#0

이번 <우주의 진화> 강의에서 척추동물의 뼈를 끝까지 파려고 하다가 단단한 암석을 발견하였다. 그러면 경로를 스위칭해서 돌아가는 것이 좋다.

 

뱀이 왜 다리가 사라졌을까? 최근까지도 학계에서는 뱀의 진화계통을 장경룡의 모사사우르스 쪽으로 보았다. 그렇다면 뱀은 바다에서 기원해야 한다. 고생물학자가 화석을 뒤져도 헷갈리는데, 간단하게 상황이 해결이 되었다. 바다가 아닌 육지에서 기원한 것이다. 그러면 뱀의 다리가 왜 사라졌을까? 이것은 다른 차원의 질문이다. 속수무책인데, 다른 학문이 필요하다. 한큐에 해결한 것이 분자세포생물학이다. 뱀의 선조종에서 DNA상 문제가 발생한 것이다. 뱀의 다리를 못 만드는 DNA를 마우스에 삽입하면 마우스의 다리가 사라진다. 그러면 DNA를 어디에 붙였을까? 전사조절인자를 만드는 부위이다.

 

맘모스는 1만년전까지 살았다. 눈 위를 걸어다니는데 동상이 안걸렸을까? 헤모글로빈 진화정도를 데이터베이스화하여 기후환경변화에 따른 적혈구 변화를 시뮬레이션해서 증명이 가능하다. 화석으로는 증명이 어려우나 분자세포생물학은 가능하다. 예전에 소개한 <내 안의 물고기>도 절반은 분자세포생물학 이야기이다.

 

오늘 강의는 혹스유전자(Hox genes)만 전달해준다. 다음의 2문장을 암기해야 한다.

 

  1. Hox genes regulate the expression of multiple target genes

  • 혹스유전자가 만드는 단백질이 다층구조로 연결된 목표유전자에 붙어서 목표유전자의 발현을 조절한다.

  1. Highly conserved DNA binding domain

  • 최소 6억년동안 단백질을 만들어주는 혹스유전자 180개 염기(60개 아미노산 지정)는 바뀌지 않았다. 이를 Homeobox라고 한다. 

     

    자연과학은 용어가 전부이다. DNA와 단백질을 구분해야 한다. DNA에 갖다 붙는 단백질 일부를 전사조절인자라고 한다. 세포질의 단백질은 DNA와 결합하지 않는다. 핵 속의 단백질의 일부가 DNA와 결합한다. 단백질 중 가장 중요한 단백질이 전사조절인자이다. 전사조절인자는 유전자(gene)의 전후 부위에 붙는다.

     

    단백질이 DNA에 붙는 코어영역 60개는 6억년동안 안 바뀌었다. 120DNA염기코드가 안 바뀌었다는 것이다. 바뀌지 않은 120개 염기코드를 포함한 유전자(gene)혹스유전자라고 한다.  

     

    혹스연구그룹이 노벨상을 받고서, 초파리연구그룹, 마우스연구그룹, 창고기연구그룹, 선충연구그룹과 결합해서 노벨상을 다시 받으면서 생물학의 판이 뒤집어졌다. 육손이는 있으나 다리가 머리 위에 나지는 않는다. 그렇다고 그것이 불가능한 것은 아니다. 소뿔 자리에 다리가 날 수도 있다. 몸의 각 부위가 몸의 아무데나 붙을 수 있다. 우리가 당연하다고 여기는 것이 당연한 것이 아니다. 혹스유전자가 제어 못하면 눈이 손가락에 생길 수도 있다. 간혹 일어나지만 태 속에서 대부분 죽는다. 당연하다고 생각하면 자연과학 못한다. 법칙으로 금지되지 않은 모든 현상은 일어날 수 있다. 이런 일이 일어나지 않도록 막은 법칙이 혹스유전자이다.


