유전자 발현 및 기능에 대한 연구

유전자 발현 및 기능에 대해 알아보자!!!

 

 

 

궁극적으로 유전자와 그들이 암호화하는 단백질이 온전한 유기체에서 어떻게 기능하는지를 결정하고자 합니다. 반 직관적으로 들릴지 모르지만, 유전자가 무엇을 하는지 알아내는 가장 직접적인 방법의 하나는 유전자가 없는 경우 유기체에 어떤 일이 일어나는지 보는것 입니다. 뉴클레오타이드 서열에서 변화 또는 결실을 획득한 돌연변이체 유기체를 연구하는 것은 생물학에서 오랜시간 동안 존경받는 관행입니다. 돌연변이는 세포 과정을 방해할 수 있기 때문에 돌연변이는 종종 유전자 기능을 이해하는 열쇠를 가지고 있습니다. 유전학의 중요한 분야에 대한 고전적인 접근법에서 흥미롭거나 특이한 외양을 가진 돌연변이체를 분리하는 것으로 시작합니다. 예를 들어 흰 눈을 가진 초파리 또는 곱솔 날개, 작업 표현형과 유기체의 유전형을 결정하는 유전자의 형태등이 이에 해당합니다.

 

오늘날 매일 수천만 개의 뉴클레오타이드 서열을 공공 데이터베이스에 추가하는 수많은 게놈 프로젝트가 진행되면서 유전자 기능의 탐색은 종종 DNA 서열로 시작됩니다. 여기서 과제는 절차를 함수로 변환하는 것입니다. 한 가지 접근 방식은 새로운 유전자에 의해 인코딩된 단백질과 유사한 아미노산 서열을 갖는 잘 특성화된 단백질에 대한 데이트베이스를 검색하고 일부 방법을 사용하는 것입니다. 유전자의 기능을 더 탐구합니다. 그러나 세포 나 유기체에서 유전자가 어떻게 기능하는지에 대한 문제를 직접 해결하기 위해 가장 효과적인 방법은 유전자가 없거나 변형된 버전을 발현하는 돌연변이체를 연구하는 것입니다. 이러한 돌연변이체에서 어떤 세포 과정이 파괴 또는 손상되었는지를 결정하는 것은 종종 유전자의 생물학적 역할에 창을 제공할 것이다.

 

이번 포스팅에서는 유전자의 기능을 결정하는 몇 가지 다른 접근법을 설명합니다. 하나는 DNA 서열에서 시작하는지 또는 재미있는 표현형을 가진 유기체에서 시작하는지 에 대한 것입니다. 우리는 유전자와 유전자 기능을 연구하는 고전적인 유전적 접근법으로 시작합니다. 이들 연구는 관심 있는 돌연변이체를 단리 하려는 유전자 스크린으로 시작한 다음, 관찰된 표현형을 담당하는 유전자 또는 유전자의 확인을 진행합니다. 그런 다음 역 유전학의 우산에 해당하는 기술 모음을 검토합니다. 유전자 또는 유전자 서열로 시작하여 그 기능을 결정하려고 시도합니다. 이 접근법은 종종 돌연변이 유기체를 생성하고 그 표현형을 특성화하는 것뿐만 아니라 상 동성 서열을 찾고 유전자가 언제 어디서 발현되는지를 결정하는 지능적인 추측과 관련이 있습니다.

 

 

 

고전적 접근법은 무작위 돌연변이를 유발할 수 있다.

