유전물질: DNA
1. 유전물질이란?
유전물질이란 각 생명체의 특징을 결정지어 주는 정보, 즉 유전정보를 갖고 있는 물질을 말한다.
따라서 유전물질은 부모가 갖고 있는 유전정보를 자식에게 전달하는 기본적인 물질이다.
생명체들은 유전물질로서 염색체 내에 DNA를 갖고 있지만, 그 중 박테리오파아지나 동물 바이러스의 일부와 대부분의 식물바이러스는 RNA를 유전물질로 보유하고 있다.
현재 우리가 알고 있는 DNA는 1869년에 스위스 사람인 Friedrich Miescher가 세포의 화학적 조성에 대한 연구를 하던 중에 발견하였는데, 그는 이것을 핵질이라 명명하였다.
1899년에는 Richmond Altman이 다른 실험 방법으로 Miescher가 발견한 것과 동일한 물질을 발견하여 핵산이라고 명명하였다.
1903년 Walter sutton은 세포가 분열할 때 실 같은 염색체가 양분되어 각각 전달되는 것을 확인함으로써, 염색체가 Mendel의 유전양상을 설명하는 기본단위의 운반체임을 확인하였다.
한편 1909년 덴마크 유전학자인 Wilhelm Johannsen은 유전의 기본 단위인 유전자라는 용어를 처음 사용하였고, 1900년대 초반 Thomas Hunt Morgan은 염색체 구조 및 그 배열에 대한 연구를 활발히 전개하여 유전자가 염색체 내에 일렬로 정렬되어 있음을 밝혀내기도 하였다. 이와 같이 유전형질이 염색체에 의해 결정된다는 가설은 20세기 초반부터 많은 유전학자들에 의해 정설로 받아들여지게 되었다.
그러나 염색체는 DNA와 단백질의 복합체이며, 단백질이 유전물질이 지녀야 할 다양성을 갖고 있기 때문에 유전자를 구성한다고 결론을 지었고, 염색체 성분 중 하나인 DNA가 유전자의 구조물질이라고는 미처 생각지 못하였다.
유전자가 단백질로 구성되어 있다는 가설이 금세기 초에 널리 퍼져 있었지만 이를 지지해 주는 명확한 실험적 증거는 없었다.
1930년대 말에 오히려 DNA가 단백질과 마찬가지로 긴 중합체를 이룰 수 있으며 거의 무한대의 다양한 형태로 존재할 수 있음이 알려졌다.
단백질과 DNA가 모두 유전물질의 기본적 요구사항을 충족시킬 뿐만 아니라 이들 모두가 염색체에 존재한다면 유전자의 진정한 구성성분은 뭘까?
그것은 다음의 두 가지의 실험에 의해 결국 유전자는 단백질이 아니라 DNA임이 밝혀지게 된다.
2. DNA가 유전자임을 증명하는 실험적 증거
① 그리피스의 실험 - 폐렴균의 형질전환
폐렴균은 S형(smooth)균과 R(rough)형균이 있는데, S형균은 균에 막이 있어서 균의 표면이 매끄러우며 항체로부터 보호될 수 있어서 생물체 내에서 폐렴을 일으킨다. 그러나 R형균은 막이 없어서 표면이 거칠고 생물체 내에서도 폐렴을 일으킬 수 없다.
[실험과정]
가. 폐렴균 중 S형균은 독성이 있어 쥐에 S형균을 투여하였을 때 생쥐가 죽었다.
나. R형균은 독성이 없어서 생쥐에 R형균을 투여하였을 때 생쥐는 예상대로 죽지 않았다.
다. 60℃에서 3시간동안의 열처리를 하여 죽은 S형균을 생쥐에 투여하였을 때 생쥐는 죽지 않았다. 이는 살아 있는 세균만이 질병을 일으킬 수 있기 때문이다.
라. R형균과 열처리로 죽은 S형균을 함께 생쥐에 투여하였더니 놀랍게도 생쥐는 죽었으며 그 쥐로부터 많은 수의 S형 세균이 검출되었다.
