유전체의 구조와 분열

염색체(Chromosome)은 세포 내에서 package되어 있는 상태이다.

이러한 이유는 세포안에서 쉽게 담길 형태이며, DNA 분자 상에서 DNA 염색체로 있으므로 손상으로부터의 보호와 세포분열 시에 효과적으로 나뉘기 때문이다.

염색질(Chromatin)은 DNA와 protein(DNA 결합 단백질 이 합쳐있는 형태로 분자 생물학적 형태를 가진다.

뉴클레오솜(Nucleosome)은 DNA가 히스톤 단백질에 감겨 있으며 효소가 수정하고 움직이게 된다.

히스톤 단백질은 꼬리가 노출되어 charge가 있어서 인산화가 가능한데 이로 인해 풀렸다가 감기는 것이 가능하다.

참고로 일란성 쌍둥이라 DNA 염기서열이 모두 똑같더라도 히스톤 단백질은 외부 환경에 변경이 가능하기 때문에 표현 발현이 달라질 수 있다.

이로써, 메머드의 부활이나, 공룡의 부활같은 것도 DNA가 온전하더라도 히스톤 단백질이 모두 파괴되어 있어서 부활같은 것은 이미 불가능에 가깝다고 볼 수 있다.

단, E.coli 같은 원핵세포는 알지 못한다.

왜냐하면 히스톤 단백질, 뉴클레오솜이 없기 때문인데, 이 대신 다른 염기성 단백질을 가지게 된다.

원핵세포는 1개의 원형 염색체 또는 여러개, 선형 등등(Nucleoid와 plasmid가 같이 있을 수 있음)을 가지고 있다.

이러한 원형 염색체는 topoisomerase가 필요하다.

진핵 세포는 여러개의 선형 염색체(multiple linear)를 가지고 있으며 이배체가 대부분이며 두 복사체를 상동체(homolog)로 각각 어버이한테 유래된다.

반수체(haploid)는 정자 또는 난자이며, 배수체(polyploid)는 2개 이상 염색체를 가지고 있는 것으로 이에 대한 예시로 혈소판을 잘 만들 수 있는 megakayocyte가 있다.

생명체마다 다른 유전자 밀도(gene destiny)를 가지고 있는데 보통 진핵세포보다 원핵세포다 크다.

유전자 밀도는 낮을 수록 복잡하다는 뜻이며 이는 인트론 수가 증가하거나, 반복 DNA 비율이 높아짐에 따라 달라지며 이가 의미하는 것은 유전자 크기가 증가할 수록, 유전자간 서열이 증가할 수록 유전자 밀도가 낮아짐을 나타낸다.

반복 DNA의 예시는 microsatellite같은 CACACA라 복제시 어려움을 보여줄 수 있으며, genome-wide repeat는 더 큰 것으로 100bp~1kb 이상을 보여줘 전위인자로서 유전자 위치를 바꿀 수 있는 것도 있다.

특이적 유전자 서열 증가로는 역전사효소로 생성된 조절 서열이 유전자 발현 조절을 위해 더 커지는 것이 있다.

염색체의 복제와 분리 과정은 복제 개시점(origin of replication)에서 시작된다고 해도 과언이 아니다.

원핵세포에서는 1개의 복제 개시점을 가지며, 진핵세포는 여러 개를 가지고 있으며 비암호화 지역으로 복제가 시작되는 부분이다.

그리고 각 염색체에 1개씩 있는 동원체(Centromere)에서 붙는 지점인 방추사 부착점(Kinetochore)에 미세소관(Microtubule)이 2개의 딸세포로 만들게 된다.

만약 동원체가 2개라면 1개의 염색체를 2개로 찢으니, 무조건 1개의 동원체를 가지고 있다.

염색체에서는 말단 소체(telomere), 텔로미어란 것이 염색체 내의 파손과 DNA 파괴를 보호하며 특수 복제 개시점의 능력으로 Telomerase를 이용해 말단을 복제한다.

말단소체는 단순 반복 서열로 TG 또는 TTAGGG로 구성되어 있으며 살아가면서 짧아지게 되는 말단 복제 문제를 특수 단백질을 통해 말단소체 중합효소로 신장시키는 연구를 하고 있기도 하다.

세포주기(Cell cycle)은 G1, S, G2, M, 다시 G1으로 시작되며 원핵세포는 염색체 복제와 딸세포 분리가 동시에 일어나지만, 진핵세포는 복제와 분리가 구분되는 것이 특징이다.

G1에서는 세포분열을 준비하는 단계이며, S는 유전체를 복제하는 시기, G2는 크로모좀의 분열을 준비하는 단계로, S(Synthesis, 합성)에서 염색체 복제로 2개의 염색 분체를 생성하며 자매 염색 분체를 결합한다.

이때 분리가 될때까지 형상을 유지하는 것으로 코헤신(Cohesin)과 단백질 46개로 구성되어 있다.

M(Mitosis, 분열)에서는 자매 염색 분체 각 쌍이 분열 방추사(MTOC, 미세소관)와 결합하는데 이때 염색체가 응축되어 있는 것으로 콘덴신(Condensin)이 그 역할을 한다.

참고로 Animal cell에서는 분열을 하지만, Yeast는 budding을 한다.

(파란색이 코헤신, 분홍색이 콘덴신)

코헤신과 콘덴신은 SMC 단백질로써 비SMC와 단백질 복합체를 이뤄 분열 시에 코헤신 단백질 고리가 단백질 분해 효소로 절단되어 염색 분체 하나씩 분리되게끔 한다.

간단하게 정리하자면, 간기때 G1, S, G2로 G2에서 코헤신으로 응축이 된다.

그 후, 분열기 전기때 콘덴신이 응축되며, 중기때 2가 부착(Bivalent attachment)가 이뤄져 2가 염색분체가 각각 방추사의 미세소관에 부착이 되며 만약 1가 부착이 된다면, 염색체가 상실된다.

그 후, 후기에서 코헤신이 단백질 분해효소로 분해되며 방추사로 끌려가 말기때 핵막이 재생성되며 세포질 분열(Cytokinesis)가 이뤄지게 된다.

감수분열(Meiosis)에서는 진핵세포만 생식세포가 분열이 되며 어버이 세포수의 절반으로 되고, 상동성 재조합(Homologous recombination)으로 생물학적 다양성이 증가하게 된다.

감수분열 1에서는 상동염색체끼리의 분열이라 방추사가 1개, 1곳인 1가 부착으로 진행되며 감수분열 2에서는 2가부착이 이뤄진다.