REPORT#12, 유전자 移替法을 論하라

☆ 1.유전자 [ gene ]

유전정보를 결정하는 구조단위를 말한다. 즉 형질(겉으로 나타내는 개체의 성질)을 지배하는 염색체상의 단위이다. 따라서 생물의 자기증식, 유전 등 생명활동을 맡고 있다. 멘델(Mendel)의 완두콩 실험이래 유전형질을 결정하는 인자의 존재가 밝혀져 재조합으로 분할되지 않는 복제능을 가지는 작용단위로 생각하여 왔다.

분자유전학의 발전과 더불어 유전자의 미세구조의 해석이 진보되어 물질적 실체가 화학적으로 추구되었다. 현재에는 유전자란 DNA 분자, 즉 DNA 분자상의 염기서열이라는 것으로 밝혀졌다. 일부 RNA를 유전자로서 가진 생물로는 담배모자이크바이러스(tobacco mosaic virus, TMV) 등의 식물바이러스(virus), 레트로바이러스(retrovirus) 등의 동물바이러스 등이 알려져 있다.

DNA의 염기서열은 각각의 유전자에 따라 특이적인 유전정보를 형성한다. 유전정보는 아미노산 서열을 결정함으로써 단백질의 구조를 결정한다. 대장균 등의 원핵생물에서는 유전자는 DNA분자로서 그대로 존재하고 있으나 진핵생물에서는 대부분이 크로마틴(chromatin)을 형성하며 염색체 유전자 혹은 핵 유전자라고 한다. 이것과 별개의 것으로 세포질 중에 있는 것도 있는데 이를 세포질 유전자 혹은 핵외 유전자라고도 한다.

원핵세포의 경우에는 세포질에 있는 작은 DNA를 플라스미드라고 부른다.

단백질합성의 제어 메커니즘에 관련하여 단백질분자의 구조(구성 아미노산의 배열, 단백질의 1차구조)를 결정하는 유전자를 단백질의 구조유전자라고 한다. 또한 구조유전자의 발현 조절 물질을 만드는 유전자를 조절유전자라고 부른다.

조절유전자에는 억제자(repressor) 등 조절물질을 만드는 것과 억제자(repressor)가 작용하는 부위인 작동유전자(operator), 그리고 RNA 중합효소가 작용하는 프로모터(promoter)가 포함되어 있다. 구조유전자는 DNA상의 한 장소에 연속된 염기서열로 생각하여 왔으나 진핵세포에서는 DNA상의 곳곳에 존재하는 분할된 염기서열이 있는 것으로 밝혀졌다

출전 : 식품과학기술대사전 한국식품과학회 저, 2008

☆ 2.유전자조작 [ gene manipulation ]

유전자의 여러 가지 기능을 분석하거나 특정 유전자를 작용시켜 단백질이나 펩티드를 발현시키기 위해서는 유전자를 특별한 효소로 절단해 연결하거나 또는 이렇게 하여 만든 재조합DNA를 세포에 넣어 증식시키지 않으면 안 된다. 이와 같이 인위적으로 유전자를 재조합하는 조작을 유전자조작이라고 한다.

유전자조작은 1970년 전후의 분자생물학의 연구성과에 의하여 가능하게 되었다. 1965년에 유전자를 세포 중에 넣기 위한 운반용 DNA인 플라스미드가 발견되었다. 1967년에는 유전자를 이어주는 효소인 리가아제(ligase)가 분리되었고 1970년대에는 DNA를 절단하는 제한효소가 발견되었다. 이러한 유전자조작의 도구가 갖추어진 무렵인 1972년에는 Stanford 대학에서 최초로 재조합DNA가 만들어졌다. 이어서 1973년에는 외래 DNA단편을 플라스미드에 결합하여 대장균에 도입할 수 있는 것이 확실해졌고 다시 1977년에는 DNA의 염기서열의 결정법이 개발되어 연구는 가속화되었다. 세포에 유전공학적인 처리를 행하여 유전적 성질을 변화시킨 세포를 얻기 위한 기술전반을 가리키며 유전자 그 자신의 구조나 기능의 해명이나 의학, 임상면, 산업면에 있어 유용한 세포의 제작 등이 그 목적이다.

