【분자생물학】 2024년 제61회 변리사 2차 국가자격시험

2024년 제61회 변리사 2차 국가자격시험

 

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a. 중심학설 

b. 핵산

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문제 1. 번역의 정확성은 아미노산을 짝이 맞는 tRNA에 얼마나 정확하게 결합하는가에 의해서 영향을 받는다. 다음 물음에 답하시오. 번역에 사용된 유전암호(genetic code)는 다음과 같다.

 

 

⑴ 1-1. 아미노산을 짝이 맞는 tRNA에 결합하는 반응을 촉매하는 효소의 이름과 해당 효소가 tRNA 부위 중 주요하게 인식하는 부위 2군데를 각각 제시하고 해당 효소가 촉매하는 아미노산과 tRNA 결합 반응을 2단계로 나누어 설명하시오.

 

○ 아미노산을 짝이 맞는 tRNA에 결합하는 반응을 촉매하는 효소의 이름 : 아미노아실 tRNA 합성효소 (aminoacyl-tRNA synthetase)

 

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○ 해당 효소가 tRNA 부위 중 주요하게 인식하는 부위 

○ tRNA anticodon loop (mRNA 측 요소) : 정확한 tRNA를 선택하기 위해 tRNA의 안티코돈이 있는 loop를 인식

○ 3′ acceptor stem base (아미노산 측 요소) : 특정 tRNA가 특정 아미노산과 결합하는, tRNA의 3' 말단 부위 

○ 해당 효소가 촉매하는 아미노산과 tRNA 결합 반응 

○ 단계 1. -COO^- → -CO(AMP) : ATP가 분해되는 에너지를 이용하여 아미노산의 카르복실기 말단이 AMP와 결합 

○ 단계 2. -CO(AMP) → -CO(tRNA) : 3' 말단에 있는 5탄당의 3'-OH기와 아미노산의 -COOH의 탈수축합반응

 

⑵ 1-2. 이소류신을 짝이 맞는 tRNA에 결합하는 반응을 촉매하는 효소가 tRNA에 페닐알라닌과 알라닌을 배제하고 이소류신만을 선택적으로 결합시킨다. 해당 이중체 기전(double sieve model)을 각 체의 역할을 하는 효소 부위를 바탕으로 설명하시오. 

 

○ 이소류신, 알라닌, 페닐알라닌의 구조

 

 

○ 이중체 기전(double sieve model)

 

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○ 첫 번째 체 : 활성 부위(activation site)라고도 함. 이소류신보다 큰 아미노산(예 : 페닐알라닌)은 배제됨. 크기 및 구조에 특이적으로 결합하는 효소가 관여함

○ 두 번째 체 : 편집 부위(editing site)라고도 함. 이소류신보다 작은 아미노산(예 : 알라닌)은 배제됨. 아미노산-AMP 중에서 정확한 아미노산만이 tRNA에 결합되도록 보장함

 

⑶ 1-3. 이소류신을 짝이 맞는 tRNA에 결합하는 효소에 돌연변이가 일어나, 안티코돈(anticodon)이 5'-CCU인 tRNA에 이소류신을 결합시키는 세포가 있다. 해당 돌연변이 세포에 단백질 A를 암호화하는 mRNA를 주입하여 단백질 P를 합성하였을 때, 단백질 A와 P의 분자량 및 등전점(pI) 값의 상대적인 크기를 비교하시오. 

 

아미노산	단축형 이름	분자량	pKa1 (-COOH)	pKa2 (-NH3+)	pKaR	pI (등전점)	소수성지표	단백질에서의 비율(%)
비극성, 지방족 R기
글라이신	Gly, G	75	2.34	9.60		5.97	-0.4	7.2
알라닌	Ala, A	89	2.34	9.69		6.01	1.8	7.8
프롤린	Pro, P	115	1.99	10.96		6.48	-1.6	5.2
발린	Val, A	117	2.32	9.62		5.97	4.2	6.6
류신	Leu, L	131	2.36	9.60		5.98	3.8	9.1
아이소류신	Ile, I	131	2.36	9.68		6.02	4.5	5.3
메싸이오닌	Met, M	149	2.28	9.21		5.74	1.9	2.3
방향족 R기
페닐알라닌	Phe, F	165	1.83	9.13		5.48	2.8	3.9
타이로신	Tyr, Y	181	2.20	9.11	10.07	5.66	-1.3	3.2
트립토판	Trp, W	204	2.38	9.39		5.89	-0.9	1.4
극성, 비전하 R기
세린	Ser, S	105	2.21	9.15		5.68	-0.8	6.8
트레오린	Thr, T	119	2.11	9.62		5.87	-0.7	5.9
시스테인	Cys, C	121	1.96	10.28	8.18	5.07	2.5	1.9
아스파라진	Asn, N	132	2.02	8.80		5.41	-3.5	4.3
글루타민	Gln, Q	146	2.17	9.13		5.65	-3.5	4.2
양전하 R기
라이신	Lys, K	146	2.18	8.95	10.53	9.74	-3.9	5.9
히스티딘	His, H	155	1.82	9.17	6.00	7.59	-3.2	2.3
아르지닌	Arg, R	174	2.17	9.04	12.48	10.76	-4.5	5.1
음전하 R기
아스파르트산	Asp, D	133	1.88	9.60	3.65	2.77	-3.5	5.3
글루탐산	Glu, E	147	2.19	9.67	4.25	3.22	-3.5	6.3

