단백질은 유전자 발현의 주요 산물

유전자는 단백질을 암호화한다

DNA가 유전물질이라는 것이 알려지기 전에 과학자들은 분자 수준에서 표현형을 이해하고 있었습니다. 이들은 사람과 빵곰팡이 같은 다양한  생물에서 야생형과 돌연변이형 대립유전자를 가지는 개체들 사이의 화학적 차이를 연구해 왔고, 주된 표현형의 차이가 특정 단백질의 차이에서 유래하였다는 것을 알고 있었습니다. 그러나 서로 다른 개체에서 어떻게 서로 다른 단백질이 생성되는지는 알지 못하였습니다.

 

단백질로 유전자 산물을 확인하게 된 것은 돌연변이 연구에서 시작되었습니다. 20세기 초 영국의 의사인 개로드는 많은 아이들이 희귀한 질병을 앓는 것을 보았습니다. 질병의 공통된 증상 중 하나는 공기 중에서 오줌이 짙은 갈색으로 변하는 것이고, 이 증상은 특히 유아의 기저귀에서 눈에 띄었습니다. 이 병은 알캅톤뇨증으로 명명되었습니다.

개로드는 이 질병이 부모가 사촌지간인 경우 매우 흔하게 나타난다는 것을 알게 되었습니다. 당시에 막 재발견되었던 멘델유전학을 토대로 개로드는 사촌들이 대립유전자의 약 1/8을 공유하기 때문에, 사촌 사이인 부모에게 태어난 아이들은 희소 돌연변이 대립유전자를 양쪽 부모로부터 물려받을 수 있음을 깨달았습니다. 그는 알캅톤뇨증이 열성 돌연변이 대립유전자로 인해 나타나는 질병이라고 제안하였습니다.

개로드는 질병에 걸린 아이들의 생화학적 이상을 확인함으로써 더 자세히 분석하였습니다. 그는 이들로부터 혈액, 관절 그리고 오줌에 축적되어 있는 호모젠티신산이라는 특이한 물질을 분리하였습니다. 호모젠티신산의 화학구조는 아미노산인 타이로신과 유사합니다. 

생물학적 촉매로서 효소의 기능은 이 당시 막 발견되었습니다. 개로드는 호모젠티신산이 타이로신의 분해산물이라고 제안하였습니다. 개로드는 호모젠티시산이 정상적으로는 무해한 산물로 변환되지만, 알캅톤뇨증이 있는 어린이에게서는 이런 변환이 일어나지 않는다고 주장하였습니다. 더 나아가 그는 호모젠티신산을 분해하는 효소가 이들 어린이에게서는 생산되지 않는다는 가설을 세웠습니다. 그는 사람의 정상 대립유전자가 이러한 변환을 촉매하는 효소의 합성에 필요하다고 주장하였습니다.

개로드는 하나의 효소에 대해 하나의 유전자가 있어야 한다는 결론을 내렸고, 유전적으로 결정되는 이 생화학적 질병을 설명하기 위해 선천전 대사이상이란 용어를 만들었습니다. 그러나 그의 가설은 관련된 실제 효소와 특정 유전자 돌연변이가 확인되기 전까지 입증되지 못하였습니다. 1985년 호모젠티신산 산화효소가 정상인에서는 활성화되어 있지만 알캅톤뇨증 환자에게서는 불활성화되었다는 것이 밝혀졌고, 특정 DNA 돌연변이는 1996년에 확인되었습니다.

 

유전자와 효소를 직접 결부시키기 위해 생물학자들은 먼저 실험실에서 조작 가능한 더욱 단순한 생물에 관심을 돌렸습니다.  

 

생명을 지배하는 원리들을 설명하기 위해 생물학자들은 종종 실험적으로 조작하기 쉬운 생물을 이용하였습니다. 이러한 모델생물은 다음과 같은 몇 가지 특징을 가지고 있습니다.

 

1. 실험실이나 온실에서 키우기 쉽다.

2. 세대 기간이 짧다.

3. 교배나 기타 방법에 의해 유전적으로 조작하기 쉽다.

4. 종종 많은 수의 자손을 낳는다.

 

이 특징을 가지고 있는 빵곰팡이를 이용하였습니다. 또한 이 곰팡이는 생활사의 대부분 동안 반수체이므로, 우성 또는 열성 대립유전자가 없고 대립유전자는 모두 표현형으로 발현됩니다. 이에 생물학자 비들과 테이텀은 빵곰팡이의 표현형을 생화학적으로 정의하기 위한 연구를 수행하였습니다. 개로드처럼 비들과 테이텀은 특정 유전자의 발현은 특정 효소의 활성에 영향을 준다는 가설을 세웠습니다. 그들은 빵곰팡이를 설탕, 무기염류 및 비오틴이 들어있는 영양배지에 배양하였는데 비오틴은 야생형 빵곰팡이가 스스로 합성할 수 없는 유일한 비타민입니다. 이러한 최소영양배지를 이용하여 야생형 빵곰팡이의 효소들은 생장에 모든 대사반응을 촉매할 수 있습니다.

이 과학자들은 그런 다음 야생형 빵곰팡이에 X-선을 처리하였는데 X-선은 돌연변이원으로 작용하였습니다. 돌연변이원은 DNA를 손상시키는 것으로 유전되는 DNA 서열의 변화인 돌연변이를 유발합니다. X-선 처리 후 빵곰팡이의 일부 균주는 돌연변이를 일으켜 최소영양배지에서 더 이상 생장하지 않았습니다. 이러한 돌연변이 균주는 특정 비타민과 같은 추가적인 영양소를 공급받을 때만 생장하였습니다. 비들과 테이텀은 이들 돌연변이 균주에서 영양소 합성에 필요한 효소를 암호화하는 유전자에 돌연변이가 일어났다는 가설을 세웠습니다. 각 돌연변이 균주에 대해, 과학자들은 최소영양배지에 첨가하면 이들 균주의 생장할 수 있도록 해주는 단일 화합물을 발견할 수 있었습니다. 이러한 결과는 돌연변이가 단순한 효과를 가지며, 각 돌연변이는 대사 경로에서 하나의 효소에만 결합을 일으킨다는 것을 제시하였습니다. 이러한 결론은 개로드의 1 유전자, 1 효소설 (one-gene, one-enzyme)을 뒷받침하였습니다.

 

오늘날 분자생물학의 발달로 인해 1 유전자, 1 효소 관계는 여러 번의 변화를 거쳤습니다. 효소를 비롯한 많은 단백질은 1개 이상의 폴리펩타이드 사슬 또는 소단위체로 이루어져 있습니다. 따라서 1 유전자 1 폴리펩타이드 관계라고 말하는 것이 더 올바른 표현입니다.

 

지금까지 단백질합성 관점에서 한 유전자의 기능은 하나의 특정 폴리펩타이드의 생산을 규정한다는 것을 살펴보았습니다. 그러나 모든 유전자들이 폴리펩타이드를 암호화하고 있는 것은 아닙니다. 많은 DNA 서열들은 폴리펩타이드로 번역되지 않고 다른 기능을 갖는 RNA 분자들로 전사됩니다. 

 

즉, DNA는 유전물질이고 특정 폴리펩타이드와 RNA를 암호화합니다.