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하우스키핑 유전자

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1. 개요

하우스키핑 유전자는 세포의 생명 활동 유지에 필수적인 유전자로서, 특정 조건에 관계없이 모든 조직에서 일정하게 발현된다. 형질 발현, DNA 복제, 세포 분열, 에너지 대사, 물질대사 등에 관여하며, GAPDH, B-actin, α-tubuline 등이 대표적이다. 하우스키핑 유전자 발현은 다양한 조직의 대사 요구 사항에 맞춰 조절되며, 인간 프로모터는 TATA 박스가 고갈되고 GC 함량이 높으며 CpG 섬 발생률이 높다. 생물학 실험에서 발현 정도를 비교하는 데 필수적인 요소로 사용된다. 하우스키핑 유전자 조절 기전은 프로모터 모티프와 전사 개시 과정 때문에 연구가 어려움을 겪어왔다. 인체 하우스키핑 유전자 목록과 전사 인자, RNA 스플라이싱, 번역 인자, 리보솜 단백질, 미토콘드리아 리보솜 단백질, RNA 중합효소 관련 유전자들이 존재한다.

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하우스키핑 유전자
기본 정보
다른 이름구성 유전자, 항상성 유지 유전자
설명기본적인 세포 기능을 유지하는 데 필요한 유전자
기능세포 생존, 대사 과정, 세포 구조 유지 등 기본적인 세포 기능 지원
특징
발현 수준조직과 발달 단계에 따라 비교적 안정적으로 발현
역할세포 내 항상성 유지 및 기본적인 세포 활동 지원
조절다양한 조건에서 발현 수준이 조절될 수 있음
활용
유전자 발현 연구유전자 발현 연구에서 내부 통제 기준으로 사용
질병 연구특정 질병의 진단 및 치료에 관련된 유전자 발현 변화 연구에 활용
세포 생물학 연구세포의 기본적인 생명 현상 연구에 사용
주의사항
발현 안정성모든 조건에서 완전히 안정적인 발현을 보장하지 않음
선택실험 목적과 조건에 맞는 적절한 하우스키핑 유전자 선택 필요
추가 정보
데이터베이스HRT Atlas v1.0 데이터베이스에서 인간 및 생쥐 하우스키핑 유전자 및 후보 참조 전사체 재정의

2. 하우스키핑 유전자 정의 및 특징

하우스키핑 유전자(Housekeeping gene)는 세포 생존에 필수적인 기능을 수행하며, 일반적으로 모든 세포에서 항상 발현되는 유전자를 말한다. 이들은 형질 발현, DNA 복제, 세포 분열, 에너지 대사, 물질대사 등에 관여한다.[21]

하우스키핑 유전자는 보통 모든 조직에서 일정하게 발현되지만, 특정 조건에 따라 발현량이 달라질 수 있다. 예를 들어 GAPDH는 프로게스테론에 의해 조절되므로, 산부인과(OB/GYN) 연구실에서 자궁(uterus), 난소(ovary) 등을 연구할 때는 사용하지 않는다. 대표적인 하우스키핑 유전자로는 GAPDH, B-actin, α-tubuline 등이 있다.

하우스키핑 유전자 발현량은 미세 환경 요인에 영향을 받지만, 여러 단계를 거쳐 거의 모든 합성 단계에서 원래 발현량을 유지하도록 조절된다. 이는 진핵생물의 진정 염색질 내 개시코돈 염기서열 또는 RNA 중합 효소와 프로모터의 상호작용에 의해 조절된다.[19][20]

생물학 실험에서 qPCR, Western blot 등 상대적 발현 정도를 비교하는 실험을 할 때, 하우스키핑 유전자는 필수적이다. 두 가지 조건(대조군, 실험군)에서 발현량을 비교할 때 세포 수나 총 단백질 수를 일정하게 하여 하우스키핑 유전자 발현량이 일정한지 먼저 확인하고, 원하는 유전자의 발현량을 비교해야 한다.