 Table. 1. 각 아미노산 별 pK_a1, pK_a2, pK_aR, pI, 소수성 지표, 단백질에서의 비율

 

○ 안티코돈이 5'-CCU-3'이라는 의미는, 코돈이 3'-GGA-5' (아르기닌과 대응됨)이라는 의미

○ 따라서 해당 돌연변이는 원래 아르기닌(Mw = 174, pI = 10.76)이 들어갈 자리에 이소류신(Mw = 131, pI = 6.02)이 들어간다는 의미 

○ 참고로 이소류신은 대표적인 비극성 아미노산이고, 아르기닌은 대표적인 양전하 아미노산임

○ 따라서 단백질 P (돌연변이)는 단백질 A (정상)보다 분자량이 작고, 등전점이 작아짐 

○ (참고) 단백질의 등전점 계산 : 각 아미노산의 등전점의 합으로 정의됨 

 

 

문제 2. 유전자의 발현은 세포의 생리를 결정하는 중요한 단계이다. 대장균은 많은 유전자를 가지고 있으며 주어진 상황에서 필요한 유전자를 선택적으로 발현시킨다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 2-1. 대장균의 전체 유전자 중에서 발현되는 유전자를 결정하는 RNA polymerase의 holoenzyme 구성 소단위체(subunit)는 무엇이고, 이 구성 소단위체가 주어진 상황에 따라 발현하고자 하는 유전자를 어떻게 선택하는지 설명하시오.

 

○ 대장균의 RNA polymerase는 1가지 종류밖에 없고, 그 전효소의 형태는 α₂ββ'ωσ라고 할 수 있음

○ 전효소에서 core enzyme은 α₂ββ'ω 부분이고, 이는 프로모터를 인식하는 σ70 인자의 도움으로 프로모터에 결합할 수 있음

○ 만약 발현하고자 하는 유전자가 아니라면 σ⁷⁰ 인자의 도움을 받을 수 없어, RNA polymerase 내 core enzyme는 주형 DNA와 비특이적이고 강한 결합(K_d ↓)을 하여 오히려 mRNA 합성이 방해가 됨

○ 만약 발현하고자 하는 유전자라면 σ⁷⁰ 인자의 도움을 받을 수 있어, RNA polymerase가 10,000배 더 빠르게 프로모터를 찾아 특이적으로 결합할 수 있고 K_d 값이 커서 잘못 결합을 하더라도 금방 떼어짐 

 

⑵ 2-2. 젖당(lactose)에 의해 lac operon 유전자가 발현되는 조건에서 포도당의 농도에 의해 lac operon 유전자 발현이 어떻게 조절되는지 설명하시오.

 

○ lac operon에서 포도당에 의한 조절 기전을 lac 오페론의 양성적 조절이라고 함

○ lac 오페론의 프로모터는 RNA polymerase와의 친화력이 약해 억제물질이 없어도 전사가 잘 안 일어남

○ 아데닐고리화효소(AC)는 ATP로부터 cAMP를 만듦

○ 대사활성자단백질(CAP)은 cAMP와 결합하여 복합체를 형성하고, CAP-cAMP 복합체는 RNA pol의 프로모터 결합을 도움

○ 그런데 포도당은 알로스테릭 억제부위를 통해 아데닐고리화효소를 억제할 수 있어 위 도움 기전이 작동하지 못하게 함

○ 결론적으로, lac operon 작동보다 효율적인 포도당을 우선적으로 사용하여 lac operon 상의 불필요한 효소를 합성하지 않음

 

⑶ 2-3. 전사의 내재적 종결자(Rho-independent terminators, intrinsic terminators)가 가지는 RNA의 두 가지 특징적인 서열 motif를 제시하시오.

