【분자생물학】 2021년 제58회 변리사 2차 국가자격시험

2021년 제58회 변리사 2차 국가자격시험

 

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a. 중심학설

b. DNA 테크놀로지

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문제 1. 세균은 제한효소나 Cas(CRISPR-associated) 효소를 이용하여 외부에서 침입한 바이러스나 플라스미드의 DNA를 절단하여 이들에 대한 방어를 한다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 1-1. 세균이 자신의 유전체를 제한효소로부터 보호하는 기작을 설명하시오.

○ 세균은 자신의 제한효소로부터 공격받을 수 있는 자신의 DNA는 메틸화시켜서 보호

○ 참고로 DNA 메틸화는 히스톤 단백질의 N 말단에서 이루어지며 이질염색질화를 일으킴 

 

⑵ 1-2. 세균의 유전체에 존재하는 CRISPR(cluster of regularly interspersed short palindromic repeats)의 구조와 이의 발현과 가공(processing) 과정을 설명하시오. 

○ CRISPR의 구조

○ CRISPR 배열은 반복적인 DNA 서열과 각 반복 사이에 위치한 스패서(spacer)로 구성됨 

○ 박테리아 혹은 고세균이 바이러스 등 외부 DNA의 조각인 스패서를 기록한 뒤 반복서열을 부가

○ 이후 CRISPR-Cas9 시스템에 의해 스패서와 일치하는 바이러스 DNA를 탐지하고 분해

○ 다음은 Bacillus halodurans의 subtype I-C/Dvulg Cas5d 시스템의 CRISPR 가공과정을 설명  

○ 1^st. Cas5d는 CRISPR 반복 영역에서 헤어핀 구조와 3' 단일 가닥 서열을 인식하여 pre-crRNA를 단위 길이로 절단 

○ 2^nd. pre-crRNA processing : pre-crRNA를 더 작은 크기의 crRNA로 가공 

○ 3^rd. Cas5d가 crRNA, Csd1, Csd2 단백질과 복합체를 형성

○ 4^th. 이 복합체에 있는 crRNA 부분이 바이러스 DNA를 탐지하고 제거 

 

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Figure. 1. CRISPR 가공

 

⑶ 1-3. 제한효소와 CRISPR-Cas 시스템의 작용을 비교하여 공통점과 차이점을 설명하시오. 

○ 공통점 1. 특정 서열의 DNA 염기서열을 인식해서 절단

○ 공통점 2. 특정 염기서열을 삽입시킬 수 있음

○ 차이점 1. self와 non-self를 구분하기 위해, 제한효소는 DNA 메틸화를 이용하는 반면, CRISPR-Cas 시스템은 PAM(protospacer adjacent motif) site(5'-NGC-3')를 이용함

○ 차이점 2. 제한효소는 제한효소 인식부위에 sticky end를 형성하는 제한효소를 처리한 뒤 서로 다른 DNA 간 sticky end끼리 결합하게 함으로써 DNA 재조합을 할 수 있음. 하지만, CRISPR-Cas 시스템은 sgRNA에 특이적인 DNA를 절단한 뒤 DNA 수선기작으로 다시 연결시킴으로써 임의의 염기서열을 target DNA에 삽입할 수 있음

○ 차이점 3. 제한효소보다 CRISPR-Cas 시스템에 의한 DNA 재조합이 더 세밀하게 염기 치환을 할 수 있어 잠재성이 더 큼

 

 

문제 2. 원핵생물과 진핵생물은 여러 종류의 DNA 중합효소(DNA polymerase)를 지니고 있다. 다음 물음에 답하시오. 

 

⑴ 2-1. 세균이 지닌 DNA 중합효소 Ⅰ과 Ⅲ의 기능을 비교하여 설명하시오. 