 

유전자 클로닝 기술의 출현 이전에 대부분 유전자는 유전자가 돌연변이 될 때 파괴된 과정에 의해 확인되었습니다. 돌연변이 표현형을 담당하는 유전자를 식별하는 이 고전적인 유전자 접근 방식은 박테리아, 효모, 선충 벌레 및 초파리와 같은 유전자 조작이 가능한 한 빠르게 번식하는 유기체에서 가장 쉽게 수행됩니다. 자발적인 돌연변이 때때로 수천 또는 수만 개의 개별 유기체와 같은 매우 많은 개체군을 조사함으로써 발견될 수 있지만, 돌연변이를 분리하는 과정은 DNA를 손상하는 작용제로 돌연변이를 생성함으로써 훨씬 더 효율적으로 만들 수 있습니다. 돌연변이체로 유기체를 처리함으로써, 매우 많은 수의 돌연변이체를 신속하게 생성한 다음 곧 보게 될 특정 관심 결함에 대해 스크리닝 할 수 있습니다.

 

화학적 또는 방사선 돌연변이 유발에 대한 대안적인 접근법을 삽입 돌연변이 유발 이라고 합니다. 이 방법은 게놈에 무작위로 삽입된 외인성 DNA가 삽입 단편이 유전자 또는 그의 조절 서열을 방해하는 경우 돌연변이를 일으킬 수 있다는 사실에 의존합니다. 서열이 공지된 삽입된 DNA는 이어서 파괴된 유전자의 후속 동정 및 클로닝을 돕는 분자 태그로서 작용합니다. 초파리을 비활성화 유전자에 transposable P 요소의 사용은 초파리 유전자 기능 연구에 혁명을 일으켰습니다. 이식 가능한 요소는 또한 박테리아, 효모 및 개화 식물 애기 장대에서 돌연변이체를 생성하는데 사용되었습니다.

 

숙주 게놈 내로 자신을 복제하는 레트로바이러스는 제브라피시 및 마우스에서 유전자를 파괴하는데 사용되어왔습니다. 이러한 연구는 벌레와 파리의 생물학적 과정을 해부하는 데 적합하지만 어떻게 인간의 유전자 기능을 연구할 수 있습니까? 우리가 논의한 유기체와 달리, 인간은 빠르게 번식하지 않으며, 의도적으로 돌연변이원으로 처리되지 않습니다. 또한, DNA 복제와 같은 필수 과정에서 심각한 결함이 있는 사람은 태어나기 오래전에 사망했을 것입니다. 인간 유전자를 연구하는 방법에 대한 두 가지 답변이 있습니다. 첫째, 진화 과정 내내 유전자와 유전자 기능이 고도로 보존되어 있기 때문에 덜 복잡한 연구모델 유기체는 인간의 유사한 유전자와 과정에 대한 중요한 정보를 보여줍니다. 상응하는 인간 유전자는 배양된 인간 세포에서 추가로 연구될 수 있습니다.

 

둘째, 치명적이지 않은 많은 돌연변이(예를 들어 리소좀 또는 세포 표면 수용체에서의 조직 특이적 결함)가 인간 집단에서 자발적으로 발생했습니다. 영향을 받은 개체의 표현형 분석과 배양된 세포의 연구는 중요한 인간 세포 기능에 대한 많은 독특한 통찰력을 제공했습니다. 이러한 돌연변이는 드물지만 독특한 인간 특성 때문에 매우 효율적으로 발견됩니다. 돌연변이 체 개인은 특별한 의학적 치료를 통해 스스로 주의를 환기합니다.

 

 

 

 

유전자 화면 세포 프로세스에 결함이 있는 돌연변이 식별

 

일단 효모 또는 파리 와 같은 모델 유기체에서 돌연변이체의 집합체가 생성되면, 일반적으로 변경된 표현형을 찾기 위해 수천 명의 개체를 검사해야합니다. 이러한 검색을 유전자 화면이라고 합니다. 관심 있는 유전자에서 돌연변이를 얻는 것은 무작위 돌연변이 유발 동안 유전자가 불활성화 되거나 달리 돌연변이 될 가능성에 의존하기 때문에, 게놈이 클수록, 특정 유전자가 돌연변이 될 가능성은 적어집니다. 따라서 더 복잡한 유기체에서, 더 많은 돌연변이체는 유전자 누락을 피하고자 검사되어야 합니다. 스크리닝되는 표현형은 단순하거나 복잡할 수 있습니다. 간단한 표현형은 가장 쉽게 감지할 수 있습니다. 예를 들어 특정 아미노산이나 영양분 없이 유기체가 더는 자랄 수 없는 대사 결핍이 이에 해당합니다.

