【분자생물학】 2017년 제54회 변리사 2차 국가자격시험

2017년 제54회 변리사 2차 국가자격시험^]

 

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a. 중심학설

b. DNA 테크놀로지 

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KGBA 님 제안사항 반영 (22.02.23)

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문제 1. 상동재조합(homologous recombination) 현상을 이용하여 생쥐에서 특정 유전자를 제거하고자 한다.

⑴ 1-1. 아래 그림은 유전자 적중(gene targeting)에 필요한 벡터(vector)의 일부이다. 아래 벡터를 이용하여 타겟 유전자에 특이적으로 상동재조합이 일어난 배아줄기세포를 선별할 수 있는 원리를 설명하시오. 단, G418과 ganciclovir를 이용하여 무작위적인 재조합(nonspecific recombination)이 일어나거나 재조합이 일어나지 않은 경우도 포함하여 설명하시오.

 

 

○ 플라스미드 벡터(targeting vector)는 neo^r(neomycin resistant gene) 유전자가 삽입되어 불활성화된 유전자 X와 멀찍이 떨어져 있는 TK(thymidine kinase) 유전자를 포함한다. targeting vector를 ES 세포 내에 삽입하면 몇몇 ES 세포는 알아서 기존 유전자 X를 불활성화된 유전자 X로 대체한다. 그 뒤 세포들을 G418, 간시클로비르가 포함된 배지에서 배양하면 선별을 할 수 있다. 즉, 형질전환되지 않은 ES 세포는 G418에 의해 사멸된다. 또한 유전자 X 이외의 부위가 대체된 ES 세포는 TK 유전자가 있어서 간시클로비르에 의해 사멸된다. (TK 유전자는 간시클로비르를 분해하여 독성을 유발한다.) 마지막으로 유전자 X만 대체된 ES 세포만 살아남게 된다.

 

⑵ 1-2. 타겟 유전자에 특이적으로 상동재조합이 일어난 배아줄기세포를 이용하여 타겟 유전자 한 쌍 모두가 knockout 된 형질전환 생쥐를 얻고자 한다. 포배(blastocyst), 키메라 쥐(chimeric mice), 털색(coat color), 이형집합체(heterozygote), 동형접합체(homozygote), 대리모(surrogate mother)를 내용에 포함하여 제작방법을 기술하시오.

 

○ 녹아웃된 ES 세포를 선별했으면, 포배 단계의 배아줄기세포에 녹아웃된 ES 세포를 주입한다. 그 뒤 돌연변이 개체를 얻었음을 극적으로 보여주기 위해 털색이 다른 대리모에 녹아웃된 ES 세포를 착상시키게 된다. 이렇게 만들어진 키메라 쥐를 정상 생쥐와 교배시키면 F₁ 생쥐를 얻을 수 있다. F₁ 생쥐는 정상 동형접합체 (+/+), 돌연변이 이형접합체 (+/-), 돌연변이 동형접합체 (-/-)으로 나눌 수 있는데, 키메라 쥐가 돌연변이 이형접합체라고 볼 수 있으므로 F₁ 생쥐는 (+/+)와 (+/-)만 존재한다. 정상 동형접합체는 털색이 정상인 반면, 돌연변이 이형접합체는 털색이 모자이크 모양이 되어 양자를 구별할 수 있게 된다. 돌연변이 이형접합체들을 교배시켜 F₂ 생쥐를 얻으면 이 중 25%가 돌연변이 동형접합체가 되고 이 또한 털색을 통해 구별할 수 있게 된다.

 

 

문제 2. 프레데릭 생어(Frederick Sanger)가 개발한 DNA 염기서열 분석방법은 dideoxy nucleotide를 사슬종결자(chain terminator)로 이용하는 것이다.

 

⑴ 2-1. dideoxy nucleotide 구조의 특성과 이를 이용한 염기서열 결정원리에 대하여 기술하시오.

○ PCR에서 DNA가 복제될 때 주형가닥에 DNA 프라이머가 붙고 그 뒤 상보적인 dNTP가 기존에 있는 뉴클레오타이드의 3'-OH에 계속해서 붙어서 복제가닥이 생성된다. dideoxy nucleotide 또는 ddNTP는 오탄당의 3번 탄소에 -OH가 아닌 -H가 붙어 ddNTP가 붙은 이후로 복제가닥이 더이상 신장될 수 없게 된다. (사슬종결자) ddNTP를 어떻게 처리할 것인지에 대한 실험설계가 잘 되면 염기서열을 결정할 수 있다.

 

⑵ 2-2. 전기영동을 통한 염기서열 결정과정에 대하여 기술하시오.

 

 

 

문제 3. 대장균은 세 개의 구조 유전자가 포함된 lac 오페론을 갖고 있으며 젖당(lactose)을 분해하여 에너지원으로 이용한다. 포도당(glucose)과 젖당이 있는 배지에서 대장균을 키우면 대장균은 포도당을 에너지원으로 사용하다가 포도당이 고갈되면 성장이 지체된 후 젖당을 사용하면서 다시 성장하기 시작한다(diauxic growth). 이 현상에는 lac 오페론을 중심으로 한 음성적 조절과 양성적 조절이 작용하고 있다.

 

⑴ 3-1. lac 오페론의 음성적 조절(negative regulation)에 대하여 기술하시오.

