【분자생물학】 2026년 제63회 변리사 2차 국가자격시험

2026년 제63회 변리사 2차 국가자격시험

 

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a. 중심학설

b. DNA 테크놀로지 

c. 게놈 프로젝트와 시퀀싱 기술 

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문제 1. 유전정보는 DNA 염기서열의 형태로 암호화되어 있다. 염기서열분석 방법 중에는 생어 방법(Sanger sequencing)과 차세대 염기서열 분석법(next generation sequencing, NGS)의 일종인 일루미나 방법(Illumina sequencing)이 있다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 1-1. 일루미나 방법에서 염기서열 정보를 얻는 방법을 설명하시오.

 

 

① 1^st. 절편화 : 주어진 DNA 시료를 랜덤하게 자름

② 2^nd. gel-based size selection : 필요한 경우 각 DNA fragment의 사이즈를 한정할 수 있음 

③ 3^rd. adaptor binding : 모든 DNA 시료 절편의 양 말단에 어댑터를 붙임. transposome을 이용 

④ 4^th. amplification

⑤ 5^th. unwanted priming을 방지하기 위해 forward strand만 남김 

⑥ 6^th. sequencing by synthesis (SBS)

○ 6^th - 1^st. 염기 종류에 따른 4종류의 labled reversable terminator, 프라이머, DNA 중합효소를 첨가

○ 6^th - 2^nd. labled reversable terminator 뉴클레오티드가 이인산에스테르 결합을 형성하면 형광이 발생

○ 6^th - 3^rd. 각 클러스터의 형광 색깔 분포를 사진으로 획득

○ 6^th - 4^th. washing

○ 6^th - 5^th. 위 4개의 과정을 반복하여 전체 염기서열을 결정 

○ 종류 1. single-end 시퀀싱 (SES) : 어댑터의 한쪽만으로 시퀀싱을 하는 방식  

○ 종류 2. paired-end 시퀀싱 (PES) : 어댑터의 양쪽으로 시퀀싱을 하는 방식

○ 우선 한 어댑터를 통해 시퀀싱을 하고 (Read1 획득), 그 뒤 반대쪽 어댑터를 통해 시퀀싱을 함 (Read2 획득)

○ 한 DNA fragment에서 나오는 Read1과 Read2는 동일한 클러스터에서 나오므로 쉽게 둘을 대응시킬 수 있음

○ 장점 : 더 높은 정확성 (∵ Read1, Read2 상호 간 비교), DNA 변이 도출 용이, 반복서열 분석 용이, 이종 간 맵핑 용이

○ 단점 : 더 비싼 가격, SES보다 스텝이 더 많이 필요함 

⑦ ~100 bp / read : 최근에는 250 bp

 

⑵ 1-2. 생어 방법과 일루미나 방법은 서열 정보를 얻기 위한 DNA 합성과는 별개로 충분한 신호를 얻기 위한 DNA 증폭이 필요하다. 두 방법의 DNA 증폭은 어떤 점에서 차이가 있는지 설명하시오.

 

① 생어 방법

○ 과정 

○ 1^st. 주형 DNA와 중합효소 첨가

○ 2^nd. 중합반응 후 가열하여 복제 가닥 분리

○ 3^rd. 전기영동 후 X선 필름에서 서열 판독 하거나 형광 조사

○ 생어 시퀀싱 반응 자체에 PCR처럼 DNA 양이 기하급수적으로 증가하는 증폭 기전이 포함되는 것은 아님 (핵심 차이)

○ 기전 1. 동일한 주형 DNA가 여러 분자 존재함

○ 기전 2. 표지 물질로 민감도를 높임

○ 기전 3. 반응을 여러 번 반복하는 cycle sequencing : 지수적 증폭이 아닌 선형 증폭

○ 기전 4. PCR, 플라스미드 등으로 원하는 DNA 구간을 증폭하기도 하지만, 진정한 의미의 전 구간 증폭은 아님

② 일루미나 방법 : anchored single-stranded cluster를 몇백만 cluster로 증폭시킴 

 