예를 들어 A 조건에서 X 유전자가 B 조건보다 2배 더 발현되었지만, 하우스키핑 유전자 발현량이 A 조건에서 2, B 조건에서 1로 나타났다면, X 유전자 실제 발현량은 두 조건에서 동일하다고 보아야 한다. 즉, 하우스키핑 유전자로 보정(normalization)하면 Xa/Xb = 1/1 = 1배로 계산되어, 두 조건 간 X 유전자 발현량 차이가 없음을 알 수 있다.

인간 하우스키핑 유전자 프로모터는 대개 TATA가 없고, GC 함량이 높으며 CpG 섬 발생률이 높다.[6] 초파리에서 프로모터에 CpG 섬이 없으면, 하우스키핑 유전자 프로모터는 DRE, E-box, DPE 같은 DNA 요소를 포함한다.[7] 하우스키핑 유전자 전사 시작 부위는 약 100bp 영역에 걸쳐 있을 수 있지만, 발생적으로 조절되는 유전자의 전사 시작 부위는 대개 좁은 영역에 집중된다.[8][9][10]

3. 하우스키핑 유전자 조절 기전

하우스키핑 유전자는 게놈에서 활성 유전자의 대부분을 차지하며, 그 발현은 생존에 필수적이다. 하우스키핑 유전자 발현 수준은 다양한 조직의 대사 요구 사항을 충족하도록 미세 조정된다. 하우스키핑 유전자 프로모터의 전사 개시에 대한 생화학적 연구는 특징이 덜한 프로모터 모티프와 전사 개시 과정 때문에 어려움을 겪어왔다.[19],[20]

인간 하우스키핑 유전자 프로모터는 일반적으로 TATA가 고갈되어 있으며, 높은 GC 함량과 높은 CpG 섬 발생률을 보인다.[6] 초파리에서 프로모터 특정 CpG 섬이 없는 경우 하우스키핑 유전자 프로모터는 DRE, E-box 또는 DPE와 같은 DNA 요소를 포함한다.[7] 하우스키핑 유전자의 전사 시작 부위는 약 100bp의 영역에 걸쳐 있을 수 있지만, 발생적으로 조절되는 유전자의 전사 시작 부위는 일반적으로 좁은 영역에 집중되어 있다.[8][9][10] 하우스키핑 유전자의 분산된 전사 개시가 어떻게 확립되는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 하우스키핑 유전자 프로모터에 특이적으로 풍부하게 존재하며 이를 조절하는 전사 인자들이 있다.[11][12] 또한, 하우스키핑 프로모터는 발생적으로 조절되는 강화자가 아닌 하우스키핑 강화자에 의해 조절된다.[13]

4. 하우스키핑 유전자 목록 (인체)

다음은 인체 하우스키핑 유전자의 일부 목록이며, 가장 일반적으로 사용되는 ACTB 및 GAPDH를 포함한다.

유전자설명
ACTB호모 사피엔스 말라, 베타 (NM_001101)
ALDOA호모 사피엔스 돌라, 과당 - 비스 포스페이트 (NM_000034)
GAPDH호모 사피엔스 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소 (NM_002046)
PGK1호모 사피엔스 포스포키나제 1 (NM_000291)
LDHA호모 사피엔스 젖산 탈수소효소 (NM_005566)
RPS27A호모 사피엔스 리보솜 단백질 S27a (NM_002954)
RPL19호모 사피엔스 리보솜 단백질 L19 (NM_000981)
RPL11호모 사피엔스 리보솜 단백질 L11 (NM_000975)
NONO호모 사피엔스 비 POU 도메인 포함 octamer 결합 (NM_007363)
ARHGDIA호모 사피엔스 GDP 해리 억제제 (GDI) 알파 (NM_004309)
RPL32호모 사피엔스 리보솜 단백질 L32 (NM_000994)
RPS18호모 사피엔스 리보솜 단백질 S18 (NM_022551)
HSPCB호모 사피엔스 열 충격 90kDa 단백질 1, 베타 (NM_007355)



