 operator라고 하는 하나의 스위치에 의하여 동시에 조절되기 때문에, E.coli가 lactose를 만났을 때 이것을 이용하는데 필요한 모든 효소들이 한꺼번에 만들어지게 된다. 그렇다면 무엇이 operator 스위치를 켜고 끌 것을 결정하는가?
억제자repressor라고 하는 단백질이 operator에 붙어서 RNA 중합효소가 promoter에 붙는 것을 방해하므로 전사는 일어나지 않는다. repressor를 암호화하고 있는 조절유전자(regulatorygene)는 operon 밖에 위치하고 있으며, 항상 발현되어 repressor를 제공하게 된다. repressor가 늘 존재한다면 어떻게 operon이 전사될 수 있는가? Lactose는  repressor와 결합하여 operator의 모양을 변형시킴으로서 repressor가 promoter 붙는 것을 방해의 모양을 변형시킴으로서 repressor가 promoter에 붙는 것을 방해한다. repressor의 형태가 변형되면 operator와 결합할 수 없고, operator 스위치는 켜지게 된다. 그러면 RNA 중합효소가 promoter와 결합하게 되고 따라서 operon 내의 유전자들은 발현된다. 만들어진 mRNA는 lactose 이용에 필요한 효소 세 개 모두를 암호화한 염기 서열을 갖고 있다. mRNA는 해독을 시작하고 멈추게 하느 신호 즉, 코돈(codon)을 갖고 있으므로 세포는 이 메시지를 해독하여 여러 개의 다른 단백질을 만들 수 있다


-특성화된 세포들도 모든 유전적 잠재능력을 갖고 있다.

분화가 세포의 유전적 잠재력을 손상시키지 않는다는 증거는 분화가 때로 가역적이라는 것이다. 다시 말해 다세포 생물의 세포가 구조적으로 그리고 기능적으로 특성화되어 분열을 멈춘 후에도 그 세포는  탈분화(dedifferentiate)할 수 있고 체세포분열을 할 수도 있다. 이들의 딸세포는 그 다음 원래의 세포로 혹은 다른 종류의 특성화된 세포 형태로 분화하기도 한다. 가역적인  분화는 손상된 몸의  일부를 대체하기 위해 일어나는 현상인 재생에서도 볼 수 있다. 예를 들어 도롱뇽이 다리를 잃게 되면 남아있는 다리부분의 어떤 세포가 탈분화하고 분열을 거쳐 새로운 다리로 대 분화한다. 많은 동물들이 없어진 몸의 일부를 재생할 수 있으며, 일부에서는 분리된 분화 세포를 탈분화 시킨 후 하나의 완전한 개체를 만들기도 한다. 


-분화된 세포는 특수한 유전자만   발현한다. 

진핵세포들은 특정 유전자만을 발현시킴으로서 특성화된다. 박테리아가 필요에 따라 다른 효소를 생산해 내는 것처럼 다세포 생물의 세포 분화는 유전자가 선별적으로 발현하는 것에 따른 결과이다.
우리 눈의 수정체를 형성하는 수정체 단백질인 크리스탈과 인슐린 그리고 산소운반 단백질인 헤모글로빈 등이 특성화된 단백질이다. 헤로글로빈 유전자는 오직 적혈구로 발달될 세포에서만 발현된다. 인슐린 유전자는 이 호르몬을 생산하는 췌장세포에서만 발현된다. 신경세포도 다른 특성화된 단백질을 암호화하고 있는 유전자를 발현한다. 성숙한 수정체 세포도 적혈구 세포와 마찬가지로 최종 분화단계에 도달하게 되는데, 크리스탈린 유전자를 발현시켜 단백질을 축적한 후에 이 세포들은 핵을 소실하고 따라서 모든 유전자를 소실하게 된다. 


- 진핵생물의 염색체에서 DNA 포장은 유전자 발현에 영향을   미친다. 