 

○ 4^th - 1^st. DNA를 single-strand로 변성

○ 4^th - 2^nd. single-stranded DNA를 illumina flow cell에 부착

○ 4^th - 3^rd. 효소를 첨가하여 solid-phase substrate 상에서 single-stranded DNA가 bridge가 되도록 함

○ 4^th - 4^th. single-stranded DNA bridge에 프라이머를 첨가하면 프라이머가 그 bridge에 결합할 수 있음

○ 4^th - 5^th. unlabeld single-stranded DNA를 첨가한 뒤 DNA 중합반응 유발 : double-stranded DNA bridge가 됨

○ 4^th - 6^th. denaturing을 통해 double-stranded DNA bridge가 anchored single-stranded DNA가 되도록 함

○ 4^th - 7^th. 위 6개의 과정을 반복하여 동일한 염기서열을 가지는 anchored single-stranded cluster를 생성

 

⑶ 1-3. 전통적인 생어 방법은 방사능 표지 물질을 사용하였다. 방사능 표지 물질 대신 형광 물질을 이용할 경우의 장점을 설명하시오.

 

 

○ 장점 1. 방사능 표지의 경우 X선 필름에서 서열 판독 과정이 필요한 반면 형광 물질은 마이크로플레이트 리더기 등 간편하게 신호 측정

○ 장점 2. 방사능의 경우 반감기가 있으나 형광 물질은 비교적 지속 시간이 긺 (단, 시간이 지나면 형광 물질이 분해되며 형광 감소)

○ 장점 3. 방사능보다 형광이 훨씬 신호 감도가 좋음

○ 장점 4. 방사능의 경우 DNA를 파괴할 수 있음. 가시광선의 형광 파장은 DNA의 흡수 파장(260 nm)과 달라 DNA가 파괴되지 않음

○ 장점 5. 방사능과 달리 안전 장비 없이 형광을 측정할 수 있음

○ 장점 6. DNA의 단일가닥, 이중가닥도 형광 세기가 다르고, 형광 간섭 등도 필요하다면 충분히 분석에 활용할 수 있음

 

 

문제 2. 유전자 발현 분석 방법을 ⟨보기⟩에 나열하였다. 다음 물음에 답하시오.

 

 

⑴ 2-1. 단일 유전자의 발현 양상이 아닌 전체 전사체(transcriptome)의 발현 양상을 분석할 수 있는 대표적인 방법 두 가지를 ⟨보기⟩에서 골라 설명하시오.

 

① DNA 미세배열(DNA microarray)

○ 1^st. 유리 슬라이드에 인간 유전자 cDNA 라이브러리를 점적하여 cDNA 칩을 제작

○ 2^nd. cDNA 칩에 1% BSA 용액을 처리. BSA는 칩과 DNA의 비특이적 결합을 방지하여 오직 상보적인 DNA만 결합하도록 함

○ 3^rd. 정상 조직, 비정상 조직(예 : 암)으로부터 mRNA X와 Y를 각각 준비

○ 4^th. X와 Y에 각각 oligo-dT를 첨가. oligo-dT는 X와 Y에 있는 poly A 서열에 상보적으로 결합

○ 5^th. RT-PCR : X에는 dNTP와 cy3(녹색 형광물질)-dTTP, Y에는 dNTP와 cy5(적색 형광물질)-dTTP를 각각 첨가한 후 역전사 반응을 수행하여 형광 표지된 cDNA 생성