더 완전하고 업데이트된 목록은 [http://www.housekeeping.unicamp.br HRT 아틀라스 데이터베이스]를 참조할 수 있다.[1] 이 데이터베이스는 12,000개 이상의 인간 및 생쥐 RNA-seq 데이터 세트를 채굴하여 구축되었다.[1]

4. 1. 유전자 발현

하우스키핑 유전자는 특정 조건과 관계없이 모든 조직에서 일정하게 발현되며, 세포 생명 유지에 필수적인 유전자들이다. 주로 GAPDH, B-actin, α-tubuline이 이에 속한다.[19][20]

튜불린 유전자의 당분 효소 합성 리보솜에서 단백질 유전자의 하우스키핑 유전자 단위(level)가 메틸화 상태의 낮은 수준을 유지하며 활성 전사 상태에 있을 경우, 하우스키핑 유전자 발현량은 미세 환경 요인에 영향을 받지만, 현재도 연구 중인 여러 단계를 거쳐 거의 모든 합성 단계에서 원래 발현량을 유지한다. 진핵생물의 진정 염색질 내 개시코돈 염기서열 또는 RNA 중합 효소와 프로모터의 상호작용으로 기계적 기작이 조절되기도 한다.

생물학 실험에서 quantitative real time PCR(qPCR), Western blot 등 상대적 발현 정도 비교 실험에서 하우스키핑 유전자는 필수적이다. 두 가지 조건(대조군, 실험군)에서 세포 수, 총 단백질 수를 일정하게 하여 하우스키핑 유전자 발현이 일정한지 확인 후, 원하는 유전자의 발현을 비교해야 한다. 예를 들어 A 조건이 B 조건보다 X 유전자가 2배 더 발현되었다고 해도, 변인 통제가 제대로 되었는지 알 수 없다. 하우스키핑 유전자 발현량이 A=2, B=1이라면, X 발현량은 동일하다고 보아야 한다. (Xa = X 발현량 2배 / 하우스키핑 유전자 2배 = 1배, Xb = X 발현량 1배 / 하우스키핑 유전자 1배 = 1배). 즉, X 발현량을 하우스키핑 유전자로 나누어 일반화(normalization)한 후 (Xa/Xb = 1/1 = 1배) 비교해야 정확하다.

4. 1. 1. 전사 인자

유전자설명
ATF1NM_005171[17][16]
ATF2NM_001880[17][16]
ATF4NM_001675[17][16]
ATF6NM_007348[17][16]
ATF7NM_001206682[17][16]
ATF7IPNM_018179[17][16]
BTF3NM_001207[17][16]
E2F4[17][16]
ERH (유전자)[17][16]
HMGB1[17][16]
ILF2[17][16]
IER2[17][16]
JUND[17][16]
TCEB2[17][16]


4. 1. 2. RNA 스플라이싱


  • BAT1[16] (DDX39B)
  • HNRPD[17][16] (호모 사피엔스 이질핵 리보핵단백질 D(AU-rich element RNA))
  • HNRPK[17][16] (호모 사피엔스 이질핵 리보핵단백질 K(HNRPK), 전사체)
  • PABPN1[17] (폴리(A) 결합 단백질, 핵 1)
  • SRSF3[16] (스플라이싱 인자, 아르기닌/세린 풍부)

4. 1. 3. 번역 인자


  • EIF1[17][16] (SUI1)
  • EIF1AD
  • EIF1B
  • EIF2A
  • EIF2AK1
  • EIF2AK3
  • EIF2AK4
  • EIF2B2
  • EIF2B3
  • EIF2B4
  • EIF2S2
  • EIF3A
  • EIF3B
  • EIF3D[17] (이전 명칭 EIF3S4)
  • EIF3G
  • EIF3I
  • EIF3H
  • EIF3J
  • EIF3K
  • EIF3L
  • EIF3M
  • EIF3S5
  • EIF3S8
  • EIF4A1
  • EIF4A2[17]
  • EIF4A3
  • EIF4E2
  • EIF4G1
  • EIF4G2[17]
  • EIF4G3
  • EIF4H
  • EIF5
  • EIF5A
  • EIF5AL1
  • EIF5B
  • EIF6
  • TUFM[17] (Tu 번역 신장 인자 미토콘드리아)

4. 1. 4. 리보솜 단백질

4. 1. 5. 미토콘드리아 리보솜 단백질

다음은 미토콘드리아 리보솜 단백질(MRPL, MRPS) 목록이다.