○ lac 오페론의 억제자는 lac I 유전자에서 만들어지며 RNA pol의 프로모터의 결합을 억제한다. lac 억제물질이 젖당의 변이체인 알로락토스와 결합하면 작동부위와 결합하지 못한다. 즉, 젖당은 lac 오페론을 유도한다. (유도자) 

 

⑵ 3-2. lac 오페론의 양성적 조절(positive regulation)에 대하여 기술하시오.

○ lac 오페론의 프로모터는 RNA pol과 친화력이 약해 억제물질이 없어도 전사가 잘 안 일어난다. 따라서 양성적 조절이 제대로 이루어져야 lac 오페론이 제대로 전사될 수 있다. 아데닐화고리화효소(AC)는 ATP로부터 cAMP를 만들며 AC 위에 포도당에 의한 알로스테릭 억제부위가 존재한다. 대사활성자단백질(CAP)은 cAMP와 결합하여 복합체를 형성하고 이 복합체는 RNA pol의 프로모터 결합을 돕는다. 즉, 포도당은 lac 오페론을 억제한다. 

 

 

문제 4. 대장균이 생성하는 단백질 A는 300개의 아미노산으로 구성되어 있다.

⑴ 4-1. A 단백질의 분자량을 구하시오.

○ 한 개의 아미노산의 기본 구조는 NH₂-CH-R-COOH과 같다. 이때 R은 작용기를 나타내며 편의상 R = H라고 하자. 즉, 모든 아미노산을 글리신(glycine)이라고 가정하자. 이때 아미노산 한 개의 분자량은 75 g/mol이다. 아미노산과 아미노산이 결합할 때 펩티드 결합이 형성되는데 이때 한 분자의 물이 빠져나간다. 따라서 단백질 A의 분자량은. 75 × 300 - 18 × 299 = 17,778 g/mol이라고 추정할 수 있다. 

 

⑵ 4-2. A 단백질을 coding하는 double strand DNA의 분자량을 구하시오.

○ 대장균과 같은 원핵생물은 스플라이싱을 하지 않는다. 따라서 300개의 아미노산으로 구성되었다면 sense 가닥의 염기서열 개수는 900개라고 볼 수 있다. dNTP의 분자량은 대략 500 g/mol이므로 900 × 500 = 450,000 g/mol라고 할 수 있다. (주석) 아무도 뉴클레오타이드의 구체적인 분자량을 외울 것 같지는 않다.

 

⑶ 4-3. A 단백질을 coding하는 double strand DNA의 길이를 nm 단위로 나타내시오.

○ 왓슨-크릭 모형에 따른 B형 DNA는 염기쌍 당 간격이 0.34 nm에 해당한다. A 단백질에 대한 DNA의 길이만을 본다고 하면 899 × 0.34 = 305.66 nm이라고 할 수 있다.

 

⑷ 4-4. AluⅠ이라는 제한효소는 5'-AGCT-3' sequence를 인식하고 AG와 CT 사이를 자른다. AluⅠ은 A 단백질을 coding하는 double strand DNA를 이론적으로 몇 번 자르는지 설명하시오.

○ 답안 1.

○ 랜덤하게 4개의 염기서열이 5' → 3' 순으로 주어졌을 때 5'-AGCT-3'과 같을 확률은 1/4⁴ = 1/256에 해당한다. 따라서 얼핏 드는 생각은 총 염기의 개수에서 위 확률을 적용한 900/256으로 생각해볼 것이다. 그런데 제한 효소는 번역틀 등에 구애받지 않으므로, 제한효소가 인식하는 5'-AGCT-3' 염기는 개시코돈의 5'-AUG-3' 염기와 4n, 4n+1, 4n+2, 혹은 4n+3의 염기만큼 떨어져 있을 수 있다. ("4n + 4"는 4n인 경우에서 이미 고려된다는 점을 상기하자!) 따라서 총 고려해야 하는 경우의 수는 위 값의 네 배가 된다. 

○ 5'-AUG-3' 염기와 4n개의 염기만큼 떨어진 경우 : 5'-|AUGX|-|XXXX| v |XXXX|- ··· -3' 

○ 5'-AUG-3' 염기와 4n+1개의 염기만큼 떨어진 경우 : 5'-A-|UGXX|-|XXXX| v |XXXX|- ··· -3' 

○ 5'-AUG-3' 염기와 4n+2개의 염기만큼 떨어진 경우 : 5'-AU-|GXXX|-|XXXX| v |XXXX|- ··· -3' 

○ 5'-AUG-3' 염기와 4n+3개의 염기만큼 떨어진 경우 : 5'-AUG-|XXXX|-|XXXX| v |XXXX|- ··· -3' 

○ 이론적으로 몇 번 자르는지 = 900 ÷ 256 × 4 ≒ 14 (번) 

○ 답안 2. 보충적 의견 (contributed by KGBA)

○ 개시코돈은 AUG이기에 제한효소는 앞 자리 4개 base를 인식하지 못함

○ 종결코돈도 coding을 이루는 부분이기에 903개의 base를 기준으로 해야 함

○ 5’-UTR과 3’-UTR을 고려해야 하므로 답을 결정할 수 없음

○ 코돈 중간에 종결코돈이 있는 경우를 고려해야 함

 

입력: 2021.01.21 00:35