○ 6^th. X와 Y에 각각 0.1 N NaOH를 넣어 70 ℃에서 10분간 반응시킨 후 0.1 N HCl을 넣어 중화. 주형 RNA 분해

○ 7^th. X와 Y에서 합성된 cDNA를 정제한 뒤 동량으로 섞어 cDNA 칩과 혼성화

○ 8^th. cDNA 칩을 완충용액으로 세척

○ 9^th. 스캐닝(scanning) : cy3, cy5의 형광 강도를 측정하고 보정

○ 검정 : X와 Y가 둘 다 발현하지 않음

○ 초록 : X만 발현

○ 빨강 : Y만 발현

○ 노랑 : X와 Y 모두 발현

 

출처: PEET 2022년 생물학

 

② RNA 시퀀싱(RNA-seq)

○ 1^st. microdissection : RNA 추출을 위해 특정 조직을 분리하는 것

○ 2^nd. RNA의 poly A 꼬리를 인식하는 poly T를 결합시킴

○ 3^rd. RNA를 절편화 : 200-400 nt

○ 4^th. RNA에 프라이머 부착

○ 5^th. 첫 번째 cDNA 합성 

○ 6^th. 두 번째 cDNA 합성 

○ 7^th. RNA의 3'과 5' 말단에 가공

○ 8^th. DNA sequencing adapters ligated

○ 9^th. ligated 절편을 PCR로 증폭

○ short-read 시퀀싱은 대부분 일루미나 시퀀싱을 쓰고, long-read 시퀀싱은 주로 PacBio, Oxford Nanopore를 사용 

 

⑵ 2-2. 형광 제자리 혼성화법은 ⟨보기⟩의 다른 방법으로는 분석하기 어려운 정보를 제공한다. 그것이 무엇인지 설명하시오.

 

○ FISH는 특정 염기서열에 상보적인 형광성 탐침으로 혼성화한 뒤 형광현미경으로 관찰하는 것을 말한다. 다음 이미지는 필자가 실제로 얻은 FISH 결과이다. 상보적인 DNA/RNA만 집어 넣으면 결과를 얻을 수 있어서 실험이 쉬운 편이다. ⟨보기⟩의 다른 방법과 달리 공간적 정보를 얻을 수 있어서, 핵산이 언제 어느 세포 소기관에 존재하는지 그리고 다른 표지물질과 가깝게 위치하는지 등에 관한 정보를 제공한다. 예를 들어, 핵산이 예상된 위치에 존재하지 않는다면, 아무리 핵산의 양이 많아도 예상한 표현형이 발현되지 않을 수 있다.

 

출처: 이미지 클릭

 

⑶ 2-3. 선택적 이어맞춤(alternative splicing)에 의해 길이가 서로 다른 전사체가 조직에 따라 다양하게 만들어지는 유전자 X가 있다. 조직 A에서 유전자 X의 선택적 이어맞춤 양상을 분석하기 위해 노던 블롯 방법을 사용하고자 한다. 노던 블롯 방법으로 어떻게 선택적 이어맞춤 양상 분석이 가능한지 그 원리에 기초해서 설명하시오.

 

○ 노던 블롯 방법은 기본적으로 RNA에 대한 핵산 탐침 혼성화

○ 노던 블롯 방법에서는 올리고 dT를 이용하는 친화성 크로마토그래피로 추출물에서 mRNA를 효과적으로 분리

○ 노던 블롯 방법은 DNA가 아닌 RNA를 이용하므로 제한효소 사용할 수 없음

○ 노던 블롯 방법은 RNA를 안정화시키기 위해 염기성 용액이 아닌 염 용액을 사용

○ 노던 블롯 방법은 cDNA 탐침을 사용

○ 이때 어떤 탐침을 사용하는지가 문제가 될 수 있는데 각 exon을 탐침으로 사용하여 이를 역산하여 isoform의 빈도를 계산하거나, inter-exon junction을 탐침으로 사용하여 이를 역산하여 isoform의 빈도를 계산한다. 실무적으로는 후자를 사용하며, 실제로 필자도 이를 수행한 경험이 있다.

○ 예를 들어, HLA-G 전사체의 isoform은 다음과 같이 구성된다.