각 염색체 안에 있는 DNA가 핵 속에 들어갈 수 있게 된다. DNA 포장에 있어 중요한 형태는 히스톤(histones)이라고 하는조그만 단백질과 DNA 가 결합하는 것이며, 히스톤은 진핵생물에서만 발견된다. 이중나선 구조는 2 nm의 지름을 가지며 이것은 포장에 의해 변하지 않는다. 전자현미경 그림으로 보면 DNA-히스톤 복합체가 실에 꿰어진 구슬처럼 보인다. 각각의 "구슬"을 뉴클레오솜(nucleosome)이라 하며 8개의 히스톤 분자로 된 단백질 중심부 주위를 DNA가 감고 있다. 뉴클레오솜은 세포내의 전사효소가 DNA에 접근하는 것을 제한함으로서 유전자 발현을 조절한다. 대부분의 뉴클레오솜은 히스톤 외의 다른 염색체 단백질을 1000개 정도 갖고 있으며 이들은 많은 경우 유전자 조절에 관여한다. 다음 단계의 DNA 포장으로 구슬에 꿰어진 실은 단단한 나선형 섬유로 포장되고  이 섬유 코일은 약 200nm의 지름을 갖는 더 두꺼운 슈퍼코일(supercoil)로 압축되게 된다. 몇 가지 예를 제외하고 DNA 포장이 유전자 발현에 어떤 영향을 미치는지 대체로 잘 알려져 있지 않다. DNA 포장이 유전자 발현에 영향을 미치는 예 중 하난는 암컷 포유류에서 X-염색체 불활성화(Z-chromosome inactivation)이다. 이 경우 각 체세포들은 매우 치밀하게 압축된 X염색체를 가지며 이 X염색체 내에 존재하는 대부분의 유전자들은 불활성화 되어 있다. 이것은 배발생 시에 일어나며, 각 세포에 있는 두 개의 X염색체 중 하나가 무작위 적으로 불활성화 된다. 불활성화는 세포분열 후 딸세포에서도 유지된다. 따라서 두 개의 X염색체에 있는 유전자가 이형접합체(heterozygote)인 여성의 경우 어느 한 쪽의 서로 다른 X염색체 상에 존재하는  대립유전자들(X-linked alleles)만 발현되는 두 개의 다른 세포집단을 갖게 된다. 


-단백질의 복합체가 진핵생물의   전사를 조절한다.

다양한 진핵생물의 세포를 연구하면서 생물학자들은 원핵생물에서처럼 진핵생물에서도 조절 단백질이 DNA에 붙어서 유전자의 전사를 끄고 한다는 것을 발견하였다. 진핵생물의 조절 기작에도 원핵생물의 억제자나 활성자처럼 DNA의 특정 부위와 결합하는 단백질이 관여한다. 그라나 진핵생물의 기작은 원핵생물보다 더 복잡하다. 
박테리아 오페론 유전자와는 달리 개개의 진핵 유전자는 대부분 그 자체의 발현 조절 염기서열 세트를 갖고 있다. 또한 진핵생물에서는 활성자 단백질이 억제자보다 더 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 진핵 유전자의 발현에는 RNA 중합효소외에 전사인자(transcription factor)라고 하는 조절단백질들이 관여하는데, 이 중 한가지 유형이 활성자이다. 유전자의 전사를 시작하는 첫 번째 단계는  활성자가 유전자로부터 멀리 떨어져 있는 엔헨서(enhancer)라고 하는 DNA 서열과 결합하는 것이다. 그러면 DNA는 휘어지고 활성자는 다른 전사인자와 작용하여 복합체를 이루어 프로모터와 붙게 된다. 이 커다란 단백질 조합체는 RNA 중합효소를 프로모터와 정확히 결합하게 하여 전사가 시작되도록 촉진한다. 요약하면, 진핵생물과 원핵생물은 근본적으로 유사한 방법으로 전사를 조절한다. 둘 다 DNA와 결합하는 조절단백질을 이용한다. 그러나원핵생물에 비해 진핵생물에서는 훨씬 더 많은 조절단백질들이 관여하고, 이들 단백질들간의 상호작용은 매우 복잡하다



- 진핵생물 RNA는 비암호화 부위를 제거하고 cap과 tail을 붙이는 과정을 거친다.생물학자들은  RNA splicing이 다음의 두 가지의 방법에 의해 일어났음을 밝혔는데, 한가지는 RNA splicing 과정이 주로 단백질과 작은 RNA 분자들로 이루어진 복합체에 의해 촉진된다는 것이며 다른 한가지는 단백질과 다른 RNA 분자 없이도 완전하게 일어난다는 것이다.