 

더 복잡한 표현형 , 예를 들어 학습 또는 기억에 결함을 유발하는 돌연변이는 더 정교한 화면을 요구할 수 있습니다. 그러나 복잡한 생리 시스템을 분석하는 데 사용되는 유전자 화면조차도 가능한 한 단순하게 설계해야 하며 가능하면 많은 수의 돌연변이체를 동시에 검사 할 수 있어야 합니다. 예로서, 하나의 특히 우아한 스크린은 제브라피시에서 시각적 처리에 관여하는 유전자를 검색하도록 설계되었다. 움직임에 대한 물고기의 반응을 감시하는 이 화면의 기초는 행동의 변화입니다. 야생형 물고기는 인식된 움직임의 방향으로 헤엄치는 경향이 있으며, 시각 시스템에 결함이 있는 돌연변이체는 임의의 방향으로 헤엄쳐 쉽게 감지됩니다.

 

하나의 돌연변이 이 화면에서 발견 한 Lauritz 라는 눈에서 뇌로 시각 신호를 전달하는 데 도움이 되는 망막 신경절 세포의 80%가 빠져 있습니다. 제브라피시 망막의 세포 조직이 모든 척추동물의 조직을 반영함에 따라, 이러한 돌연변이체의 연구는 또한 인간의 시각 처리에 대한 통찰력을 제공해야 합니다. RNA 합성 및 처리 또는 세포주기 제어와 같은 기본 세포 공정에 필요한 유전자의 결함은 대개 치명적이므로, 이들 유전자의 기능은 종종 온도에 민감한 돌연변이체에서 연구됩니다. 이들 돌연변이에서 , 돌연변이 유전자의 단백질 생성물은 보통 중간 온도에서 기능하지만, 온도의 작은 증가 또는 감소로 불활성화 될 수 있습니다. 따라서 온도를 변경하여 실험적으로 이상을 켜고 끌 수 있습니다. 그럼에도 비 허용 온도에서의 생존에 필수적인 유전자에 온도에 민감한 돌연변이를 포함하는 세포는 정상 또는 허용 온도에서 성장할 수 있습니다. 이러한 돌연변이체의 온도-민감성 유전자는 일반적으로 단백질 생성물에 미묘한 변화를 일으키는 점 돌연변이를 함유합니다.

 

30°C에서 42°C로 데우면 DNA 생성을 중단하는 세포에 대해 돌연변이 유발된 박테리아 집단을 스크리닝하여 DNA 복제에 필요한 박테리아 단백질을 암호화하는 유전자에서 많은 온도 민감성 돌연변이체를 분리했습니다. 이 돌연변이체들은 나중에 상응하는 DNA 복제 단백질을 식별하고 특성화하는데 사용되었습니다. 온도-민감성 돌연변이체는 또한 세포주기 조절 및 효모의 분비 경로를 통한 단백질 이동에 관여하는 많은 단백질의 동정을 유도했습니다. 관련 심사 방법은 박테리아와 효모의 주요 대사 경로에 관여하는 효소의 기능뿐만 아니라, 많은 발견 보여준 유전자 질서에 관한 책임을 제품 개발의 초파리 배아를 이용하는 것입니다.

 

 

보완 테스트는 두 개의 돌연변이가 같은 유전자인지 다른 유전자인지를 보여줍니다.

