센트럴 도그마

바이오메디컬 공학 수업 레포트

센트럴 도그마에 대해 알아보고, 단백질에서 유전자의 정보를 얻어내는 것이 가능한지에 대해 의견을 밝힌다.

 

센트럴 도그마란?

프랜시스 크릭(Francis Crick)이 1958에 발표한 이론으로서 DNA는 복제(replication) 를 하고, 이제 복제된 DNA중 하나를 틀로 삼아 전사(Transcription) 하면 RNA가 되며, RNA를 번역(Translation) 하면 단백질(protein)이 된다는 이론이다. 크릭이 제안한 최초 개념은 유전정보의 방향은 항상 DNA에서 RNA를 통해 단백질을 향한 일방향으로만 흐르며, 반대의 경우는 없다는 것이다.

센트럴 도그마의 과정

DNA는 세포의 핵 속에 있는데, 어떤 단백질을 만들어 낼 지에 대한 유전 정보를 담고 있다, 이렇게 DNA는 단백질 정보를 가지고 있지만 함부로 다루다가 손상되면 회복이 되기 어렵기 때문에, DNA를 직접 이용하지 않고 대신 DNA의 유전 정보를 복사한 RNA를 생성하여 이를 이용한다. 이 과정을 전사라고 하며 이렇게 전사된 RNA를 mRAN라고 부른다. 프로그래밍에 비유를 하자면 DNA는 명세서의 원본이며, mRNA는 명세서를 복사한 사본에 해당한다. 명세서의 원본은 보호를 위하여 안전한 금고 내부에 보관이 되어있고, 만약 이 명세서를 다른 프로그래머에게 전달할 경우 원본을 직접 금고에서 꺼내서 주는 것이 아니라 금고 안에서 복사된 사본을 꺼내 주는 것이다.

이렇게 전사된 mRNA가 핵공(핵막에 있는 구멍)을 지나 핵 밖으로 이동하면 리보솜이 mRNA에 부착된다. 리보솜에 mRNA가 부착되면 가벼온 유전정보에 맞는 아미노산만 차례로 붙게 된다. 이러한 아미노산을 가져오는 운반체 구실을 하는 것이 tRNA이다. 그리고 아미노산끼리 연결되어 펩티드 결합을 하며 아미노산으로 이루어진 사슬(폴리펩타이드)이 만들어진다. 비유하자면 리보솜은 폴리펩타이드를 만드는 코딩과정인 셈이다. 이 과정을 번역이라고 한다. 그리고 폴리펩타이드는 나중에 이런저런 과정으로 구조가 접히고 가공되면서 단백질이 완성된다.

센트럴 도그마는 절대적인 이론일까?

모든 생명현상이 그렇듯이 센트럴 도그마에도 예외가 발견된다. 센트럴 도그마의 핵심은 정보가 한 방향으로 흐른다는 것인데 그에 맞지 않는 사실들이 발견되고 있다. 대표적인 예가 RNA에서 DNA가 거꾸로 만들어지는 것이다. 그러나 dna에서 mRNA를 만들고 이를 통해서 단백질을 만든다는 사실 자체는 거의 모든 생명체에서 잘 보존되어 있는 현상이다.

RNA 에서 DNA로

1970년 Hawoard Termin와 David Baltimore 가 종양을 일으키는 RNA바이러스가 감염된 후 오랫동안 유전정보가 남아 있는 것을 발견하고 역전사 효소(Reverse transcriptase)를 발견했다. 두 사람이 이 효소를 발견하면서 센트럴 도그마가 좀 수정되었다. RNA에서 DNA가 거꾸로 만들어지는 것이다. 그 전까지는 생각도 못한 일이었다. 하지만 센트럴 도그마가 너무 지배적이어서 이 연구가 오랫동안 인정을 받지 못했다.

역전사 과정 : Retrovirus

바이러스는 일반적인 생물과는 달리 숙주 세포속에서 자신의 유전자와 몸을 구성하는 단백질을 만들어서 증식한다. 바이러스는 유전물질로 DNA와 RNA 둘 중 한가지만 가지는데 RNA바이러스중 일부는 숙주세포에 감염된 후, 역전사과정을 거친 후 자신의 DNA에 대한 상보적 DNA를 합성하여 DNA분자를 매개로 하여 증식한다. 이와 같은 바이러스는 역전사 바이러스 (Retrovirus)라고 하며 역전사 바이러스는 RNA주형에 따라 DNA를 합성하는 역전사반응을 촉매 하는 역전사 효소를 갖고 있다. 사람에게 감염되어 후천성 면역 결핍증후군 AIDS를 유발하는 HIV는 대표적인 레트로 바이러스이다. 그림4은 레트로 바이러스의 대표적인 예시인 HIV가 증식하는 과정이다. 당단백질과 외피로 둘러싸인 역전사 효소와 RNA와 단백질피막으로 구성된 HIV바이러스가 숙주세포막과 gp120부분에서 융합을 한다. 그렇게 바이러스의 단백질과 RNA가 숙주세포내로 방출이 된다. 세포질에서 역전사 효소에 의해 바이러스 RNA에 상보적인 가닥CDNA가 합성된다. 그렇게 새로 합성된 DNA에 상보적인 두번째 DNA가닥이 합성된다. 이 DNA가 숙주세포의 핵속으로 들어가 염색체 속의 DNA로 끼어 들어서 프로바이러스DNA가 합성된다. 프로 바이러스 DNA는 핵에서 볼 수 있고 그것이 전사되어 mRNA에의해 바이러스 단백질이 합성된다. RNA와 합성된 단백질이 모여 새로운 바이러스가 만들어진 후 세포밖으로 나와 다른 세포를 감염시킨다.