-유전자 발현은 해독과정과 단계에서 조절된다

해독 과정 중에도 유전자 발현이 조절 될 수 있다. 해독에 관여하는 분자들 중 조절기능을 갖고 있는 단백질들이 많이 있다. 예를 들어 적혈구 세포는 헤모글로빈의 기능에 필수적인 철 함유 화합물인 헴(heme)이 세포내에 존재하지 않을 때 헤모글로빈 mRNA의 해독을 방해하는 억제 단백질을 갖고 있다. 억제인자(inhibitor)에 헴이 붙으면 억제인자가 불활성화 되고 헤모글로빈 유전자가 해독된다. 만들어진 폴리펩티드들은 헴 그룹과 붙어서 헤로글로빈 분자가 된다. 유전자 발현 조절을 위한 마지막 기회는 해독 후에 있다. 진핵생물에서는 해독 이후 종종 폴리펩티드를 절단하여 작고 활성이 있는 최종 산물로 만드는데 이것이 여기에 속한다. 인슐린 호르몬의 경우 처음에는 하나의 긴 폴리펩티드로 만들어지며 호르몬으로서의 활성은 갖지 못한다. 중간에 있는 큰 부분이 잘려 나가서 두 개의 짧은 폴리펩티드가 생기며 이들은 황 원자끼리의 화확결합에 의해 함께 연결된다. 마침내 두 개의 짧은 폴리펩티드가 조합을 이루어 활성화된 인슐린이 된다.



주요 발생의 관련된 유전자의 연구는 오래전부터 시작되었다

신호를 전달하는 세포로부터 신호를 전달받는 표적세포로 단백질이나 어떤 다른 종류의 물질을 전달하는 세포간 전달은 발생에서 가장 중요한 기작이다. 대부분의 경우 신호물질은 표적세포의 원형질막에 존재하는 수용체 단백질과 결합하여 세포가 신호전달을 시작하도록 한다. 신호전달경로(signal transduction pathway)란 표적세포 표면에 있는 신호를 세포내부에서 전달받아 이 신호에 특이적인 반응을 하도록 전환하는 일련의 물질 변화이다.
초파리에서 호메오 유전자들을 연구하던 과학자들은 그들이 연구하던 모든 호메오 유전자에서 180핵산체로 이루어진 염기서열이 공통적으로 존재하고 있다는 사실을 발견하였다. 그 후 매우 유사한 염기서열들이 효모, 식물, 지러이, 개구리, 닭, 쥐, 사람을 포함하여 지금까지 연구된 거의 모든 진핵생물에서 발견되었다. 이들 염기서열을 호메오박스(homeobox)라하며 이것은 호메오 유전자의 단백질 내에 60개의 아미노산으로 이루어진 작은 부분을 이루고 있다. 호메오박스의 폴리펩티드 부분은 특정의 DNA 염기서열과 결합하여 호메오 단백질이 발달 중에 있는 유전자 집단을 켜거나 끌 수 있다.

동식물이 갖고 있는 유전자들은 내부에 긴 비암호 부위를 포함하고 있고, 이것을 인트론(intron)이라고 한다. 코딩 부위 즉 암호화되어 있는 부위는 엑손(exon)이라 하며 유전자가 발현되는 부분이다. Exon과 intron은 모두 DNA로부터 RNA로전사된다. 그러나 RNA가 핵을 떠나기 전에 intron은 제거되고, exon끼리 연결되어 연속적으로 암호화된 서열을 갖는 mRNA 분자를 만든다. 이 과정을 RNA 스플라이싱(RNA splieing)이라 하며 진핵생물 세포가 rRNA와 ribosome RNA 그리고mRNA를 만들 때 사용한다.