제12장 유전자 돌연변이
진화--> 유전정보를 정확하게 후손에게 물려준다.
DNA복제 과정중에 염기서열이 변화하는 유전자돌연변이가 발생
돌연변이의 유현, 발생메카니즘, 검출, 인위돌연변이의 유기와 이용
제1절 돌연변이의 유형
1. 돌연변이의 일반적 특성
유전자 돌연변이란-->유전정보를 보유하고 있는 DNA의 염기서열에 생긴 변화
유전자는 스스로의 자기복제 능력을 유지하면서도 외부자극에 의해 돌연변이가 일어나서
유전적 다양성을 유지하고 있다.
유전적 다형(polymorphism)
동형접합(열성돌연변이), 아조변이(생장점의 우성변이)
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2. 돌연변이의 유형
1) 유전물질의 변화에 근거한 유형
점돌연변이: 염기 1쌍이 차환, 삽입, 결실등
다점돌연변이(Multi-site mutation) 2쌍이상
① 점돌연변이: missense mutation, 다른한개가치환된것(CCA->CTA로바뀌면 글리신이
아스파르트산으로 대치된다.
nonsense mutation, ACC(트리프토판지정)-->ACT, ATC 종료, 사슬종료
돌연변이, 단백질 합성이 종료된다.
Silent mutation, -->TCA, TCG로 변해도 같은 세린을 지정
② 염기전위 돌연변이와 염기전환 돌연변이
피리미딘간(일환염기, C-->T; T-->C); 퓨린간(이환염기, A-->G, G-->A) 염기전위
피리미딘에서 퓨린-->염기전환 돌연변이
* 3개 염기의 마즈막 유전암호가 일환염기 또는 이환염기끼리 바뀌면 동일한 아미노산을 지정하는 경우가 많지만< TTT->TTC(모두 리신을 지정)> 그 반대의 경우 서로다른 아미놋산을 지정하는 경우가 많다.<TTT->TTG(리신->아스파라긴산으로 대치>
③ 격자이동돌연변이(frameshift mutation)
염기쌍 하나가 이동되거나 삽입되면 전부 바뀐다.
④ 복귀돌연변이
야생형-->다른서열로 바뀌면 정돌연변이, 야생형으로 바뀌면-->복귀돌연변이
2) 표현형의 변화에 근거한 유형
* 형태적돌연변이(可視突然變異)
致死突然變異(劣性인 경우가 대부분)
條件突然變異(온도감수성), 조건치사돌연변이
* 생식돌연변이(germ cell mutation)와 체세포돌연변이(somatic cell mutation)
* 자연돌연변이(spontaneous)와 인위돌연변이(induced mutation)
제2절 돌연변이의 메카니즘
1. 돌연변이와 단백질 합성
아미노산의 전하(+/-)에 따라 3차구조가 변화하여 효소의 기능이 달라진다.
* +전하(리신)->메치오닌(0) 치환되거나 또는 (-)를 띈 아스파라트산이 히스티딘(+)을 치환되면
단백질 3차구조가 달라진다.
* 같은 양전하를 가진 리신과 히스티딘간의 치환에서는 단백질의 3차구조가 바꿔지지않음.
* 단백질 활성부위에 있는 아미노산의 대체는 -->영향이 크고,
측지가 다른 아미노산간의 대체, 프로린이나 시스테인이 다른 아미노산과 대체되면 표현형이
변한다.
2. 염기쌍 치환
티민과 구아닌 -->케토형(keto; C=O), 에놀형(enol; OH-C)
아데닌과 시토닌--> 아미노형(amino), 이미노형(imino)
* 티민(케토형)일때->아미노형인 아데닌과 결합, 에놀형일때 아데닌 대신 구아니과 결합하는
염기전위(transition) 가 일어난다.