 

○ 내재적 종결자란, 머리핀(hairpin-oligo-U 구조)을 형성하여 전사를 종결시키는 분자 기구를 지칭함

○ 특징적인 서열 motif 1 : 2가 대칭서열에 의해 머리핀(hairpin)이 형성됨

○ 특징적인 서열 motif 2 : 2가 대칭서열에서 멀지 않은 지점에 A-T rich site가 있어 A를 주형으로 U 염기를 전사

○ 두 가지 특징적인 서열 motif로 인해, 불안정한 결합인 A=U 결합 사슬이 연속되어 자연스럽게 전사체가 분리됨 

 

 

문제 3. splicing은 DNA로부터 전사에 의해 만들어진 RNA의 intron을 제거하고 남은 exon을 이어 붙인다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 3-1. group I self-splicing과 group II self-splicing의 차이점을 비교하여 설명하시오.

 

○ group I self-splicing 

 

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○ 1단계 : 외부의 구아노신 분자가 5' splice site를 공격 : 이로 인해 구아노신 분자가 인트론과 연결되고 5' 엑손이 3' OH 그룹을 가짐

○ 2단계 : 5' 엑손의 3' 말단이 3' splice site를 공격 : 5' 엑손이 3' 엑손과 연결되고 그 사이의 인트론은 분리됨

○ 이런 식으로 엑손들끼리 점점 연결됨 

○ group II self-splicing 

 

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○ 1단계 : 내부의 아데노신 분자가 5' splice site를 공격 : 라리아트(lariat) 구조를 형성

○ 2단계 : 5' 엑손의 3' 말단이 3' splice site를 공격 : 5' 엑손이 3' 엑손과 연결되고 그 사이의 인트론은 분리됨 

○ 이런 식으로 엑손들끼리 점점 연결됨 

○ 차이점 1. 최초의 친핵체 : group I은 외부의 구아노신 분자이고, group II는 내부의 아데노신 분자 

○ 차이점 2. 구조 : group I은 복잡한 루프 및 헬릭스 구조를 특징으로 하고, group II는 Lariat 구조를 특징으로 함

○ 차이점 3. 분포 

○ group I의 분포 : 박테리아의 rRNA, mRNA, tRNA; 하등 진핵생물의 미토콘드리아 게놈, 엽록체 게놈; 하등 진핵생물의 핵 게놈의 rRNA; 고등 식물의 엽록체와 미토콘드리아의 일부 몇몇 tRNA, mRNA

○ group II의 분포 : 균류, 식물, 원생생물의 세포소기관의 rRNA, tRNA, mRNA; 박테리아의 mRNA 

○ 요약 : group I은 하등 생물(예 : 박테리아)에 비교적 많이 분포하고, group II는 고등 생물(예 : 균류, 식물)에 비교적 많이 분포함

 

⑵ 3-2. alternative splicing에서 한 가지의 splicing만을 수행하고 다른 splicing이 일어나지 않도록 하는 방법 3가지를 설명하시오.

 

○ alternative splicing이란 하나의 pre-mRNA 상의 일부 엑손만이 선택되어 여러 mRNA가 형성되는 것으로 크게 4가지 종류가 있음 

 

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○ 종류 1. SE(skipped event) : 특정 exon 전체가 포함되거나 포함되지 않는 경우

○ 종류 2. A5SS(alternative 5' or 3' splice site) : exon 전체가 아닌 exon의 5' 혹은 3'의 splice junction이 다르게 사용

○ 종류 3. RI(retained intron) : 아미노산 서열을 코딩하지 않는 intron이 유지되거나 splicing이 되는 경우

○ 종류 4. MXE(mutually exclusive exon) : 하나의 exon이 포함되는 경우에는 다른 exon은 splice가 되고, 그 하나의 exon이 splice 되는 경우에는 다른 exon이 포함되는 배타적 스플라이싱

○ 하나의 mRNA에서 여러 splicing 이벤트가 조합될 수도 있고 특정 조직에서 한 종류의 splicing이 우세하게 나타날 수 있음

○ 예를 들어, MXE는 뇌 조직에서 주로 관찰되는데 (ref), 이는 뇌의 복잡한 기능을 수행하기 위해 세밀하게 조절된 alternative splicing이 필요하기 때문일 것으로 추정됨

○ 조직에 따라 특징적인 splicing이 나타나게 하는 요인으로는 splicing 인자의 조절, RNA 간섭(RNAi) (예 : antisense oligonucleotide (ASO)), CRISPR/Cas9 등이 있음 

 

⑶ 3-3. trans-splicing의 반응과정을 설명하시오.

