【분자생물학】 2020년 제57회 변리사 2차 국가자격시험

2020년 제57회 변리사 2차 국가자격시험^]

 

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a. 중심학설

b. DNA 테크놀로지

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문제 1. 진핵세포에서 전사된 mRNA는 5'-cap 형성, 3'-poly(A) 꼬리 합성, splicing과 같은 3가지 구조적 변화를 거쳐 성숙되며 이들은 유전자 발현의 다음 단계인 번역에 중요한 영향을 미친다. 다음 물음에 답하시오. ^]

 

⑴ 1-1. 5'-cap이 진핵세포 번역에 미치는 영향과 번역 기작에 관여하는 과정을 설명하시오.

○ 5'-cap은 mRNA의 핵공 탈출을 도와주고 mRNA를 뉴클레아제로부터 보호해주어 더 많은 전사체가 번역되도록 한다. 하지만 가장 중요한 기능은 단백질 합성기구에 의해 인지되는 자리라는 점이다. 진핵세포의 번역은 mRNA의 5'-cap 말단에 리보솜 소단위체(18S rRNA)가 결합하면서 시작한다. 그 뒤 리보솜 소단위체의 P자리에 개시 코돈이 위치할 때까지 리보솜 소단위체가 이동한다. 개시 코돈 전에 코작 서열이라는 공통 서열이 이와 관련된 것으로 여겨진다. 그 뒤 개시인자들과 대단위체가 결합하여 번역 개시 복합체를 형성한다. 

 

⑵ 1-2. 3'-poly(A) 꼬리가 진핵세포 번역에 미치는 영향과 번역 기작에 관여하는 과정을 설명하시오,

○ 3'-poly(A) 꼬리는 mRNA가 핵에서 세포질로 이동하는 것을 도와주고 mRNA의 안정성을 증가시켜 더 많은 전사체가 번역되도록 한다.

 

⑶ 1-3. splicing이 진핵세포의 번역에 미치는 영향과 생물학적 중요성에 관하여 설명하시오.

○ splicing은 스플라이소좀이 초기 mRNA 전사체 내 엑손 부위만 연결하여 새로운 mRNA 전사체를 만드는 과정을 말한다. 선택적 스플라이싱 또는 엑손 셔플링으로 다양한 조합의 전사체가 생성될 수 있다. 엑손 부위 조합에 따라 다양한 mRNA 전사체가 생성되고 이로써 다양한 단백질이 번역될 수 있으므로 모든 체세포가 동일한 유전자를 가지지만 유전적 다양성을 보이는 이유를 설명할 수 있다.

 

 

문제 2. 스테로이드 호르몬인 에스트로겐(estrogen)은 표적 세포에서 수용체(receptor)와 결합하여 활성을 나타낸다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 2-1. 혈액에 있던 에스트로겐이 표적 세포의 유전자 발현을 조절하는 기작을 설명하시오.

 

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Figure. 1. 에스트로젠의 추정 메커니즘^]

 

○ 에스트로겐은 유전적 경로와 비유전적 경로로 표적 세포에 작용할 수 있다. 유전적 경로에 따르면, 에스트로겐은 에스트로겐 수용체(estrogen receptors; ERs)와 결합하여 이량체를 형성한 뒤 확산을 통해 핵 내로 이동한다. 그 뒤 EREs(estrogen response elements)와 AP-1(activator protein 1)에 작용하여 전사를 활성화시킨다. 대개 에스트로겐을 비롯한 소수성 호르몬은 확산과 핵 내 전사 증가가 일반적인 패턴이다. 한편, 비유전적 경로에 따르면, 에스트로겐이 세포질 내 ERs 또는 세포막 상의 G 단백질 결합 수용체 GPR30과 결합한 뒤 2차 전령 시스템을 작동시킨다. 2차 전령 시스템은 MAPK(mitogen-activated protein kinase), cAMP(cyclic adenosine 3',5'-monophosphate) 경로를 활성화시켜서 전사를 증가시키거나 다른 경로를 활성화시킨다.

 

⑵ 2-2. 에스트로겐 수용체의 구조적 특징을 도메인(domain) 별로 기술하고, 각 도메인이 유전자 발현에 어떻게 관여하는지 설명하시오.

 

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Figure. 2. 에스트로겐 수용체의 도메인 구분^]

 

○ 에스트로겐 수용체는 ERα와 ERβ로 나뉜다. AF는 활성인자(activation factor)를 의미하고 DBD는 DNA 결합 자리(DNA-binding domain)을 의미한다. D는 heat shock proteins binding domain으로 번역 후 단백질 가공에 관여한다. 마지막으로 F는 C 말단 도메인으로 -COOH로 끝나기 때문에 C 말단이라고 한다.

