【분자생물학】 2009년 제46회 변리사 2차 국가자격시험

2009년 제46회 변리사 2차 국가자격시험

 

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a. 중심학설

b. DNA 테크놀로지 

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문제 1. 1950년대 DNA 복제(replication) 방식이 규명되기 이전에 과학자들은 DNA 복제가 분산적(dispersive), 보존적(conservative), 반보존적(semiconservative) 방식 중 어느 한 가지 방식으로 일어날 것이라는 가설을 세웠다. Meselson과 Stahl은 실험을 통해 DNA 복제가 반보존적(semiconservative) 방식으로 일어난다고 결론지었다. 위의 세 가지 DNA 복제 방식에 대해 설명하고, 두 과학자가 이 가설들을 규명하기 위해 수행한 실험과정, 결과 그리고 위의 결론을 추론한 근거를 논하시오.

 

⑴ 세 가지 DNA 복제 방식

○ 보존적 복제 : 복제 후 기존의 DNA와 새로운 DNA가 1개씩 존재 (기각)

○ 분산적 복제 : 복제 후 완전히 새로운 DNA 2개가 생성 (기각)

○ 반보존적 복제 : 복제 후 각 DNA 내 하나의 주형가닥과 하나의 복제가닥이 존재 (채택)

 

⑵ 두 과학자가 이 가설들을 규명하기 위해 수행한 실험과정, 결과 그리고 위의 결론을 추론한 근거

○ 두 과학자는 ¹⁵N 배지에서 대장균을 오래 배양했다. 그 뒤 보통의 질소(¹⁴N)가 포함된 배지에서 매 세대마다 염화세슘을 이용한 밀도 구배 원심분리로 밀도가 다른 DNA를 분리하였다. 

○ 결과 및 결론 : 다음 그림을 참고한다.

 

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Figure. 1. 메셀슨과 스탕의 실험

 

 

문제 2. 세포주기 조절에 관여하는 암 억제 유전자(tumor suppressor gene)의 돌연변이는 암을 유발한다. 대표적 암 억제 단백질은 RB와 p53에 의한 세포주기 조절에 관한 아래 물음에 답하시오.

 

⑴ 2-1. 동물세포에서 세포주기가 G1기에서 S기로의 진행이 억제되어 있다면, 이 과정에서 RB의 기능을 설명하시오.

○ Rb 단백질은 G1 검문점을 통해 세포주기가 진행하지 못하게 하는 물질

○ 상세 기능은 세포주기 진행 억제, E2F 억제, 검문점 구성 등으로 요약할 수 있음 

 

⑵ 2-2. 세포주기가 G1기에서 S기로 진행되기 위해서 RB가 어떤 조절을 받는지 설명하시오.

○ 단계 1. CDK4-사이클린 D와 CDK2-사이클린 E가 전사인자인 E2F 농도 증가

○ 단계 2. Rb와 E2F 결합 → 사이클린-CDK 복합체 불활성화

○ 단계 3. 사이클린-CDK가 2ATP 사용 → Rb 인산화

○ 단계 4. Rb가 인산화되어 E2F와 탈결합

○ 단계 5. E2F가 핵으로 이동 → 사이클린 A 생성 촉진 

○ 단계 6. CDK2-사이클린 A 결합 → 전사인자로 작용하여 S기 완성 및 사이클린 B 유전자 전사

 

⑶ 2-3. DNA가 손상을 받으면 G1기에서 S기로의 세포주기 진행이 정지되는데 이 과정에서 p53이 어떻게 세포주기를 조절하는지 설명하시오.

○ 단계 1. DNA 손상 → p53에서 mdm 단백질이 제거되어 p21이 됨

○ 단계 2-1. p21은 CDK4-사이클린 D와 CDK2-사이클린 E를 억제하여 S기 전이 억제 (예 : E2F 억제)

○ 단계 2-2. 세포 손상이 심하면 p21은 Bax 활성화 → 시토크롬 C을 세포질로 방출 → Caspase → 세포예정사

 

 

문제 3. DNA와 단백질의 상호작용을 조사하기 위해 EMSA(electrophoretic mobility shift assay), DNaseⅠ footprinting assay, 그리고 ChIP(chromatin immunoprecipitation) 방법이 주로 사용된다. 이 세 가지 실험방법의 원리, 실험과정, 장·단점들을 비교하여 논하시오.

 

⑴ 전기영동 이동성 변화분석(EMSA)

○ 원리 : DNA와 단백질이 결합하면 전기영동 상의 이동거리가 감소하는 특성을 활용

○ 단계 1. probe 제작 : DNA를 방사성 동위원소로 표지

○ 단계 2. 단백질과 DNA 혼성액을 전기영동시킨 뒤 방사선 감광 분석

○ 단계 3. 결과 분석  

Figure. 2. EMSA 결과 예시

 

○ 전제 : 위가 음극, 아래가 양극이므로 DNA는 위에서 아래로 이동, (-)는 probe만 이동시킨 경우

○ a의 해석 : A 단백질과 B 단백질은 probe와 결합, A와 B는 probe를 낀 채로 결합 (단둘이만 결합할 수도 있고..)

