18. 작물의 유전자돌연변이 및 조작

- 작물의 유전자돌연변이 및 조작

 

- 작물의 염색체와 유전자는 다음과 같다(3).

 

- 유전자와 단백질

형질의 특성은 유전자 산물인 단백질의 기능과 환경의 영향에 의하여 나타난다. 단백질은 세포 내에서 효소(생물의 세포 안에서 합성되어 생체 속에서 행하여지는 거의 모든 화학 반응의 촉매 구실을 하는 고분자 화합물을 통틀어 이르는 말)로 작용하여 화학반응을 촉매하고, 유전자발현을 조절하는 인자(생명 현상에서 어떤 작용의 원인이 되는 요소. 환경 인자, 영양 인자, 유전 인자 따위로 나눈다)로 작용한다. 또한, 단백질은 물질을 운반하고, 저장, 운동, 방어 등 세포와 조직의 기능 및 특성을 결정하는 데 중심 역할을 한다.

 

단백질은 20종류의 아미노산으로 구성된 고분자물질이다. 아미노산들은 펩티드결합(두 아미노산 분자 사이에서, 한쪽의 아미노기와 다른 쪽의 카복시기가 물 분자를 잃고 이루어진 결합. 단백질의 대표적인 결합 방식이다)에 의하여 연결되어 ‘폴리펩티드(polypeptide)’가 되며, 폴리펩티드를 구성하는 아미노산 서열은 유전자에 의하여 결정된다. 다시 말하면, 각 폴리펩티드는 특정 유전자에 의하여 만들어지는데, 이를 ‘1 유전자 - 1 폴리펩티드’라고 한다.

 

폴리펩티드가 특정한 구조를 이룰 때 이를 ‘단백질’이라고 부르며, 많은 종류의 단백질은 2개 이상의 폴리펩티드로 구성된다.

 

- 유전자돌연변이

유전자 DNA는 구조적으로 안정되어 있으며, 또한 DNA의 두 가닥이 상보적인 염기쌍을 형성하기 때문에 두 가닥 중 한 가닥이 손상되면 나머지 가닥을 이용하여 복구할 수 있다. 세포는 DNA의 손상을 수선하는 메커니즘을 가지고 있다.

그럼에도 불구하고 방사선이나 화학물질 등에 의하여 DNA는 염기의 치환, 첨가, 결실 등이 일어나 ‘유전자돌연변이’가 생긴다. 유전자돌연변이 중에서 유용한 것은 자연선택에 의하여 다음 세대로 유전된다.

 

유전자돌연변이는 표현형의 변화에 의하여 여러 유형으로 나누어질 수 있다. 자연집단에서 흔히 나타나는 표현형을 ‘야생형’이라 하고, 이것이 돌연변이에 의하여 새로운 형으로 바뀌는 것을 ‘정방향 돌연변이’라고 하며, 변이형이 다시 야생형으로 돌연변이 되는 것을 ‘복귀돌연변이’라고 한다. 돌연변이가 특정 조건에서만 표현형이 나타나는 것을 ‘조건 돌연변이’라 하고, 돌연변이로 인해 생존할 수 없는 경우에는 ‘치사돌연변이’라고 한다.

 

자연적으로 발생하는 유전자돌연변이는 10^(-6)~10^(-5)에 불과하지만 생물의 유전적 다양성을 유지하고 진화의 소재가 되며, 실용적으로는 유용 물질 생산에 이용하거나 육종의 재료를 제공한다. 또한, 유전자와 유전물질 분석, 생화학적 대사경로 분석, 유전자발현 및 조절 메커니즘 규명 등 유전학 연구의 재료가 된다.

 

- 유전자조작

1. 재조합 DNA

유전자조작은 다른 생물의 DNA 가닥에서 잘라낸 DNA 단편(외래유전자)을 ‘운반체 DNA(vector)’에 연결하여 ‘재조합 DNA’를 만들고, 그 재조합 DNA를 숙주세포(기생 생물이 감염할 수 있는 세포. 세균과 같은 단세포 생물에서부터 고등 생물의 특정한 세포에 이르기까지 다양하며, 기생 생물의 종류에 따라 감염할 수 있는 세포가 제한되어 있다)에 도입하여 증식하는 과정을 통해 이루어진다. 이 과정을 ‘유전자클로닝’이라고 하며, 유전자클로닝에 의하여 증식한 세포 집단을 ‘클론(clone)’이라고 부른다.

 

유전자클로닝을 위해서는 DNA를 자르는 ‘제한효소’와 끊어진 DNA를 이어주는 ‘연결효소’가 있어야 하고, 또 재조합 DNA를 숙주세포로 운반할 ‘벡터’가 있어야 한다. 유전자조작에서 제한효소는 ‘가위’의 역할을 하고, 연결효소는 ‘풀(접착제)’로서 작용한다.

 

ㄱ. 제한효소

제한효소는 DNA의 특정 염기서열(제한부위)을 인지하여 절단한다. 제한효소는 원핵세포에서 생산되는 DNA 절단효소로서 이제까지 400여 종류가 발견되었다. 제한효소의 이름은 그 효소가 분리된 미생물 속명의 첫 글자와 종명의 처음 두 글자를 합하여 세 글자로 하고 이탤릭체로 쓴다. 예를 들면, Escherichia coli에서 분리한 제한효소는 Eco로 쓴다. 그리고 발견된 순서에 따라 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 등을 붙인다.

 

많은 제한효소는 제한 부위의 염기서열을 엇갈리게 절단함으로써 한 가닥의 점착성 말단(sticky end)을 가진 DNA 단편을 만든다. 이러한 DNA 단편은 상보적인 점착성 말단을 가진 다른 DNA와 결합하여 재조합 DNA를 만들 수 있다. 이때 연결효소의 작용에 의하여 끊어진 DNA의 당-인산이 연결되어 완전한 DNA가 된다. 연결효소는 모든 세포에서 생성되는데, 유전자조작에서는 대장균과 ‘T4 파지(박테리오파지 T4는 바이러스의 일종이다. 박테리아인 Escherichia coli를 숙주세포로 삼기 때문에 박테리오파지의 일종으로도 분류된다. 간단하게 T4 파지라고 한다)’의 연결효소를 주로 사용한다.

 

ㄴ. 벡터

벡터(vector)는 외래유전자(DNA 단편)를 숙주세포로 운반해 주는 유전자운반체이다. 벡터는 외래 DNA를 삽입하기 쉽고, 숙주세포에서 자기 증식을 할 수 있어야 하며, DNA 재조합형을 식별할 수 있는 표지유전자(ex. 암피실린 저항성 유전자 ampR)를 가지고 있어야 한다. 유전자클로닝에 많이 사용되는 벡터는 대장균 박테리아를 숙주로 하는 플라스미드(plasmid)와 박테리오파지(bacteriophage)이다.

 

ㄷ. 유전자클로닝

외래유전자(DNA 단편)를 벡터에 연결해 재조합 DNA를 만든 다음에는 그것을 숙주 박테리아에 주입한 후 형질전환세포를 선발하여 증식시킨다.

 

재조합 DNA를 주입할 때 박테리아에 50mM 정도의 염화칼슘(CaCl2)을 처리하면 세포막의 투과성이 높아져 DNA가 잘 흡수된다. 일단 박테리아로 들어간 재조합 DNA는 숙주세포가 분열할 때마다 함께 복제되어 대량 증식함으로써 형질전환세포의 클론이 만들어진다.