○ 대장균의 DNA 중합효소는 DNA pol Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ가 존재

○ DNA 중합효소 Ⅰ의 기능 : Nick translation, 프라이머 제거, RNA 프라이머를 dNTP로 교체, 3' → 5' 엑소뉴클레아제 활성 (DNA 교정), 5' → 3' 엑소뉴클레아제 활성 (DNA 교정)

○ DNA 중합효소 Ⅲ의 기능 : DNA 신장 (5' → 3'), 3' → 5' 엑소뉴클레아제 활성 (DNA 교정)

 

⑵ 2-2. DNA 중합효소 I은 클레나우 조각(Klenow fragment)을 사용하여 시험관(in vitro) 중합반응을 실시하였다. 이 반응에 사용한 DNA 주형은 다음과 같다.

 

 

이 중합반응에서 생성된 DNA 서열을 기술하고, 이 반응에 작용하는 클레나우 조각의 활성을 설명하시오. (3'과 5'은 DNA의 방향을 표시하며, | 는 상보적 염기쌍을 나타낸다.)

○ 클레나우 조각은 DNA polⅠ의 대단위체이자 DNA pol Ⅲ과 동일

○ 초기 상태

##########3' - ATTGGCAGCTAGCCGTAT - 5' 

5' - GATTGGAGTAACCGG - 3'

 

○ 1단계. 3' → 5' 엑소뉴클레아제 활성

##########3' - ATTGGCAGCTAGCCGTAT - 5' 

5' - GATTGGAGTAACCGG - 3'

 

○ 2단계. DNA 신장 (5' → 3')

##########3' - ATTGGCAGCTAGCCGTAT - 5' 

5' - GATTGGAGTAACCGTCGATCGGCATA - 3'

 

⑶ 2-3. 진핵세포에서 선도가닥(leading strand)과 지체가닥(lagging strand) 합성 동안 일어나는 DNA 중합효소 α (alpha), δ (delta), ε (epsilon) 사이의 중합효소 스윗치(polymerase switch)를 비교하여 설명하시오. 

○ DNA pol α : 프리메이스를 포함하여 초기 프라이머 부착에 관여함. proof reading ×

○ DNA pol δ : 중합효소 스윗치 이후 지연 가닥의 오카자키 절편을 신장시킴. proof reading ○

○ DNA pol ε : 중합효소 스윗치 이후 선도 가닥을 신장시킴. proof reading ○

 

 

문제 3. 진핵세포에서는 세포 내외의 환경 변화와 병원체 감염 등에 대응하기 위하여 특정 단백질들에 대한 mRNA 발현 조절이 신속하게 이루어져야 한다. 이와 같이 고도로 선별적이고 효율적인 mRNA 발현을 위해서 RNA 중합효소(RNA polymerase)와 더불어 다양한 전사조절단백질들이 협조적으로 관여한다. 아래 물음에 제시된 전사조절단백질들에 관하여 설명하시오. 

 

⑴ 3-1. 일반전사인자(기본전사인자; general/basal transcription factor)의 기능과 종류를 기술하시오. 

○ 기능 : 각 세포에 보편적으로 존재 

○ 종류 : TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH, TFIIJ 등

○ 1^st. TFIID가 TFIID 상의 TBP 서브유닛을 통해 TATA 박스에 결합

○ 2^nd. TFIID는 TFIIA에 의해 안정화됨

○ 3^rd. TFIIB와 TFIIH가 TATA 박스 상에 있는 TFIID-TFIIA 복합체에 결합

○ 4^th. RNA pol Ⅱ-TFIIE-TFIIF 복합체가 C-terminal domain (CTD) 부분으로 앞의 복합체 상에 있는 TFIID와 결합

○ 5^th. TFIIH는 인에서 RNA pol Ⅱ의 CTD를 인산화 → TFIID 방출 및 헬리케이스 활성

○ RNA pol Ⅱ는 α2ββ'ω와 달리 헬리케이스 활성 × 

○ 6^th. 전사가 개시됨

 

⑵ 3-2. 특수전사인자(specific transcription factor)의 기능을 기술하시오. 