그림 4 레트로 바이러스

단백질에서 DNA로

그렇다면 단백질로 DNA를 만드는 것이 가능할까? 나는 가능하지 않다고 생각한다. DNA와 단백질은 화학적으로 같은 원소로 되어 있지만 구조가 완전히 다르다. 구조가 다른 이유는 기능이 다르기 때문인데, DNA는 유전정보를 전달해야 하므로 틀리면 큰일이기 때문에 고정된 구조를 가지고 정확한 정보를 전해준다. 하지만 단백질은 엄청나게 다양한 일을 해야 하기 때문에 다양한 형태를 가진다. 그래서 단백질은 DNA보다 훨씬 자유롭다고 할 수 있다.

하나의 DNA로 2개 이상의 단백질을 만들 수 있다.

인간의 유전자의 수는 하등생물인 미생물과 별반 차이가 없는 3만5,000~4만 사이로  10 만 개 이상인 인체 단백질의 수에 비해 훨씬 적다. 단백질은 RNA로부터 만들어지고 RNA는 DNA로부터 만들어지는데 단백질의 원형으로 작용하는 유전자의 수와 단백질 수의 이 같은 차이는 어떻게 설명할 수 있을까 하는 RNA 스플라이싱 (splicing)으로 설명할 수 있다.  RNA 스플라이싱 (splicing)의 핵심개념은 하나의 유전자로부터 2개 이상의 단백질을 만들 수 있다는 것이다. 고로 DNA 하나당 단백질 하나씩 만들어 내는 것이 아닌 한 종류의 유전자로 2개 이상의 단백질을 만들어 낼 수 있다는 것이다. 때문에 생물은 적은 수의 유전자로 그보다 많은 수의 단백질을 만들 수 있다. DNA를 하나의 프로그램을 짜기 위한 명세서A 라고 생각을 할 경우, 단백질은 프로그램을 실행시키기 위해 만든 하나의 함수라고 할 수 있다. 하나의 함수를 보고 원래의 명세서 전체의 내용을 유추하기는 힘든 것처럼 단백질 하나를 가지고 유전자의 모든 정보를 얻는 것은 불가능하다고 생각한다.

단백질은 DNA의 소량의 정보만을 가지고 있지 않다.

Genome Biology and Evolution에 발표된 한 논문에 따르면 인간의 DNA 중 의미를 지니고 있는 부분은 최대 25%정도, 즉, 다시 말하자면 75%의 DNA 는 아무런 의미가 없는, 소위 쓰레기(junk) DNA 라는 주장이 제기되었다. 또한 많고 긴 DNA중에 단백질로 코딩 되는 것은 1%밖에 되지 않는다. 나머지는 유전정보를 담고 있지 않는 염기서열이다. 유전정보를 담고 있는 염기서열을 엑손(exon)이라하고 그렇지 않은 염기서열을 인트론(intron)이라고 부른다. 때문에 인간의 DNA는 엑손과 인트론이 불규칙적으로 연결돼 있고 이를 전사한 RNA 역시 엑손과 인트론이 불규칙적으로 연결돼 있다.  왜 대부분의 유전자가 발현되지 않는지는 연구를 더 해야 하는 부분이다. 실제로 단백질을 만들지는 않지만 다른 유전자의 발현을 조절하거나 다른 염색체 부분의 구조를 조절하는 RNA도 있다. 그러니까 단백질을 만들어내지 않는 부분이 필요 없다고 할 수는 없지만 실제로 아무 역할을 하지 않는 것처럼 보이는 부분들도 있다.  그 부분들이 단백질을 만드는 데 없어도 된다면 생성된 단백질에 그 부분에 대한 정보도 없을 것이고, 없는 정보를 가지고 원래의 명세서인 DNA를 만드는 것은 불가하다.

단백질은 변할 수 있다.

동일한 수정란에서 둘로 분리돼 태어난 일란성 쌍둥이는 유전자가 같다. 하지만 두 사람의 생활 환경에 따라 두 사람의 단백질은 다를 수 있다. 농사를 짓는 쌍둥이 언니와 도시에서 사무직인 동생의 피부 노화 정도는 다르다. 고로 같은 DNA로 만들어진 단백질이라도 다를 수 있다. 그렇기 때문에 DNA A에서 나온 두 쌍둥이의 단백질은 같은 단백질인 a, a를 만들어 내야 하지만 환경에 따라 a, a’ 로 다를 수 있다. 하지만 단백질의 구조가 다양할 수 있는 만큼, 단백질이 어떤 조건에 의해 구조가 변형되면 질병을 일으키는 등 문제가 생길 수도 있다. 예를 들어 단백질의 구조가 변형되어 머릿속에 있는 신경세포를 죽이면 치매나 파키슨 병이 생긴다. 단백질은 다양한 구조를 가질 수 있기 때문에 단백질에 있는 정보로 DNA를 만들 경우 부정확한 정보를 전달할 수 있기 때문에 원본과 같은 DNA를 만들기는 어렵다고 생각한다.

참고자료

생명이란 무엇인가 2장 유전기전 - 에르빈 슈뢰딩거

물질에서 생명으로 LECTURE 04 단백질: 3차원의 마술사 _김성훈

Central Dogma of Molecular Biology -Francis Crick

RNA–Protein Interactions That Regulate Pre-mRNA Splicing - Ravinder Singh

An Upper Limit on the Functional Fraction of the Human Genome - Dan Graur