유전자와 게놈의 기초

DNA

1.1 생물학적 고분자 게노믹스와 바이오인포매틱스

유전 정보는 핵산과 단백질과 같은 생체 고분자의 형태로 세포에 저장됩니다. 유전 정보는 생물 전체의 기능을 구동할 뿐만 아니라 진화 엔진도 구동합니다. 그러므로 생명의 분자 기반을 이해하는 것은 유전 정보가 어떻게 생명을 형성하고 생명을 움직이는지를 이해하는 기초가 됩니다. 이 글에서는 유전자와 게놈의 구조와 기능의 몇 가지 기본적인 측면을 이 정보의 응용에 관하여 설명합니다.

 

1.2 보편적인 유전 물질로서의 DNA

몇몇 예외를 제외하고, 데옥시리보 핵산 (DNA)는 보편적인 유전 물질입니다. RNA 바이러스라고 하는 일부 바이러스에서는 RNA가 유전 물질입니다. 리보바이러스라는 용어는 라이프사이클의 일부분에서 RNA 기반인 레트로바이러스를 비롯한 단일 및 이중 RNA 게놈을 가진 바이러스에 사용됩니다. RNA 바이러스 중 레트로 바이러스는 잘 알려져 있습니다. 그중에는 악명 높은 에이즈 바이러스도 포함됩니다. 레트로 바이러스는 라이프 사이클에서 게놈의 RNA 버전과 DNA 버전을 모두 가지고 있기 때문에 독특합니다. 완전한 레트로 바이러스에는 RNA 게놈이 포함되어 있습니다. RNA 게놈은 단일 가닥 RNA 게놈을 이중 가닥 DNA 게놈으로 변환 한 다음 숙주 게놈에 통합하는 데 필요한 몇 가지 단백질 산물을 코딩합니다. 그러한 단백질 중 하나 레트로 바이러스 게놈의 산물은 역전사 효소 (RT) 효소입니다. 세포에 침입하면 숙주 세포 메커니즘을 사용하여 바이러스 RNA 게놈에서 역전사 효소가 생성됩니다. 그런 다음 RT는 단일 가닥 RNA 게놈을 단일 가닥 DNA에 복사하여 이중 가닥 바이러스 DNA 게놈을 생성합니다. 이중 가닥 바이러스 DNA 게놈은 프로 바이러스라고 불리며 숙주 게놈에 통합되어 거기에서 단일 가닥 RNA 게놈을 가진 더 많은 레트로 바이러스 입자를 계속 생성합니다.

 

