유전자 발현(Gene expression)

 

생물체의 DNA는 세포 구성과 기능에 필요한 모든 RNA와 단백질을 암호화하고 있다. 그러나 사전 속의 영어 단어의 나열만으로 셰익스피어의 희곡을 쓸 수 없는 것처럼, DNA 서열 속의 어느 부분들이 조합되어야만 생물이 형성될 수 있는지에 대해서 유전자 발현 개요를 이번 글에서 다뤄보겠습니다.

 

 

 

유전자-발현-조절

 

 

유전자 발현에 대한 개요

 

아주 간단한 단세포 박테리아조차도 선택적으로 유전자를 사용하는데, 예를 들어 얻을 수 있는 먹이의 종류에 따라 필요한 소화효소만을 생산할 수 있다. 다세포 식물이나 동물의 경우 유전자 발현은 한층 더 정교해진다. 정보를 처리하는 신경 세포와 독성 물질을 해독하는 간세포는 동일한  DNA를 갖고 있다고 상상하기 어려울 만큼 그 모양과 생리적 특성이 극단적으로 다르다. 다세포 생물체의 모든 세포는 동일한 유전체를 갖고 있으며, 세포분화는 유전자 발현의 변화에 의해 이루어진다. 

 

유전자 발현은 유전체 속에 암호화 된  수천 종류의 RNA와 단백질의 합성을 선택적으로 지시하는 복잡한 활동이다. 세포는 어떻게 이러한 정교한 활동을 통합적으로 조절하며, 또한 각각의 세포는 수많은 유전자 중에서 어떻게 특정 유전자만을 선별적으로 발현하는 걸까?

 

동물에서 발생이 진행됨에 따라 근육, 신경, 혈구세포 등과 같이 성체에서 볼 수 있는 다양한 종류의 분화된 세포가 최종적으로 만들어지므로, 어느 유전자를 발현할지를 결정하는 것은 대단히 중요한 문제이다. 세포분화는 세포 유형별로 각각 다른 유전자를 발현하여 서로 다른 다양한 종류의  RNA 와단백질들을 만들어 축적하기 때문에 일어난다. 

 

 

다세포 생물체에서 서로 다른 유형의 세포는 모두 동일한 DNA 를 가지고 있다

 

 

세포에서 DNA의 뉴클레오타이드의 서열의 변화 없이 유전자의 발현을 바꿀 수 있다는 사실을 알게 된 것은 분화된 세포의 유전체로 생명체의 완전한 발생을 지시할 수 있음을 보여준 실험을 통해서이다. 만약 발생과 저 동안 분화된 세포의 염색체에 비가역적인 변화, 예를 들어 일부 유전자를 제거하는 변화가 있었다면, 분화된 세포의 염색체로부터 완전한 성체를 발생시키는 실험은 성공하지 못했을 것이다.

 

예를 들어, 핵이 제거된 개구리 난자에 성체 개구리의 피부세포로부터 추출한 핵을 주입하는 실험을 생각해보자. 최소한 몇 개의 이식된 난자는 정상적으로 올챙이까지 발생이 진행되었다. 즉, 피부세포핵에는 정상적인 발생에 필요한 DNA 서열 중 어떠한 것도 변화되지 않고 온전하게 보존되어 있음을 시사한다. 이와 같은 핵 이식 실험은 양, 염소, 암소를 포함한 성체 포유동물의 분화된 세포에서도 성공할 수 있었다. 

 

 

 

세포의 유형에 따라 서로 다른 단백질들이 만들어진다

 

 

간, 심장, 뇌 등 다양한 종류의 세포에서 유전자 발현의 차이는 이들 세포의 단백질 조성을 비교해 보면 알 수있다. 많은 단백질들이 다세포 생물의 모든 세포에 공통으로 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들어, RNA 중합효소, DNA 회복효소, 리보솜 단백질, 해당작용과 같은 여러 기초대사 과정에 관여하는 효소 및 세포골격을 이루는 많은 단백질이 이러한 관리 단백질(housekeeping protein)에 해당한다. 다양한 종류의 세포는 각각의 특성에 맞는 독특한 단백질을 생산하는데, 예를 들어 포유동물의 헤모글로빈 단백질은 분화하는 적혈구 세포에서만 발현된다.

 

유전자 발현에 관한 연구는 단백질을 암호화하는  mRNA 를 포함한 세포의  RNA 분석을 통해 이루어질 수 있다. 가장 일반적으로 사용하는 분석 방법은 세포가 생성한 모든 RNA의 서열을 분석하는 것으로, 이 방법을 통해 생성된 RNA 서열의 상대적 빈도를 알 수 있다. 인간의 세포에서 mRNA 종류를 조사한 결과, 어느 시점에서든 분화된 세포에서는 총 19,000개 유전자 중 대략 5,000-15,000개 단백질-암호화 유전자가 발현된 것으로 추정된다. 다양한 조직을 대상으로 한 유전자 발현 연구를 통해 세포 유형에 따라 발현되는 mRNA의 목록이 다르다는 것을 확인하였다.