 

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○ 종류 1. cis-splicing : 한 pre-mRNA 내의 엑손들 간에 5' ss (splice site) to 3' ss 반응, 즉 연결이 진행되어 mRNA를 만드는 과정 

○ 종류 2. trans-splicing : 두 개의 서로 다른 pre-mRNA가 하나의 mRNA 분자로 연결되는 과정

○ 2-1. SL trans-splicing : 5' tss (trans splice site) 측의 spliced leader (SL)와 3' tss 측의 pre-mRNA가 연결되는 과정 

○ 2-2. 서로 다른 유전자 간의 trans-splicing 

○ 2-3. 같은 유전자 간의 trans-splicing : 주형의 방향이 다르거나 모계/부계 origin이 다를 수 있음. exon duplication도 가능함

○ SL trans-splicing 과정

 

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○ 1단계. SL RNA에 있는 5' tss와 pre-mRNA에 있는 3' tss가 결합

○ 2단계. 성숙 mRNA는 SL exon, 5' 말단에 있는 TMG cap을 가지고 있고, 세포질에서 번역됨

○ 3단계. splicing 결과 Y형 생성물 (SL intron + pre-mRNA outron)이 생성 : cis-splicing에서 생성된 lariat intron 생성물과 유사

○ 4단계. Y형 생성물은 빠르게 분해됨 

 

 

문제 4. 진핵생물의 염색체 DNA는 히스톤과 비히스톤 단백질과 결합하여 염색질 구조를 이룬다. 히스톤 단백질의 공유결합적 변형을 통해 조절되는 후성유전(epigenetics)의 한 기전으로서 염색질의 구조 변화는 유전자 발현에 영향을 미친다. 다음 물음에 답하시오.

 

⑴ 4-1. 염색질을 DNase I으로 처리하면 잘 분해되는 영역(DNase-sensitive region) 이 존재한다. 이 영역은 발현이 활발한 유전자에서 발견되며, 이 유전자의 발현 조절 영역은 DNase-초감수성(DNase-hypersensitive)을 나타낸다. 그 이유를 설명하시오.

 

○ 양하전 아미노산인 리신과 아르기닌을 포함하는 히스톤은 인산으로 인해 음하전인 DNA와 정전기적으로 결합 

○ 히스톤과 DNA가 강하게 결합하여 응축된 염색질을 이질염색질이라고 하며, 염색체의 동원체, 텔로미어 등에서 관찰됨

○ 히스톤 수식에 의해 히스톤과 DNA가 약하게 결합하여 응축이 안 된 염색질을 진정염색질이라고 함

 

 

○ 진정염색질은 전사인자, cofactor, DNA-binding protein 등이 쉽게 결합할 수 있어 유전자 발현이 활발하면서 발현 조절 영역이기도 함

○ DNase도 또한 진정염색질에 접근할 수 있어 진정염색질은 DNAase 감수성도 존재함 

 

⑵ 4-2. 핵심 히스톤 단백질의 N-말단 꼬리 아세틸화는 전사를 활성화한다. 이때, 아세틸화를 촉매하는 효소의 이름과 아세틸기가 결합되는 아미노산 잔기를 각각 제시하고 핵과 세포질에 존재하는 해당 효소의 2가지 유형(type)에 따라 뉴클레오솜 구조에 미치는 영향을 설명하시오. 

 

○ 아세틸화를 촉매하는 효소의 이름 : 히스톤 아세틸 전달효소(histone acetyltransferase, HAT)

○ 아세틸기가 결합되는 아미노산 잔기 : 리신. 리신의 NH₂기에 아세틸기(-COCH₃)가 결합하면 히스톤 중성화가 이루어짐

 

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○ 종류 1. HAT A

○ 핵 안에 위치한 HAT A는 뉴클레오좀 안에 있는 히스톤을 아세틸화시킴

○ 히스톤을 아세틸화하면 양전하를 띠는 리신의 NH₂기가 중성이 되어 뉴클레오솜 응축이 풀림 

○ 종류 2. HAT B

○ 세포질에 위치한 HAT B는 세포분열 중에 일어나는 chromatin assembly에 필요한 free histone을 아세틸화시킴

○ HAT B는 세포질에 있는, 새로 합성된 히스톤 H4 리신 잔기와 상호작용을 함 : HAT1/HAT2/H4

○ 그 뒤 새로 합성된 히스톤 H3가 히스톤 H4와 결합한 뒤 karyopherin 도움으로 핵 내로 이동함 : HAT1/HAT2/H3/H4

○ HAT1/HAT2/H3/H4 구조가 heterodimer인지 heterotetramer인지 아직 결정되지는 않았음 

○ HAT1/HAT2/H3/H4 복합체는 DNA 상에 H3/H4 complex를 전달함 

 

입력: 2024.07.29 22:31