#1-1

첫번째 프레임은 초파리 애벌레 그림이다. 흉부는 3개의 체절(T1, T2, T3), 복부는 8개의 체절(A1~A8)이 있다. mRNA 발현농도 분포를 따라 초파리 발현 유전자인 8개 혹스유전자(Hox gene)가 배치된다. 3’ 방향에서부터 lab(labial), Pb(proboscipedia), Def(deformed), Scr(sex combs reduced), AntP(antenna pedia), Ubx(ultrabithorax), abdA(abdominal A), abdB(abdominal B)이다. 이를 ‘Homeotic complex (HOM-C)’라고 한다.

 

초파리 8개 혹스유전자와 마우스의 10개 혹스유전자(HOX b)가 매칭됨이 발견되었다. lab1, pb2, 3Def4, Ser5, ‘AntP+Ubx+abdA’‘6+7+8’, abdB‘9+10과 매칭된다. 마우스에도 초파리 혹스유전자 배치가 그대로 나타나는 것이다.


#1-2

초파리 수정란의 앞쪽과 뒤쪽의 mRNA 분포가 달라진다. 모계영향유전자(maternal effect gene)에 의해서 혹스유전자는 전면과 후면의 몸의 축을 발현한다(Hox genes express anterior and posterior body axis). 앞쪽은 maternal bicoid mRNA, 뒤쪽은 maternal nanos mRNA가 단백질을 만든다. 엄마의 체세포(모계영향유전자)가 몸의 설계도를 만들어주는 것이다.

 

다음은 갭유전자(gap genes)Giant kruppel 유전자가 작용하여 몸의 구획을 만들어준다.

 

다음은 쌍지배유전자(pair-rule gene)even skipped fushi tazazu 유전자가 작용하여 7개의 줄무늬를 만들어준다.

 

다음은 체절극성유전자(segment polarity genes)14개의 체절을 만들어 준다. 혹스유전자(Homeotic genes)는 수백개 상호작용의 스위치를 올려주어 체절에 특성을 만들어준다. 라벨을 붙여주면 수백개의 목표유전자(target genes)가 해당되는 부위를 만들어준다.


#2

두번째 프레임은 초파리와 인간이 혹스유전자에 어떻게 링크되어 있는가를 보여준다. 초파리에서 발견된 고도로 보존된(Highly conserved) 8개의 혹스유전자는 120kb(12만 염기)인데, 6억년동안 안바뀌고 순서가 그대로 있다 특히 5개의 유전자가 일렬로 붙어 있다는 것은 확률상 기적에 가깝다. DNA 32억개의 염기에서 다른 유전자들은 뚝뚝 떨어져 있는데 말이다.

 

BLAST(Basic Local Alignment Search Tool)NCBI(national center of Biotechnology Information)에서 만든 생물공학연구자를 위한 데이터베이스인데, 뉴욕타임즈에서는 “Google for Biological research”라고 평가했다. 생물학의 구글 같은 존재라는 것이다. BLAST nucleo BLAST, Protein BLAST로 나뉘어져 있다.

 

초파리(Dorsophila) HOM-C(Homeotic complex)는 인간에 와서 4개로 되었다. 분자세포생물학에서 일어나는 도약은 DNA전체를 복사하는 사건이다. 인간에 와서 4(HoxA, HoxB, HoxC, HoxD)을 복사하였다.

 

HoxA11개 유전자인데, 초파리 lab1, Pb2번과 3, Def4, Scr5, AntP, Ubx, abdB6 7, abdB9, 10, 11, 13번이다. HoxA8번과 12번에 구멍이 있다. HoxA1번유전자 HoxA13198개의 염기로 구성된다.  

 

HoxB10, 11, 12번에 구멍이 나서 10개의 유전자이다. HoxC1, 2, 3, 7번에 구멍이 나서 9개 유전자이다. HoxD2, 5, 6, 7번에 구멍이 나서 9개 유전자이다.

 

염색체상 위치는 HoxA7P15.2, HoxB17q21.3, HoxC12q13.3, HoxD2q31.1이다.

 

이렇게 인간의 유전자 24,000개중, 39개가 혹스유전자로 우리 몸의 모든 위치를 정해준다. 파리의일주기 리듬을 조절해주는 유전자가 2600개이다. 그런데 훨씬 중요해 보이는 인간의 몸의 위치를 정해준 유전자가 겨우 39개이다. 다층적으로 작용하기에 가능한 일이다. 자연은 단순하지 않다. 인간의 상상을 한발 앞서간다. 우리 몸 설계도의 묘한 배열을 느껴보라.


