【분자생물학】 2015년 제52회 변리사 2차 국가자격시험

2015년 제52회 변리사 2차 국가자격시험

 

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a. 중심학설

b. DNA 테크놀로지

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문제 1. Holley, Nirenberg와 Khorana 박사는 유전자 암호(genetic code)를 해독한 공로로 1968년에 노벨 생리의학상을 수상하였다. 이들은 합성 RNA를 주형으로 단백질을 합성했을 때 생성되는 폴리펩타이드(polypeptide)의 아미노산 서열을 분석하는 방법으로 코돈(codon)이 지정하는 아미노산을 밝히게 되었다. 예를 들어 poly(U)를 주형으로 단백질을 합성한 결과 폴리페닐알라닌(polyphenylalanine)이 합성되었다. 이는 페닐알라닌을 지정하는 코돈은 U로만 이루어졌음을 보여준다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 1-1. poly(UC)(즉, UCUCUCUCUC...)를 주형으로 단백질을 합성했을 때 생성되는 폴리펩타이드의 아미노산 서열을 분석하여 코돈이 4개의 뉴클레오타이드(nucleotides)가 아니라 3개의 뉴클레오티드로 구성되어 있음을 밝혔다. 어떻게 그런 결론을 내릴 수 있었는지 설명하시오. (단, 폴리펩타이드 합성은 RNA 주형의 어느 곳에서든지 시작이 가능하다.)

 

○ 만약 mRNA가 5'-UCUCUCUC...-3'이기만 한다면 triplet codon인지 quartet condon인지 알 수 없다.

○ 하지만 mRNA가 만들어지는 과정을 생각하면 순전히 무작위적이므로 다음과 같은 형태가 존재할 수 있다: 5'-UUU..., 5'-UUC..., 5'-UCU..., 5'-UCC..., 5'-CUU..., 5'-CUC..., 5'-CCU..., 5'-CCC.

○ 뉴클레오타이드 조합의 경우의 수와 아미노산의 개수가 대략적으로 일치한다고 가정할 수 있다.

○ 만약 triplet codon이면, 5'-UUU-3'을 인식하여 단백질 내 페닐알라닌의 비율이 대략 1/64라고 할 수 있다.

○ 만약 quartet codon이면, 5'-UUUU-3'을 인식하여 단백질 내 페닐알라닌의 비율이 대략 1/256이라고 할 수 있다.

○ 실제로는 1/4 = 25%일 것으로 보이나 triplet과 quartet 중에서 고민해야 한다면 triplet codon이라고 결론 내릴 수 있다.

 

⑵ 1-2. 하나의 코돈이 3개의 뉴클레오타이드로 구성되어 있을 때 이론적으로 몇 개의 서로 다른 코돈이 존재하는지 구하시오.

 

○ 4 × 4 × 4 = 64개가 있을 수 있다.

 

⑶ 1-3. 코돈의 종류는 자연계에 일반적으로 존재하는 아미노산의 종류보다 훨씬 많다. 이런 차이를 해결하는 원리를 기술하시오.

 

○ 원리 1. 무의미 코돈(nonsense codon) : 64개의 코돈 중 3개의 코돈은 종결코돈이므로 아미노산을 지정하지 않는다.

○ 원리 2. 워블 가설(wobble hypothesis) : tRNA는 이론상 61개이나 실제로는 약 45개 정도가 존재하는데 이는 안티코돈의 첫 번째 염기와 코돈의 세 번째 염기가 엄격하게 결합하지 않기 때문이다.

○ 원리 3. 축퇴(degeneration) : 아미노산은 약 2개이므로 하나의 아미노산에 2 이상의 코돈(45개)이 대응되는 경우가 있다.

 

 

문제 2. 인간의 유전자는 대략 2만개 정도로 추정되나, 실제 이보다 많은 종류의 단백질이 발현된다. 이에 대한 원인으로 작용하는 분자생물학적 기작에 관한 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 2-1. 한 유전자에서 여러 종류의 단백질을 합성하기 위한 mRNA 가공과정(mRNA processing) 기작을 기술하시오.

 

○ 1단계. capping : 우선 전사와 동시에 5' 말단에 7-MeG가 RNA 5' 말단에 결합한다. 그 뒤 5'-MeG는 CBC와 결합한다.

○ 2단계. poly A 꼬리 형성 : PBP가 5'-AAUAAA-3' 뒤에 A 염기를 붙인다.

○ 3단계. 스플라이싱 : 스플라이소좀에 의해 위 mRNA에서 엑손 부위만 연결된다.

○ 4단계. mRNA 편집 : RNA 서열만 바뀌는 과정이다. 스플라이싱보다 드물다.

○ 이 밖에도 선택적 스플라이싱, 엑손 셔플링이 일어날 수 있다.