○ b의 해석 : C 단백질과 D 단백질은 probe와 결합, C와 D는 서로 결합하지 않음

○ c의 해석 : E 단백질은 probe와 결합, F 단백질은 probe와 결합하지 않으나 E 단백질과는 결합

○ 장점 : 실험이 단순함

○ 단점 : scalable하게 많은 조합의 DNA-단백질 상호작용을 조사하기 어려움 

⑵ 유전자 지문법(footprinting assay)

○ 원리 : 단백질과 결합하는 유전자는 전기영동 상에서 사라진 것으로 나타남

○ 과정 : 아래와 같이 전기영동을 위한 여러 lane을 구성하여 유전자 지문법을 수행할 수 있음 

 

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Figure. 3. 유전자 지문법

 

○ 장∙단점은 EMSA, ChIP의 중간 정도로 보아도 된다고 생각됨

⑶ ChIP

○ 원리 : DNA-associated protein의 결합 자리를 알기 위해 DNA 시퀀싱과 ChIP(chromatin immunoprecipitation)를 결합

○ 단계 1. 단백질(예 : 전사인자)과 DNA가 cross-link 돼 있음

○ 단계 2. sonication을 통해 DNA를 파괴 : cross-link 된 DNA는 파괴되지 않음

○ 단계 3. bead가 부착된 항체를 첨가하여 특정 단백질 및 그와 연결된 DNA를 면역 침전

○ 단계 4. 침전물로부터 DNA를 분리한 후 염기서열을 알기 위해 sequencing을 진행

 

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Figure. 4. ChIP-seq의 과정

 

○ 장점 : 특정 단백질과 상호작용하는 유전자들을 인간 게놈 혹은 모델 동물 게놈 내에서 대부분 탐색할 수 있음

○ 단점 : 해석이 어렵고, 어떤 시그널까지 유의미한 상호작용으로 봐야할지 판단이 어려하며, 동원체 등에서의 DNA-단백질 분석은 곤란함

○ (주석) 동원체 주변에서 DNA-단백질 상호작용은 대부분 높게 잡히는 경향이 있음 : 염색체 자체가 응축돼 있기 때문에 DNA-단백질 결합이 실제로도 많은 것처럼 착시를 일으키기 때문

 

 

문제 4. 인간의 게놈(human genome)에는 특정 염기서열이 여러 번 반복되는 satellite DNA가 존재한다. 이 중에서 microsatellite(미소부수체) DNA에 관한 아래 물음에 답하시오.

 

⑴ 4-1. microsatellite DNA를 정의하고, 인간의 유전자형 분석(genotyping)과 연관지도(linkage map) 작성에 microsatellite DNA가 자주 사용되는 이유를 설명하시오.

 

○ 첫째, 반복되는 반복수가 사람마다 달리 나타나며, 반복되는 횟수가 질병 예후와 관련이 있기도 함 (예 : 헌팅턴 무도병의 예상현상)

○ 둘째, 반복서열 내 점돌연변이가 사람 간의 고유한 차이를 들어내는 유전자 지문으로서 기능할 수도 있음 (예 : VNTR, STR)

○ 셋째, RFLP(제한효소 조각 길이 다형성)보다 더 강력한 유전자 지문이라고 할 수 있음

○ 넷째, 상동염색체의 불균등한 교차로 인해 만들어짐

 

⑵ 4-2. microsatellite DNA를 분석하기 위한 실험방법 및 원리를 설명하시오.

 

○ 원리 : 개인 간의 반복서열의 반복수가 달라 다양한 크기의 토막이 만들어짐

○ 단계 1. 전기영동으로 DNA 조각을 길이에 따라 분리 및 증폭

○ 단계 2. 분리된 DNA 조각들을 여과지로 옮김

○ 단계 3. 여과지로 옮긴 후 수소결합을 깨기 위해 화학약품(염기성)을 처리 → 한 가닥의 DNA

○ 단계 4. 방사선 물질로 표지된 VNTR 탐침을 가지고 VNTR 조각들의 위치를 비교

○ 단계 5. 여과지를 X-선 필름에 노출시키면 밴드가 나타남

 

⑶ 4-3. microsatellite DNA를 이용한 분석방법이 응용될 수 있는 분야를 두 가지만 설명하시오.

 

○ 목적 1. 유전병 예측 (예 : 파킨슨 무도병)

○ 목적 2. 친자 식별

○ 목적 3. 법의학적 범인 식별

 

입력: 2021.05.29 16:58