 

출처: 이미지 클릭

 

○ 참고로, RNA-seq 자체로도 RSEM, Salmon 등의 알고리즘과 결합하면 isoform을 분석할 수 있음

 

 

문제 3. 번역(translation)은 RNA를 이용하여 단백질을 합성하는 과정이다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 3-1. 리보솜(ribosome)이 개시코돈(start codon)을 찾는 방법을 원핵생물과 진핵생물에서 각각 설명하시오.

 

① 원핵생물 : Shine-Dalgarno (SD) 서열에 30S 소단위체(16S rRNA + 단백질)가 결합한 후 mRNA의 AUG가 나올 때까지 이동

② 진핵생물 : mRNA의 5‘-cap 말단에 리보솜 소단위체가 결합한 뒤 개시코돈까지 이동하며, 개시코돈 바로 전에 코작 서열(Kozak sequence)이라는 공통 서열 존재

 

⑵ 3-2. 번역의 신장(elongation) 과정에서 신장인자(elongation factor)가 작용한다. 세 개의 신장인자(EF-Tu, EF-Ts, EF-G)의 기능을 포함하여 신장(elongation) 과정을 설명하시오.

 

○ 1^st. 코돈 인식 : 상보적인 tRNA가 A site의 코돈 인식, 2 GTP 필요, EF-Tu와 EF-Ts 관여

○ 2^nd. 펩티드 결합 형성 : P site의 펩티드 말단의 카르복실기가 A site 아미노산의 아미노기와 펩티드결합 형성

○ 아미노기의 질소가 카르복실기의 카르보닐 탄소를 친핵체 공격함

○ 대단위체의 펩티드 전이효소활성에 의해 이루어짐

○ 아미노산 합성방향 : N → C

○ 3^rd. 펩티드 결합 형성 과정으로 P site의 아미노산 사슬이 전부 A site의 tRNA에 매달리게 됨

○ 4^th. translocation : 리보솜이 다음 코돈으로 이동 (P자리 → E 자리 방출, A자리 → P 자리). 1 GTP 필요. EF-G 관여

 

⑶ 3-3. 진핵생물에서 mRNA의 폴리-A(poly-A) 꼬리가 번역의 효율성을 높이는 방법을 설명하시오.

 

○ poly A 꼬리는 mRNA가 핵에서 세포질로 이동하는 것을 도와주고 mRNA의 안정성을 증가시킴

 

⑷ 3-4. 원핵생물의 리보솜 단백질이 자신의 합성 과정에서 번역 억제자로 작용하는 방법을 설명하시오.

 

○ 원핵생물의 일부 리보솜 단백질은 자신의 유전자가 포함된 오페론의 mRNA에 직접 결합하여 번역을 억제하는 음성 되먹임 조절자로 작용

○ 다음은 대장균에서 TPP 리보스위치(riboswitch)에 의한 thiMD 유전자 발현 조절 원리로, TPP 대신 리보솜으로 갈음하면 이 답안이 됨

 

출처: 2024 MDEET 생물학

 

○ TPP 리보스위치는 리보솜의 RBS 결합을 방해하므로 번역 개시 조절

○ TPP가 있을 때 thiMD 유전자의 발현이 억제됨 

○ thiMD 유전자가 TPP 합성에 관여하므로 리보스위치는 자동으로 TPP 합성량을 조절

 

 

문제 4. DNA 복제는 세포분열 후에 각 세포가 필요한 유전정보를 가지도록 DNA를 합성한다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 4-1. 원핵생물에서 염색체 복제를 통해 생성한 딸 DNA 분자가 사슬처럼 서로 연결되어 있어서 세포분열이 불가능한 상태이다. 이를 해결하는 방법을 설명하시오.