#3-1

세번째 프레임은 6억년동안 모든 다세포생물에서 혹스유전자가 어떻게 보존되어 왔는가를 보여준다. 진화론을 모르는 것은 분자세포생물학을 모르는 것이다. 자연은 신비가 없다. 책을 복사하면서 1권 더 복사하고, 그 복사본을 변형하는 것이 진화이다.

 

다세포생물은 모두 혹스유전자를 가지고 있다. 식물(plant)abdB 1개가 있다. 해면동물(sponge)abdB1개가 있다. 강장동물(hydra)lababdB 2개를 가졌다. 선형동물(nematode)5, 초파리(drosophila)8, 창고기(amphioxus)10, zebrafish 11개 유전자(A)7세트(A-A’-B-B’-C-C’-D)를 가지고 있다. 포유류와 조류에서는 Hox A,B,C,D4세트를 가지고 있다.


#3-2

혹스유전자가 인간의 뇌간(Brain stem)에서는 어떻게 발현되는가? 중뇌(midbrain) 3개의 체절이 후뇌(hindbrain)에 초파리 복부와 같은 8개 체절(R1~R8)이 나오는 것에 섬찟 놀란다. R8에서부터 몸의 체절(somatic)이 시작되어 척추(spinal cord)가 된다. 중뇌 가운데 체절에서 Ⅲ번 동안신경(Oculomotor Nerve)이 나온다. 후뇌 R2에서 Ⅴ번 삼차신경(trigeminal nerve)이 나온다. R4에서 Ⅵ번 외전신경(abducens nerve) Ⅶ번 안면신경(the facial nerve)이 나온다. R5~R6에서 Ⅱ번 시신경(optic nerve)과 Ⅸ번 설인신경(glossopharygeal nerve)이 나온다. R7에서 Ⅹ번 미주신경(vagus nerve) 번 부신경(accessory nerve)이 나온다. 혹스유전자는 다층적으로 동작한다. 다중목표유전자(multiple target genes) 개념이다.


#3-3

혹스유전자는 어떻게 유전자를 조절하는가? 조절대상은 다른 유전자이다. 그렇다면 같은 유전자인데 어떻게 다른 유전자를 조절하는가? 물리적 실체는 단백질이다. HoxA 유전자는 HoxA 단백질을 만든다. 유전자는 단백질과 같은 개념으로 쓸 수 있다. 그렇지만 DNA를 단백질과 같이 쓰면 틀리다. 유전자는 DNA의 부분집합이다. DNA 일부가 유전자이고, 유전자가 단백질을 만들고, 단백질이 다른 유전자를 조절한다. 조절하는 단백질은 유전자에 직접 붙는 것이 아니고 조절받는 유전자의 앞에 착륙하여 유전자의 발현여부를 결정해준다. 붙는 단백질은 하나가 아니고 각종 기능을 하는 단백질이 복합적으로 붙는다. 다 붙고나서 유전자를 발현시킨다. 시운전을 한 후 필요한 단백질만 남기고 나머지는 떨어져 나간다. 그리고는 유전자로 곧장 진격한다.

 

DNA의 염기 ATGC라는 문자배열 32억개쌍은 어떤 쉼표가 없기에 염기코드가 어떻게 배열되었는지가 궁극적 미스테리이다. 리처드 파인먼은 물리학의 위대한 사실은 우주의 모든 것은 원자로 되어있다라고 하였다. 수학의 위대한 사실은 모든 수는 소수로 구성되었다는 것이다. “DNA염기코드가 어떻게 배열되어 있는가””는 생물학의 위대한 사실이다.