[그리피스의 결론]
열처리로 죽은 S형균의 어떤 물질이 R형균을 S형균으로 형질전환시켰다.
즉, 형질전환 인자가 R형균에 들어가서 S형균의 캡슐을 만들 수 있는 능력을 부여한 것이다.
이 형질전환 인자는 유전물질임에 틀림없으며, 그 실체를 확인함으로서 유전물질의 화학적 성질을 밝힐 수 있다.
② 에이버리의 실험
[가설] 형질 전환시키는 물질이 유전자(유전물질)임
유전자로 작용할 수 있는 물질은 DNA, RNA, 단백질, 탄수화물 등의 유기물일 것이다.
[실험 과정과 결과] S형균에서 추출한 물질에 네 물질을 분해하는 효소를 각각 넣어 분해한 후 R형균에 넣어주고 형질전환 여부를 조사함
가. DNA분해 효소로 처리 : 형질전환 안됨
나. RNA분해 효소로 처리 : 형질전환됨
다. 단백질 분해 효소로 처리 : 형질전환됨
라. 탄수화물분해 효소로 처리 : 형질전환됨
[결과] RNA, 단백질, 탄수화물 분해효소처리 시는 모두 형질전환이 되었지만, DNA 분해효소 처리시는 형질전환이 되지 않았다.
즉, 유전물질은 DNA임이 증명된 것이다.
그러나 이 때 당시에는 유전자가 단백질이라는 주장이 더욱 유력하게 많은 사람들에게 받아들여졌으므로 새로운 실험적 증거가 필요하게 되었다.
③ 허시와 체이스에 의한 박테리오파아지의 증식 실험.
파아지는 단백질과 DNA로 구성되어 있으며, DNA구성 원소는 C, H, O, N, P이며 단백질 구성원소는 C, H, O, N, S 이다.
[실험 과정]
가. 파아지의 DNA 구성 원소 중 P를 방사성 동위원소(32P)로 표지하고, 단백질 구성원소 중 S를 방사성 동위원소(35S)로 표지함
나. 오른쪽 그림과 같이 박테리아에 32P로 표지된 파아지를 부착시키면 방사선은 박테리아 내부에서만 검출이 되며, 증식된 파아지의 DNA에서 방사선이 검출됨
다. 35S로 표지된 파아지를 박테리아에 부착시키면 박테리아 내부에서는 방사선이 검출되지 않으며, 증식된 새 파아지에서도 방사선이 검출되지 않았음
[결론]생물체의 유전물질은 단백질이 아닌 DNA이다.
3. 유전물질로서의 DNA
Hershey와 Chase의 실험에 대한 해석에는 거의 의문점이 제기될 수 없었지만, 그럼에도 불구하고 당시에는 DNA가 모든 생명체의 유전물질이라고는 믿지 않았다.
엄격히 말해서 이들의 실험은 단지 박테리오파아지의 유전자에 국한된 것인지 다른 생명체에도 적용될 수 있는지의 의문이라는 것이었다.
오늘날에는 RNA가 DNA를 대신하고 있는 몇몇 파아지와 바이러스를 제외한 모든 생명체에서 DNA가 유전물질임을 인정하고 있다.
그러나 고등생물에서 DNA가 유전자임을 증명하는 직접적인 실험 증거는 DNA 재조합 기술을 이용해 순수 DNA를 박테리아, 효모, 곰팡이, 식물, 동물 등에 인위적으로 도입함으로써 얻게 되었다.
따라서 1970년대의 이러한 기술이 이용 가능할 때까지는 고등생물에서 유전물질이 DNA라는 증거는 간접적일 수밖에 없었다.
그러나 1953년에 Waston과 Crick에 의해 DNA는 이중 나선 구조가 발견됨으로써 DNA가 유전물질로써 갖추어야 할 요구조건을 모두 총족시키고 있음을 알게 되었다.
* 오영민님에 의해서 게시물 이동되었습니다 (2004-05-08 18:12)
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