 

대규모 유전자 화면은 같은 표현형을 나타내는 많은 다른 돌연변이를 일으킬 수 있습니다. 이러한 결함은 같은 과정에서 기능하는 다른 유전자에 있거나 같은 유전자에서 다른 돌연변이를 나타낼 수 있습니다. 그렇다면 같은 표현형을 생성하는 두 돌연변이가 같은 유전자에서 발생하는지 아니면 다른 유전자에서 발생하는지 어떻게 알 수 있습니까? 돌연변이가 열성인 경우 (예를 들어, 특정 유전자의 기능 상실을 나타내는 경우), 돌연변이가 같거나 다른 유전자에 속하는지 확인하기 위해 보완 테스트를 사용할 수 있습니다. 가장 간단한 유형의 보완 테스트에서 한 돌연변이에 대해 동형 접합인 개체, 즉 두 개의 같은 대립 유전자를 보유합니다. 해당 돌연변이 유전자 다른 돌연변이와 동형인 개체와 교배합니다. 두 돌연변이가 같은 유전자에 있는 경우 자손은 돌연변이 표현형을 보여줍니다. 왜냐하면, 해당 유전자의 정상적인 복제본이 없기 때문입니다. 대조적으로, 돌연변이가 다른 유전자에 빠지면, 그 결과 자손은 정상적인 표현형을 나타냅니다.

 

이들은 각각의 유전자의 하나의 정상 카피 (및 하나의 돌연변이 카피)를 보유합니다. 이로써 돌연변이는 서로 보완하고 정상적인 표현형을 회복시킵니다. 유전자 화면에서 확인된 돌연변이의 보완 시험은 5개 유전자가 필요한 것으로, 예를 들어, 계시 효모 다이제스트 하는 설탕 갈락토스를; 대장균에 20개의 유전자가 필요하다는 기능성 편모를 구축하기 위해; 48개의 유전자가 박테리오파지 T4 바이러스 입자의 조립에 관여하고; 유전자의 수백은에 참여하고 개발 기름 지게에서 성인 선출 웜의 계란. 특정 생물학적 과정에 관여하는 일련의 유전자가 확인되면 다음 단계는 유전자의 기능 순서를 결정하는 것입니다. 유전자의 작동 시기를 결정하면 전체 유전적 또는 생화학적 경로의 재건이 촉진될 수 있으며, 이러한 연구는 신진 대사 , 신호 전달 및 기타 여러 발달 및 생리학적 과정에 대한 우리의 이해 핵심 입니다.

 

본질에서, 유전자 기능의 순서를 풀려면 각각의 다른 유전자의 돌연변이에 의해 야기 된 표현형의 신중한 특성화가 필요합니다. 예를 들어, 소수 유전자의 돌연변이가 초기 배아 발달 동안 세포 분열에서 체포를 유발한다고 상상해보십시오. 각각의 정밀 검사 돌연변이는 어떤 행동이 매우 초기의 수정 된 방지 것을 공개할 수 달걀을 두 개의 세포로 나누어 다른 돌연변이는 초기 세포 분열을 허용하지만, 배아가 소포 단계에 도달하는 것을 막을 수 있습니다.

 

유전자가 기능하는 순서에 대한 예측을 테스트하기 위해, 두 개의 다른 유전자에서 돌연변이를 일으키는 유기체를 만들 수 있습니다. 이들 돌연변이가 같은 과정에서 2개의 다른 단계에 영향을 미치는 경우, 이러한 이중 돌연변이는 경로에서 가장 먼저 작용하는 돌연변이 와 같은 표현형을 가져야 합니다. 예로서, 효모에서 단백질 분비 경로는 이러한 방식으로 해독되었습니다. 이 경로에서 다른 돌연변이는 단백질이 소포체 ( ER ) 또는 골지 장치에서 비정상적으로 축적되게 합니다. 세포가 ER에서 단백질 처리를 차단하는 돌연변이를 모두 갖도록 조작될 때 및 골지 구획에서의 프로세싱을 차단하는 돌연변이, 단백질은 ER에 축적됩니다. 이것은 분비 전에 골지를 보내지기 전에 단백질이 ER을 통과해야 함을 나타냅니다.