 

 

문제 3. 사람 면역결핍 바이러스(human immunodeficiency virus; HIV)는 사람에게 후천성 면역결핍증(acquired immunodeficiency syndrome; AIDS)을 일으키는 레트로바이러스(retrovirus)이다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 3-1. HIV에 감염된 숙주세포에서 바이러스가 증식되는 과정을 설명하시오.

○ 우선 HIV 바이러스 외피에 있는 당단백질 gp 120과 gp 41이 각각 보조 T세포의 CD4 및 CCR5와 결합한다. 그 뒤 HIV 바이러스의 외피가 원형질막과 융합하여 세포 내로 침투하고 효소에 의하여 캡시드가 제거된다. RNA-dependent DNA polymerase, RNAaseH, DNA-dependent DNA polymerase가 작용하여 ssRNA → ss cDNA → ds cDNA가 된다. ds cDNA는 프로바이러스가 되어 핵에서 잠복한다. 그 뒤 RNA가 전사되어 캡시드와 핵산이 번역되고 바이러스가 원형질막으로 둘러싸여 빠져 나간다.

 

⑵ 3-2. HIV 유전체의 변이율(mutation rate)은 숙주세포 유전체의 변이율에 비하여 매우 높다. 그 이유를 설명하시오.

○ HIV의 변이율은 replication cycle당 0.34번 돌연변이가 일어나는 수준이다. (ref) 이는 역전사효소가 RNA에서 DNA를 생성할 때 완벽하게 역전사하지 못하기 때문으로, 주로 CCR5에서 돌연변이가 일어난다.

 

⑶ 3-3. HIV 역전사효소의 작용과 진핵세포 말단소체중합효소(telomerase)의 작용을 비교하여 공통점과 차이점을 설명하시오.

○ HIV 역전사 효소는 자신의 RNA 유전체를 DNA로 전사하는 데 사용하고, 텔로머레이즈는 진핵세포에서 딸 사슬 5' 말단에 있는 RNA 프라이머 부분이 복제되지 못해 생기는 DNA의 짧아짐으로부터 보호하는 역할을 한다.  HIV 역전사효소와 텔로머레이즈는 둘다 RNA를 주형으로 DNA를 생성시킨다는 점에서 공통점이 있다. 그러나 HIV 역전사효소는 분자 자체에 RNA 주형을 포함하지 않지만, 텔로머레이즈는 분자 내 짧은 RNA 절편을 포함하고 있다.

 

 

문제 4. DNA 구조에 관한 다음의 물음에 답하시오.

 

⑴ 4-1. Watson과 Crick은 Chargaff의 base ratio에 관한 규칙과 Franklin의 X-ray 사진에서 힌트를 얻어 model building의 방법으로 DNA 구조를 규명하였다. Watson과 Crick이 제안한 B-form DNA의 구조적 특징을 서술하시오.

○ 나선모양 : 오른나선

○ 직경 : 2.55 nm

○ 1회전 당 염기쌍 : 10 bp

○ 염기쌍 간격 : 0.34 nm

○ 나선축에 대한 염기 경사 : 6°

 

⑵ 4-2. B-form DNA의 구조는 결정화되지 않은 DNA fiber로부터 얻은 평균값으로 도출된 모델이다. 그러나 실제로 결정화된 oligonucleotide 연구에서는 염기의 구성에 따라 B-form 구조와 다른 3가지 변이가 관찰되었다. Watson과 Crick의 B-form DNA 모델과 다른 점은 무엇인가 설명하시오.

 

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Figure. 3. DNA의 여러 가지 형태^]

 

○ DNA는 크게 A형, B형, Z형, G형, I형이 있다.

 

Table. 1. 주요 DNA의 형태별 비교

 

⑶ 4-3. oligonucleotide로 DNA를 합성한 또다른 시험관 내 실험에서 B-form과 전혀 다른 형태의 Z-form DNA가 발견되었다. 시험관 내에서 Z-form DNA가 형성되기 위한 조건을 쓰고, 이와 같이 특이한 형태의 Z-form DNA가 생체 내에 실제로 존재함은 어떻게 증명되었는지 기술하고, Z-form DNA의 생체 내 기능은 무엇이라고 예측되는지 설명하시오.

○ Z-form DNA는 G≡C 비율이 높은 oligonucleotide에서 형성된다. 1979년 MIT 연구팀이 X-ray 결정학으로 왼나선 oligonucleotide를 발견한 결과 최초로 Z-form DNA의 존재가 입증되었다. 주홈과 부홈의 구조가 잘 발달돼 있지 않으므로 동원체, 발현되지 않는 프로모터에서 Z-form DNA가 형성되어 유전자 발현을 억제한다. 

 

입력: 2021.01.01 10:57