 

전사조절인자가 잘 내려앉는 염기서열이 알려진 것이 수십 개 있다. 착륙하는 표지의 문제이고, promotor a, b, c로 나타낸다. 유전자-D 앞에 Promotor a, b, c가 위치한다. Promotor c에 전사조절단백질-C가 내려 앉으면 유전자-D를 조절하여 단백질-D를 만든다. 단백질-D는 유전자-B promotor에 앉아서 단백질-B를 만든다. 단백질-B는 다시 유전자-Dpromotor b에 앉아서 유전자-D가 발현되지 못하게 한다. 단백질-Apromotor a에 앉으면 단백질-A와 단백질-B가 동시에 작용하여 유전자-D를 발현시킨다. 이렇게 다층적으로 동작한다.


#3-4

초파리 애벌레를 동(E)(W)(S)(N)으로 나누면, 세모 단백질은 W20-60도를 활성화시킨다. 동그라미 단백질은 W40-60도를 억제시킨다. 네모 단백질은 W30-E30도를 억제시킨다. 그러면 최종적으로 발현되는 부위는 W30-40도가 된다.

 

초기뱀이 땅굴에 살면서 다리 만드는 단백질이 필요 없어지면서 전사조절인자가 promotor의 염기이빨에 안 붙으니 이빨이 망가져버렸다. 마우스 유전자에 뱀의 망가진 promotor 염기이빨을 붙여주면 다리가 사라지는 실험결과를 얻을 수 있다.


#4

분자세포생물학에서 알아야할 것 두가지는 DNA와 단백질이다. 그래서 BLAST 검색도 nucleotideprotein 두가지로 구성되어 있다. 극단적으로 단순화해서 프레임에 담아본다.

 

6탄당 고리가 세포질로 들어오면 고리가 끊어져서 3탄당 2개가 된다. 3탄당은 미토콘드리아로 들어와서 TCA회로를 돈다. TCA회로 중 α-KG에서 세포질로 나오는 것이 아미노산과 퓨린계 염기(A, G)이다. OAA에서 아미노산과 피리미딘계 염기(C, T)가 세포질로 나온다. 아미노산은 연결되어 단백질이 된다. 세포질에 있는 단백질 종류만 16만종이다. 염기는 이빨, 아미노산은 당구공에 비유할 수 있다. 생명현상은 당구공과 이빨의 흐름이다.

 

염기(이빨)는 세포핵으로 들어간다. 핵에는 32억개 염기이빨쌍의 DNA가 있고, RNA polymerase가 작동하면 DNA 이중나선이 풀리면서 mRNA가 염기이빨의 일부를 전사(transcription)한다. RNA polymerase(RNAP) II, I, III로 나뉜다. RNAP-II는 pre-mRNA를 만든다. Pre-mRNA에는 RNP(ribonucleoprotein)가 존재한다. RNP는 아미노산과 염기가 섞여 있는 단백질이다. Pre-mRNA의 코딩부위만 짜깁기(splicing)되어 mRNA가 만들어진다. RNAP-I에서는 pre-rRNA 45S가 만들어지고, 45S는 28S, 18S, 5.8S로 성숙되어 리보솜을 형성한다. RNAP-III에서는 tRNA가 만들어진다. 세포질로 나온 mRNA rRNA와 단백질이 결합한 리보솜이 붙어서 염기정보를 읽으면 tRNA가 해당되는 아미노산을 리보솜에 붙여준다. 리보솜에서 만들어진 아미노산은 구슬로 연결되어 단백질이 되어 다시 핵 속으로 들어가기도 하고 세포질과 미토콘드리아에서 기능을 한다.

 

미토콘드리아 내막에 5개의 단백질이 박힌다. 여기서 ATP가 만들어진다. ATP도 염기이빨과 마찬가지로 세포질과 핵속으로 들어간다.  

 

DNA1.5%가 유전자이다. 나머지는 Junknon-coding부위이다. 유전자 1.5%부위를 확대하면 exonintron으로 구분된다. exon에서 아미노산을 지정하는데, 전사한 mRNAexon부위만 잘라서 리보솜을 통해 단백질을 만든다. 유전자(gene)는 아미노산을 만들어주는 염기서열정보를 갖고 있는 DNA의 한 부분이다. 이빨이 없는 단백질은 효소이고, 이빨이 있는 단백질은 RNP라고 한다. 이빨과 당구공을 연결하는 것이 생명의 정보이다.