 

⑵ 2-2. 이 기작이 일어나도록 하는 진핵생물 유전자의 구조적 특징을 기술하시오.

 

○ 진핵생물 유전자는 원핵생물 유전자와 달리 인트론이 존재한다. 

○ 고세균의 유전자 또한 인트론이 존재한다. 

 

⑶ 2-3. 원핵생물에서만 전사와 번역이 동시에 일어날 수 있는 이유를 기술하시오.

 

○ 진핵생물 mRNA는 가공과정을 거친 뒤 핵공을 통해 핵 밖으로 이동한다. 그 뒤 세포질에 있는 단백질 번역 기구를 만나 단백질 번역이 일어날 수 있다. 반면, 원핵생물은 핵이라는 세포소기관이 없기 때문에 전사와 번역이 동시에 진행될 수 있다.

 

 

문제 3. 사람 세포 하나는 대략 2 m 길이의 DNA를 지름 10^-5 m (10 μm)의 핵 안에 보관한다. 긴 DNA가 여러 단계에서 응축되고 압축(compaction)되기 때문에 좁은 핵 안에 들어갈 수 있다. 진핵생물에서 DNA 응축의 첫 단계는 DNA가 히스톤(histone) 단백질과 결합하여 염색질(chromatin)을 형성하는 것이다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 3-1. 쥐 염색체에 미구균(micrococcus) 핵산분해효소(nuclease)를 처리한 시간에 따라 잘린 DNA 조각 패턴을 분석하였다. 장시간 처리한 경우 147 염기쌍(base pair) DNA 조각으로, 단시간 처리한 경우 200 염기쌍 DNA 조각으로 잘렸다. 이와 같은 결과를 염색질 구조와 관련지어 설명하시오.

 

○ 대략 10 nm 단위의 풀린 DNA 구조를 뉴클레오좀이라고 한다. 뉴클레오좀은 147 bp의 DNA가 히스톤 8량체, 즉 H2A, H2B, H3, H4 한 쌍씩을 1.65 바퀴 회전하는 식으로 구성돼 있다. 한편, 좀 멀찍이 떨어져 있는 H1이라는 히스톤단백질은 뉴클레오좀의 응축을 조절하여 뉴클레오좀의 구조를 조정한다. H1은 한 개의 뉴클레오좀 당 한 개씩 존재한다.

○ 단시간 nuclease를 처리한 경우 응축이 덜 풀렸으므로 147 bp 단위로 적게 DNA 조각이 생성될 것이다. 하지만 장시간 nuclease를 처리한 경우 DNA의 응축이 많이 풀릴 수 있는 시간적 여유가 확보됨에 따라 H1 ~ H1까지인 200 bp 단위로 많게 DNA 조각이 생성될 것이다. 이를 linker DNA라고 한다.

 

⑵ 3-2. 히스톤 단백질의 변형은 염색질의 응축에 영향을 미쳐 유전자 발현을 조절할 수 있다. 히스톤 H3 리신 9번 잔기에서의 아세틸화와 유전자 발현의 관련성을 기술하시오.

 

○ 리신에 있는 NH₂ 작용기는 염기로 작용하여 양전하를 띤다. 이때 아세틸기(-COCH₃)가 결합하면 히스톤이 중성화되어 DNA-히스톤 간의 정전기적 인력이 약해진다. 따라서 염색질이 풀리게 되어 진정염색질이 되고 전사가 활성화되어 유전자 발현이 활발하게 나타나게 된다.

 

 

문제 4. 플라스미드를 이용하여 DNA를 클로닝(cloning)할 때 상보성(alpha-complementation) 원리가 적용되곤 한다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 4-1. 상보성 원리를 기술하시오.

 

○ 상보성 원리란, 전체 유전자 서열을 삽입하지 않고 일부 유전자 서열을 삽입하여 삽입 효율을 높이는 기법을 말한다. 일부 유전자에 해당하는 짧은 펩티드는 숙주 내 다른 펩티드와 결합하여 전체 단백질을 형성하게 된다.

 

⑵ 4-2. 플라스미드를 이용하여 DNA를 클로닝할 때 상보성이 어떻게 사용되는지 β-galactosidase의 예를 들어 기술하시오.

 

○ 플라스미드에 베타갈락토시다아제(lac Z)를 삽입했다고 할 때 베타갈락토시다아제 전체 유전자 서열을 삽입하는 것은 드물다. 사실상 베타갈락토시다아제의 N 말단 부분인 α 펩티드에 대한 유전자 서열을 삽입하는 것이다. 이렇게 전달하게 되면 숙주 내에서 재조합 DNA가 α 펩티드를 만들게 되고, 숙주가 기존에 생성하고 있던 다른 펩티드가 그 α 펩티드와 결합하여 전체 베타갈락토시다아제를 형성하게 된다. 이를 상보성 원리라고 한다.

 

입력: 2021.05.26 01:57