○ 기능 : 특정 세포에서만 특이적으로 존재. 암에서 자주 발견되는 전사인자(예 : c-Myc)가 대표적인 특수전사인자

○ 종류 : SP1, AP-1, C/EBP, heat shock factor, ATF/CREB, c-Myc, Oct-1, NF-1

 

⑶ 3-3. 전사공동활성자(coactivator)와 전사공동억제자(corepressor)의 기능을 기술하시오. 

○ 전사공동활성자/억제자 : 다양한 전사인자들이 complex를 이루거나 sequential하게 작용하여 전사를 활성화/억제

○ 이 과정에서 근거리 조절요소뿐만 아니라 원거리 조절요소(프로모터 상류 부위에 주로 분포)가 관여하여 complex를 구성함

 

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Figure. 2. 전사 조절 complex

 

○ 종류 1. 인핸서(증폭서열, enhancer) : RNA 중합효소의 프로모터 결합 촉진. 상류, 하류 모두에 있을 수 있음. 길이는 50-1500 bp 정도

○ 종류 2. 사일렌서(침묵서열, silencer) : RNA 중합효소 무조건 억제. 프로모터 앞에 위치

○ 종류 3. 인슐레이터(insulator) : 인핸서를 억제하여 전사 촉진

○ 종류 4. 스트레스 반응요소(SRE, stress reaction element)

 

 

문제 4. 유전정보는 1차원의 DNA 서열에서 여러 가지의 다양한 기능을 수행할 수 있는 3차원 구조를 지닌 단백질 분자로 변환된다. 단백질의 1차 / 2차 / 3차 / 4차의 독특한 구조 형성은 단백질의 고유한 기능을 결정하는 데 중요하다. 다음 물음에 답하시오. 

 

⑴ 4-1. 단백질 2차 구조 형성의 특징과 종류를 설명하시오.

○ 특징 : 아미노산의 등뼈 간의 수소결합 (H와 O)에 의해 아미노산 서열이 입체적으로 휘는(coiling or folding) 구조

○ 종류 1. 알파나선(α-helix) : N 번째 아미노산의 C=O 결합과 N+4번째 N-H 결합이 수소결합을 구성. 오른나선 

 

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Figure. 3. 알파나선 구조

 

○ 종류 2. 베타병풍(β-sheet) : 아미노산 내 수소결합 뿐만 아니라 아미노산 사슬 간의 수소결합도 존재. 지그재그(zig zag) 모양

 

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Figure. 4. 베타병풍 구조

 

⑵ 4-2. 단백질 3차 구조를 결정하는 단백질 자체 요인들과 환경 요인들을 설명하시오.

○ 단백질 자체 요인 : 이온결합, 공유결합, 이황화결합, 극성 결합, R기 간 수소결합, 반데르발스 힘, C=O 결합의 유사 수소결합, π-π stacking, 입체장애, C5 hydrogen bonds in β-sheet backbone, cation-π interaction

○ 환경 요인 : 소수성 상호작용 (생체 환경이 물이기 때문에 발생한 힘)

 

⑶ 4-3. 단백질의 비정상적인 구조 형성으로 유도되는 프리온 질병의 발생 원리에 관하여 설명하시오.

○ 뇌의 정상세포 내 prp^c은 구조적 변형에 의해 prp^sc로 전환

○ prp^c은 α 나선 구조를 나타냄 

○ prp^sc은 β 병풍 구조를 나타냄 

○ 증식반응 : prp^c + prp^sc → prp^sc + prp^sc

○ 동물과 사람에게 전이 가능한 해면성 뇌염 야기

○ 양 : 스크래피 

○ 소 : 광우병

○ 사람 : 크라우츠-펠트 증후군 

 

입력: 2022.12.06 22:29

수정: 2023.12.16 12:47