* 아데닌(amino형)->imino형으로 바뀌는 경우 티민대신 시토신과 결합->염기전위
* 토토머화(tautomerization): 카르보닐(carbonyl)화합물에 결합되어 있는 수소원자(H)의 위치가
바뀌어 異性質體가 되는 즉 케토형과 에놀형이 상호변환되거나 아미노형과 이미노형이 상호
변환되는 현상으로 DNA염기치환의 원인이 된다.
* 탈아미노화(deamination)
시토신과 아데닌이 탈아미노화가 되면 우라실과 하이포크산틴으로 바뀐다 ->염기전위.
하이토산틴은 시토신과 결합, 원래 시토신-구아닌 염기쌍은 티민-아데닌으로 바뀌고 아데닌-
티민 염기쌍은 구아닌-시토신으로 바뀐다. --->염기쌍 치환이 일어난다.
3. 염기 삽입 및 결실
* frameshift mutation의 경우 -> AAAA, TTT같은 연속 배열 중에서 염기하나가 순간적으로
빠져나와서 생길수가 있다.
* 염기 한두쌍이 아니고 수천- 수백쌍으로 이루워진 DNA단편이 삽입되는 경우->
이동유전자(transposon), 전이유전자(transposon)
4. 돌연변이 유발유전자(mutator gene)
* Mutator gene: 돌연변이율을 증가시키는것,
DNA중합효소 활성을 저하시켜 DNA복제시 잘못을 교정하는 기능을 저하시킴.
(E. coli DNA중합효소II 밀접한 관계가 있어서 DNA복제과정중 아데닌 티민염기쌍을 시토닌--> 구아닌 염기쌍으로 쉽게 바꾼다)
5. 돌연변이와 DNA수선
자외선에 의해서 형성된 피리미딘 2량체 때문에 발생한 DNA상처의 수선방법
1) 광회복: 광회복효소가 피리미딘 2량체에 결합을 절단하여 원래 상태의 염기로 환원
2) 제거수선: 상처부위를 제거하고 원래 DNA를 재합성하여 연결시키는 방법
* 뉴클레오티드제거수선: 피리미딘2량체에의한 상처수선
* 염기제거수선: 탈아미노화된 염기가 DNA glycosylase나 엔도뉴클레아제의 작용으로
DNA에서 제거되는 것
3) 재조합수선(recombination repair): 상처부분의 DNA를 상보적인 관계로 재조합하여 메운다.
4) SOS 수선: 상처부분를 부정확한 염기서열로 보수한다.
6. 돌연변이와 전이인자
* 위치를 이동 할 수있는 DNA 단편(transposable element 또는 transposon):
전이유전자가 다른 유전자의 프로모터에 삽입되면 그유전자는 전사가 일어나지 않으며 액숀
부분에 끼어 들어가면 번역격자이동이 일어나 전여 다른 아미노산을 지정하게 된다.
전이인자는
* 첫번째: IS(insertion sequence)으로 양쪽 끝에 역반역배열을 가진 크기가 작고 이동에 필요한
유전정보만을 가진것
* 두번째: IS가 있고 그사이에 항생제 저항성, 박테리아독소, 병원성 또는 특정의 당분해성 유
전자를가진 Tn(transposon); Tn은 어느부위에도 삽입되는 것과 특정부위에만 삽입되는
것이있다.
* 진핵생물의 전이인자는 양쪽 끝에 250-600bp의 긴 말단 반복배열을 가지며 이동해야 할
DNA는 먼저 RNA로 전사된 후 이것이 다시 두가닥 DNA로 역전사되어 새로운 위치에 삽입.
제3절 돌연변이 검출법
1. 돌연변이율
* 총개체수에 대한 돌연변이 개체수의 비->돌연변이율(mutation rate)
* 돌연변이율은 생물의 종류 및 유전자의 종류에 따라 다르게 나타나는 이유--> DNA복제과
정중에 작동하는 교정기능의 차이와 상처난 DNA 에 대한 수선기능의 차이가 그
원인이 될수있다. 박테리아는 세대수가 빨라 돌연변이율 검출이 용이하다.
