8. 유전자 코드

유전자의 역할 


유전자가 DNA 분자 안의 특정한 염기 서열로 되어 있다는 것만으로는 만족스러운 설명이 되지 않는다. 염기가 실제로 무엇을 어떻게 하는가는 설명되지 않기 때문이다. 예를 들어 우리는 일반적으로 유전자를 푸른 눈 또는 갈색 눈을 나타내게 하는 것 정도로 알고 있다. 그러면 DNA의 염기 서열이 어떻게 그렇게 만드는 것일지 의문점을 가지게 될 것이다. 실마리를 구하기 위해서 영국의 의사 개로드 (Archibald Garrod)와 그의 환자의 예를 살펴 볼 수 있다. 

1902년에 개로드는 알캅톤뇨증 (alkaptonuria)이라는 질병을 관찰하였는데, 이 환자는 소변 내의 특정한 산에 의해 소변이 공기에 노출될 때 검게 변하는 증상을 보였다. 이 병은 어떤 가족의 경우 여러 세대에 걸쳐 내려 오는 것으로 알려져 있었기 땜누에 분명하게 유전되는 것이고 또 유전자에 의해 조절되는 것이었다. 정상인에게서는 소변을 검게 하는 그 특정한 산이 화학 반응으로 인해 신체 안에서 분해된다. 개로드는 논리적으로 이 환자에게는 필요한 반응을 일으키는 그 무언가가 결핍되어 있다고 결론지었다. 자세히 말하면 이 환자에게는 특정한 효소 (특정한 단백질로서 신체의 내부 온도에서 화학 반응이 빨리 일어나도록 하는 생물학적 촉매)가 결핍되어 있었다. 이 병이 유전성을 나타내므로 개로드는 유전자가 효소를 만드는 명령을 구성한다고 추론하였고 또 유전자가 다른 단백질을 만드는 것과도 관련이 있다고 추측하였다. 그의 추측은 옳은 것이었다. 그러나 40년이 지난 후에야 독창적인 실험에 의해 이 추론이 옳다는 것을 완전히 증명할 수 있게 되었다. 

자세하게 이 병에 대해서 설명해 보겠다. 알캅톤뇨증은 티로신 (tyrosine)의 분해에 결함이 생겨 알캅톤을 소변으로 배출시키는 대사장애 일환이라고 할 수 있다. 상염색체의 열성으로 유전되는 질병으로, 티로신의 분해에 결함이 생겨서 알캅톤 (alkapton)을 소변으로 배출시키는 열성 유전성 대사장애 질병인 것이다. 호모겐티신산 산화효소 (homogentisic acid oxidase)의 선천성 결손에 의해 나타난다. 효소의 이상에 의하여 축적된 호모겐티신산은 공기 중에서 쉽게 산화되어 흑색의 멜라닌 모양의 물질이 되기 때문에 결합조직에 침착하여 조직이 갈색으로 변하는 조직갈변증이 나타난다. 소변은 방치하면 흑색으로 변화하는데, 알칼리를 첨가하면 더욱 빨리 흑색으로 변하게 된다. 성인의 경우에는 조직갈변증, 골관절염 등이 나타나며, 순환기 증세로는 심장판막장애, 동맥류를 합병하는 경우가 많다. 또한 동맥경화증과 심장판막에서 석회침착이 일어나며 심근경색증에 의하여 사망하는 경우가 많다. 

1941년에 스탠퍼드 대학의 유전학자 비들 (George Beadle)과 데이텀 (Edward Tatum)이 유전자와 효소는 의심할 여지 없이 관련되어 있다는 것을 증명하여 획기적인 돌파구를 마련하였다. 그 변이주는 정상적인 곰팡이가 자라는 데 필요한 여러 필수 영양소(아미노산이나 비타민) 중 어느 한 가지를 만드는 능력이 결핍되어 있었는데 그 결핍은 결국 필수 영양소를 만드는 효소의 결핍 때문이었다. 배양접시의 영양분 조성을 여러 조합으로 바꾸어 변종들에게 정확히 어떤 효소가 결핍되어 있는지 알아보았다. 이렇게 확인된 여러 종류의 변종은 다시 그 염색체를 조사하여 염색체 상의 어떤 위치에서 그 변이 현상이 일어나는가를 알아내었다. 여러 변종의 효소 결핍은 염색체 상의 각기 다른 위치와 관계되어 있음을 알게 되었는데 이는 서로 다른 유전자가 각각의 효소에 연계되어 있음을 의미하는 것이었다. 이제, 유전자는 어떤 일을 하는가 하는 질문에 대답할 수 있을 것이다. 그 답은 “유전자는 여러 종류의 단백질을 만드는 명령이다”라고 할 수 있다. 푸른 눈과 갈색 눈, 그리고 양과 사람의 차이가 단지 유전자의 차이에서 올 수 있는 것이다.