 

○ DNA 카테네인(catenane) 상태

 

출처: 이미지 클릭

 

○ 초나선처럼 DNA 회전효소 Ⅱ가 관여함

○ 특히 E.coli의 DNA 회전효소 Ⅳ가 catenane을 푸는 데 특화된 효소

○ 이들 회전효소는 DNA 이중가닥 구간을 잡아 상보적인 두 가닥을 동시에 끊은 후, 그 틈으로 다른 DNA 이중가닥을 통과시키고 다시 연결

 

⑵ 4-2. DNA 복제 과정에서 DNA 나선풀림효소(DNA helicase)와 활주 DNA 클램프(sliding DNA clamp)의 작용 부위 및 기능을 각각 설명하시오.

 

① DNA 나선풀림효소(DNA helicase) 

○ 두 상보적 가닥의 수소결합을 풀어줌

○ 원핵생물 − DnaB

○ DnaA 혹은 ORC가 생성한 복제기포가 있어야 DNA에 결합

○ 일반적으로 DNA 복제 분기점에서 지연가닥의 주형에 결합. 5' → 3'으로 이동 (반례 존재)

○ ATP 사용. 복제기포의 최소 ssDNA 길이 : 16 뉴클레오티드 이상

○ 100 turns / sec = 6,000 rpm

○ 원핵생물 − PcrA

○ A1, A2, B1, B2 domain과 P-loop로 구성

○ 진핵생물 − MCM (minichromosome maintenance complex)

 

② 활주 DNA 클램프(sliding DNA clamp) : 2010년 기출 

 

출처: 이미지  클릭

 

○ 모가닥과 딸가닥이 잘 나열되도록 하여 DNA 중합효소가 실패 없이 DNA를 잘 합성하도록 함 : 정확성, 효율성 증대

○ 진핵생물 : 활주 클램프는 PCNA(proliferating cell nuclear antigen)가 관여. Ki-67 staining과 관련됨

○ 원핵생물 : 활주 클램프는 클램프 로더(clamp loader)에 의해 일시적으로 개방되어 닫힌 원형 구조의 대장균 DNA를 중앙통로에 삽입할 수 있으며, 이후 다시 닫혀 DNA 복제 과정에서 중합효소의 활동을 가능하게 함

 

⑶ 4-3. DNA의 합성을 위해 RNA 프라이머가 요구되며 이에 따라 염색체 복제에서 말단 복제 문제(end replication problem)가 발생한다. 이를 해결하려는 방법의 하나로 진핵생물은 염색체 말단에 말단소체(telomere)를 가지고 있다. 말단소체 이외에 생명체가 말단 복제 문제를 해결하기 위해 이용하는 2가지 방법을 설명하시오.

 

○ 방법 1. 환형 염색체 : 환형 DNA(예 : 미토콘드리아 DNA)는 말단 복제 문제가 없어 텔로머레이스가 필요하지 않다. 암세포 같이 복제 횟수가 과도해 말단 복제 문제가 불거지는 경우 텔로머레이즈도 있을 뿐만 아니라 선형 DNA를 환형 ecDNA로 전환시킨다. 

 

 

○ 방법 2. 말단 단백질을 프라이머로 이용 : 말단 복제 문제를 해결하기 위해 RNA 프라이머 대신 단백질을 프라이머로 사용하여 DNA의 가장 끝부분부터 복제. 아데노바이러스와 일부 박테리오파지의 선형 DNA에서 관찰됨 

 

⑷ 4-4. 말단소체의 과도한 신장(elongation)을 방지하기 위해 말단소체 중합효소(telomerase)의 활성을 억제하는 방법을 설명하시오.

 

○ 방법 1. siRNA → 텔로머레이즈를 구성하는 TERT, TERC 억제 

○ 방법 2. TERT 저해제  

○ 방법 3. 텔로머레이즈 복합체 형성 저해

○ 방법 4. 텔로머레이즈 접근 저해

○ 방법 5. 말단소체 DNA의 G-quadruplex 구조 안정화 → 텔로머레이즈가 DNA 말단을 주형으로 이용 못하게 함

 

입력: 2026.08.03 13:48