1.3 DNA 이중 나선

DNA 이중 나선의 구조와 그 구성 요소는 모든 생물학 교과서에 설명되어 있습니다.
DNA는 이중 가닥 오른쪽 권선 나선입니다. 2개의 사슬은 상보적인 염기쌍 형성에 의해 상보적이고, 2개의 사슬은 5' 230의 방향이 반대이기 때문에 역평행 합니다. 나선형 DNA 분자의 직경은 20 Å (52 nm)입니다. DNA의 나선 구조는 주 홈과 서브 홈이 번갈아 형성됩니다.
1.3.1 DNA의 구조 단위
DNA는 뉴클레오티드(Deoxyribo Nucleic Acid)로 불리는 구조 단위로 구성됩니다. 각 뉴클레오티드는 펜토스 당(2'-데옥시-D-리보스)으로 구성되어 있습니다. 4 개의 질소 염기 중 하나 - 아데닌 (A), 티민 (T), 구아닌 (G) 또는 시토신 (C). 그리고 인산염. 펜토스 당에는 5개의 탄소 원자가 있으며 10(1-소수)에서 5'(5-소수)까지 번호가 매겨집니다. 염기는 당의 10개의 탄소 원자에 결합하고 인산염은 50개의 탄소 원자에 결합합니다. 당과 염기는 뉴클레오시드를 형성하고, 뉴클레오시드와 인산은 뉴클레오티드를 형성한다. 따라서, 뉴클레오시드 5 당 1 염기, 뉴클레오티드 5 당 1 염기 1 인산입니다.
1.3.2 뉴클레오티드 간의 결합
뉴클레오타이드는 5'-3' 포스포디에스테르 결합에 의해 결합된다. 즉, 뉴클레오티드의 5'-인산은 포스포디에스테르 결합에 의해 이전 뉴클레오티드의 3'-OH에 결합된다. 선형 DNA 분자에서 5 '말단에는 유리 인산이 있고 3'말단에는 유리 OH기가 있습니다. 각 포스포디에스테르 결합에는 두 가지 측면이 있습니다. 1개는 이전 뉴클레오티드의 3' 말단에 결합하고 50 측은 다음 뉴클레오티드의 5' 말단에 결합합니다. 3 '측은 관례적으로 A 측이라고 불리며, 그 절단은 5'-PO4 생성물을 생성한다. 5 '측은 관례에 따라 B 측이라고 불리며, 그 절단은 3'-PO4 생성물을 생성합니다.
1.3.3 염기쌍 규칙, 이중 나선 및 삼중 나선
이중 가닥 DNA에서, A는 2개의 수소 결합에 의해 T와 쌍을 이루고, G는 3개의 수소 결합에 의해 C와 쌍이 됩니다. 따라서 DNA의 GC가 풍부한 영역은 더 많은 수소 결합을 가지므로 열 변성에 대한 내성이 높아집니다. 각 뉴클레오티드 쌍 (AaT 및 GaC)의 분자량은 약 660 Da (나트륨 염, 나트륨이 없는 경우 610)입니다. 나선형 이중 가닥 DNA 분자에서는 당 포스페이트 골격이 바깥에 있고 염기가 안쪽에 있습니다. 기본 쌍은 쌓이고 수평하게 됩니다. 따라서, 그들은 DNA의 축에 수직입니다. DNA 내의 염기쌍은 적층 되는 성질이 있기 때문에, 공간적으로 평탄한 분자가 염기쌍 사이에 삽입될 가능성이 있습니다. 4개의 염기 중 A와 G는 푸린이지만 T와 C는 피리미딘입니다. 이중가닥으로 DNA, 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룹니다 (A와 T, G와 C). 따라서, 퓨린의 총량은 피리미딘의 총량과 동일해야 한다. 즉, 퓨린/피리미딘 비율은 1.0 또는 1.0에 가까워야 합니다. 이중 가닥 DNA에서 이 퓨린 피리 미딘의 등가성을 샤르가프 법칙이라고 합니다. 염기에서, 헤테로사이클의 N1 위치를 갖는 측은 "전"이며, 왓슨 클릭 에지라고도 불린다. 다른 쪽은 '뒷면'으로, 후그 스틴 에지라고도 합니다. 푸딩에는 "등"을 형성하는 이미다졸 고리가 있습니다. 따라서 푸딩에서 이미다졸고리의 N7 위치는 후그 스틴 가장자리의 일부입니다. 염기의 후그 스틴 가장자리는 DNA 이중 나선 가장자리 (외부)를 향해 위치하지만 왓슨 클릭 가장자리는 내부에 있습니다. DNA와 RNA의 일반적인 염기쌍 형성 (왓슨 클릭 염기쌍 형성)에는 두 개의 상보적인 염기의 왓슨 클릭 가장자리 (즉, 전방)가 관여합니다. 그러나, 후그 스틴 가장자리는 추가 수소 결합 사이트를 제공합니다. 따라서 일반적인 이중 나선의 AaT와 GaC의 염기쌍은 추가적인 수소 결합 (푸그스틴 수소 결합)을 형성하여 푸딩의 후그 스틴 가장자리, 즉 세 번째 가닥의 A와 G의 N7 포함 삼중 나선을 생성할 수 있습니다. 후그스틴 수소 결합은 RNA에서도 형성됩니다. 핵산에서 호모푸린의 스트레칭이 존재하면 호모피리미딘의 스트레치가 후그스틴 수소 결합을 통해 혼성화되어 DNA 삼중 나선의 섹션을 형성한다. 호모피리미딘을 포함하는 세 번째 가닥은 올리고푸린 가닥과 평행하게 배향되지만, 호모푸린을 포함하는 세 번째 가닥은 올리고프린 가닥과 역평행으로 배향됩니다. 35 염기의 경우 두 가지 입체형태 변화가 가능합니다. 데옥시리보스 당의 10개의 탄소를 염기에 결합하는 결합은 N-글리코시드 결합이다. 이 염기와 당의 글리코시드 결합을 중심으로 한 회전에 의해, 씬 및 안티배좌가 생깁니다. 안티 구조는 가장 일반적인 구조입니다. 그러나, syn 구조는 삼중 나선의 형성을 일으킬 수 있으며, 트랜스버전 돌연변이에도 역할을 합니다.