오늘날 표준화되어 있는 유전자 조작의 개요는 다음과 같은 단계로 설명된다.

1) 유전자 DNA를 세포에서 분리하여 정제하여 이것에 적당한 제한효소를 작용시켜 특정한 유전자를 함유한 작은 단편을 만들어 분리한다. 목적의 유전자 DNA를 다량으로 얻기 어려울 때에는 세포에서 mRNA를 분리하여 여기에서 목적하는 유전자에 대응하는 mRNA에 상보적인 DNA(cDNA)를 만든다. 간단한 것이라면 유기화학적으로 합성할 수가 있다. 이와 같이 준비한 DNA 단편을 passenger DNA라고 부른다.

2) Passenger DNA에서 유래하는 세포와 동종 혹은 이종의 세포에서 그 세포질 중에 존재하여 자율적으로 증식하는 환상 2본쇄의 DNA를 분리 정제한다. 보통 플라스미드, 파지 DNA, 미토콘드리아(mitochondria) DNA 또는 어떤 종류의 바이러스 DNA 등이 사용되며 이것을 벡터라고 한다.

3) 벡터(vector) DNA의 한 곳을 제한효소로 절단하고 여기에 DNA 연결효소(ligase)를 작용시켜 passenger DNA를 결합시켜 재조합체(recombinant)를 만든다. 벡터를 절단할 때에는 그 자신의 자율적 증식에 필요한 부위를 파손시키지 않도록 제한효소를 선택하지 않으면 안 된다.

4) 원래의 벡터가 생존, 증식될 수 있는 세포 중에 재조합DNA(recombinant DNA)를 주입하여 세포의 증식과 함께 증폭시킨다.

5) 증폭된 재조합체를 추출, 정제하여 목적으로 하는 유전자 부위를 끊어내어 모으고 이것을 유전자구조의 해석 등의 실험에 공급한다. 이것을 DNA 클로닝이라고 한다. 또는 숙주세포 중에 발현시켜 목적으로 하는 유용 단백질을 얻는다. 숙주세포 중에서 형질이 발현되지 않는 경우에는 클로닝 된 유전자를 써서 다른 숙주-벡터계에 의하여 단백질합성을 행할 수 있다.

이상과 같은 방법에 따라서 지금까지 사람의 유전자들이 클로닝 되고 있으며 의학연구에 많은 지견을 주고 있다. 1970년대 말에는 사람의 생체 내에 미량 분비되는 생리활성이 높은 단백질을 미생물(대장균 등)에 의하여 대량 생산할 수 있게 되어 생체의약의 개발이 급속해졌다.

미국의 제넨테크(Genentech)회사를 시작으로 기술개발이 목적인 벤처기업이 태두 되었다. 제넨테크 회사에서는 1977년에 소마토스태틴(somatostatin), 1978년에는 인슐린(insulin), 1979년에는 성장호르몬, 1980년에는 α-인터페론(interferon)의 유전자조작에 의한 대장균을 이용하여 생산하는 데 성공하였다.이러한 유전자조작의 실용화시대를 맞 이하여 연구개발은 현재의 구조유전자에서 항생물질이나 아미노산의 생산을 위해 여러 개의 유전자 조작으로까지 발전하고 있다. 이미 아미노산의 대량생산에 유전자조작기술이 사용되기 시작하였으며 또 미생물이 생산한 물질을 세포 외로 분비시켜 정제를 용이하게 하는 기술도 가능해졌다. 또한 숙주로 이용되는 세포도 대장균, 고초균, 효모에서 1984년 무렵부터 동물세포가 적극적으로 사용되고 있다. 생체내의 활성물질 중에는 단백질에 당쇄가 결합하고 있고 안정성에 중요한 역할을 하는 경우도 많다. 미생물을 숙주로 한 것에서는 사람의 생체물질과 같은 당쇄가 만들어지지 않기 때문에 동물세포를 숙주로 이용하고자 하는 것이다.