2. 돌연변이 검출법
* 가시돌연변이->우성돌연변이(이형접합상태에서도 표현형 변이)
열성돌연변이(동형접합자일때만 표현형으로 나타남)->검정교배
* 반성돌연변이->수컷에서 쉽게 찾아냄
* 치사돌연변이-> 우성치사유전자->동형,이형모두치사;
열성치사유전자->이형접합에서 정상, 동형인 경우 모두치사
* 평행치사유전자-> 두종류의 열성치사유전자가 동일한 염색체 상에 각각 이형접합상태로 위치.
* 미생물의 영양요구성 돌연변이-> 세균의 항생물질저항성 변이주를 검출하는데 replica plating
method이용
제4절 인위돌연변이의 유기와 이용
1. 돌연변이 유기원
* 1927년 Muller가 초파리에 X선을 처리->인위돌연변이 유기
* mutagen(돌연변이 유기원): 돌연변이율을 증가시키는 물리적요인 및 화학물질
물리적요인(자외선과 전리방사능)
화학적물질(염기유사물질, 알킬화물질, 색소류 및 기타물질)
1) 자외선(ultraviolet light;UV)->자외선의 에너지가 DNA에 흡수 여러가지 광합화학반응을 일
으켜 피리미딘 2량체형성(염기간격이 좁아져서 이부분의 DNA복제가 어렵다), 수화, 탈아미
노화 현상(염기쌍치환을 유발하여 돌연변이율을 증가시킨다)을 일으킨다.
2) 전리방사선(ionizing radiation):X, r 열선, 중성자등과 같이 전자의 방출에 의해 물질분자에
전리현상을 일으킨다. DNA사슬의 절단, 염기파괴, 염기유리, 수소결함의 절단, 무기인산의유리
3) 염기유사물질(base analogue): DNA복제시 염기쌍 형성에 끼어든다.
4) 알킬화물질(alkylating agent): 황머스커드(sulfur mustard)를 포함한 dMS, dES, MMS, EMS,
MNU, ENH등 알킬기를 가지고 있는 화학물질이 이에 속한다.
* 알킬화 반응을 일으키어 DNA 복제시 정상적인 염기쌍 형성을 방해한다.
* 식물세포의 돌연변이 유기제로 사용
5) 아크리딘색소(acridine): prroflavine과 acridine orage등이 있으며 ->박테리아에서 돌연변이를
유기한다.
6) 아질산, 히드록실아민 및 아지드:
* 아질산(nitrous acid: HNO2)는 염기에서 아미노산기(-NH2)를
케토(=O)변동시키는 탈아미노산화 작용을 한다. -> 염기전위 돌연변이 유발.
* 하드록실아민(NH2OH): 시토신과 반응할때 만 염기전위를 이르킨다. 시토신의 아미노기와 반
응하여 히드록실이민(=N-OH)을 가지는 히드록시시토신을 형성 아데닌과 쌍을 이루므로써
염기쌍 GC->AT로 바뀐다.
* 이지드(azide): sodium azide(NaN3)가 널리 사용된다.(pH가 낮은 상태에서 효과가 크다)
2. 돌연변이 유발방법
1) 방사선감수성과 처리방법;
*LD50 : 방사선 감수성을 표시하는 단위.(방사선 처리후 일정시간후에 50%가 치사하는 선량)
2) 화학물질 처리방법
*생물의 종류, 처리부위, 처리당시의 온도,수분함량,광선등에 여러가지요인에 의해 영향을 받음
* 식물의 경우->알킬화물질과 azide로써 종자, 생체 및 배양세포에 모두 처리
* 영양번식개체->생체처리후 가장효과적인 발육단계와 처리부위를 찾아내어야 한다.
3. 돌연변이의 이용
* 유전학을 연구하는 중요한 도구
* DNA분자 내부에서 일어나고 있는 변이의 종류와 변이 발생의 메카니즘을 밝히고 그것이 형
질발현에 어떤 영향을 끼치는가를 구명하는 등 생명현상의
본질탐구에 이용.