유전자 코드 


DNA의 구조 중 중요한 것은 앞에서 살펴 본 것처럼 염기, 당, 인산의 세 분자가 결합된 하부 구조가 계속적으로 반복된다는 것이다. 이 하부 구조는 뉴클레오티드 (nucleotide)라고 불리며 DNA의 근본이 되는 요소이다. 앞에서 설명한 바와 같이 DNA에는 네 종류의 염기가 있으므로 네 종류의 뉴클레오티드가 있게 된다. 20종류의 아미노산과 수천 종류의 단백질을 어떻게 네 개의 뉴클레오티드만을 가지고 번역하는가 하는 의문이 들지도 모른다. 그러나 이것은 어려운 일이 아니며 단지 코드화의 문제일 뿐이다. 점과 줄만으로 된 모스 부호로 소설 “리어왕”의 내용을 알파벳으로 써내려가는 것을 생각해 보면 뉴클레오티드로 암호화하는 방법에 대한 힌트를 얻을 수 있을 것이다. 모스 부호에서 ...과 ---이 알파벳의 “S"와 ”O"를 나타내는 것처럼, 유전자의 코드도 세 개가 하나로 되어 있다. 즉, 세 개의 염기로 연결된 뉴클레오티드가 한 아미노산의 코드가 되는 것이다. 예를 들어 글라이신은 GGA의 순서를 가진 뉴클레오티드로 코드화되어 있다. 

[참고; 염색체를 생각해 보자. 각 염색체는 40퍼센트가 DNA로 되어 있는데 아주 긴 이중나선이 단백질로 구성된 중심체에 끊어지지 않은 채로 단단하게 감기고 말려 있다. 인간의 한 염색체에 있는 DNA에는 약 6억 개의 뉴클레오티드가 들어 있어 천문학적 수의 염기 서열을 가지고 있다. 한 염색체에서 DNA 가닥을 꺼내 쭉 펴놓으면 약 5센티미터의 길이가 된다. 또 인간의 한 세포에는 46개의 염색체가 있는데 여기에 들어 있는 모든 DNA의 길이를 합치면 2미터가 넘는다. 인체의 모든 세포를 생각해 보면 얼마나 많은 DNA가 들어 있는지 상상하기 힘들 것이다. 무려 지구에서 태양까지를 500회나 왕복할 수 있는 길이가 된다고 하니 정말로 짐 꾸리기의 전문가라고 할 수 있을 것이다.] 

이 세 개로 이루어진 뉴클레오티드 한 벌을 가리켜 코돈 (codon)이라고 부른다. 네 종류의 뉴클레오티드로 이 코돈을 만들 수 있는 64가지가 되므로 (4*4*4=64) 20종의 아미노산을 만들고도 충분히 남는다. (사실 대부분의 아미노산은 한 개 이상의 코돈으로 코돈화된다.) 

1967년에 코라나와 니런버그는 64개의 코돈이 각각 어떤 아미노산을 만드는가 하는 유전자 코드를 완전히 해독하였다. 그들의 연구에 의하여 코돈과 아미노산의 관계에 관한 해독표를 만들 수 있게 되었다. 이 코드는 모든 생물체에 동일하게 적용될 수 있는 것이다. 앞에서 유전자를 “단백질을 만드는 명령”이라고 했다. 이제 이를 좀더 자세하게 정의하면 “유전자는 고유한 뉴클레오티드 순서를 가진 DNA의 한 단편으로서, 아미노산을 조합하여 단백질을 만드는 정보를 코드화한 것”이라고 할 수 있다. 

[참고 ; 생명공학을 향한 발자취 (연도, 사건)] 
1665년 - 훅이 세포를 설명하고 명명하였다. 
1675년 - 레벤후크가 더 좋은 현미경을 개발하고 미생물, 박테리아, 정자세포를 발견하였다. 
1839년 - 슐라이덴과 슈반이 세포설을 발표하였다. 
1859년 - 다윈이 ‘종의 기원’을 발간하고 자연도태설을 확립하였다. 
1866년 - 멘델이 ‘식물의 잡종에 관한 연구’를 발간하고 유전의 원리에 관해 윤곽을 잡았다. 
1869년 - 미셔가 최초로 핵산의 화학 분석을 하였다. 
1902년 - 개로드가 유전자는 단백질을 만드는 명령을 구성한다고 가설하였다. 
1910년 - 모건이 유전자는 염색체에 있음을 확인하였다. 
1928년 - 그리피스가 형질 전환 인자 (유전 물질)를 발견하였다. 
1941년 - 비들과 테이텀이 하나의 유전자는 하나의 효소를 만들다고 하였다. 
1944년 - 에이버리와 그의 연구원은 그리피스의 형질 전환 인자가 DNA임을 증명하였다. 
1953년 - 왓슨과 크릭이 DNA의 이중나선 구조를 밝혔다. 
1967년 - 코라나와 니런버그가 유전자 코드를 풀어냈다