단백질
MRPL1
MRPL2
MRPL3
MRPL4
MRPL9[17][16]
MRPL10
MRPL11
MRPL12
MRPL13
MRPL14
MRPL15
MRPL16
MRPL17
MRPL18
MRPL19
MRPL20
MRPL21
MRPL22
MRPL23
MRPL24
MRPL27
MRPL28
MRPL30
MRPL32
MRPL33
MRPL35
MRPL36
MRPL37
MRPL38
MRPL40
MRPL41
MRPL42
MRPL43
MRPL44
MRPL45
MRPL46
MRPL47
MRPL48
MRPL49
MRPL50
MRPL51
MRPL52
MRPL53
MRPL54
MRPL55
MRPS2
MRPS5
MRPS6
MRPS7
MRPS9
MRPS10
MRPS11
MRPS12
MRPS14
MRPS15
MRPS16
MRPS17
MRPS18A
MRPS18B
MRPS18C
MRPS21
MRPS22
MRPS23
MRPS24
MRPS25
MRPS26
MRPS27
MRPS28
MRPS30
MRPS31
MRPS33
MRPS34
MRPS35


4. 1. 6. RNA 중합효소


  • POLR1C
  • POLR1D
  • POLR1E
  • POLR2A[17]
  • POLR2B
  • POLR2C
  • POLR2D
  • POLR2E[16]
  • POLR2F
  • POLR2G
  • POLR2H
  • POLR2I

참조

[1] 논문 HRT Atlas v1.0 database: redefining human and mouse housekeeping genes and candidate reference transcripts by mining massive RNA-seq datasets 2020-07-14
[2] 논문 Further defining housekeeping, or "maintenance," genes Focus on "A compendium of gene expression in normal human tissues" 2001-12
[3] 논문 On the nature of human housekeeping genes 2008-10
[4] 논문 Housekeeping genes; expression levels may change with density of cultured cells 2010-04
[5] 논문 Erythroid differentiation and the cell cycle: some implications from murine foetal and erythroleukemic cells 1976-11
[6] 논문 The RNA polymerase II core promoter 2003
[7] 논문 Transcription initiation patterns indicate divergent strategies for gene regulation at the chromatin level 2011-01
[8] 논문 A paired-end sequencing strategy to map the complex landscape of transcription initiation 2010-07
[9] 논문 Genome-wide analysis of mammalian promoter architecture and evolution 2006-06
[10] 논문 Genome-wide analysis of promoter architecture in Drosophila melanogaster 2011-02
[11] 논문 The NSL complex regulates housekeeping genes in Drosophila 2012
[12] 논문 The NSL complex-mediated nucleosome landscape is required to maintain transcription fidelity and suppression of transcription noise 2019-02
[13] 논문 Enhancer-core-promoter specificity separates developmental and housekeeping gene regulation 2015-02
[14] 논문 A compendium of gene expression in normal human tissues 2001-12
[15] 논문 RT2 Profiler PCR Array (96-Well Format and 384-Well Format
[16] 논문 Analysis of human transcriptomes 1999-12
[17] 논문 Human housekeeping genes are compact 2003-07
[18] 논문 'Desperate house genes': the dramatic example of hypoxia 2010-03
[19] 웹사이트 하우스 키핑 유전자 정보 http://ko.swewe.net/[...]
[20] 웹사이트 브릭 Q&A http://bric.postech.[...]
[21] 웹사이트 하우스키핑 유전자 (housekeeping gene, ~遺傳子), (해양과학용어사전, 2005.10.7, 아카데미서적) https://terms.naver.[...]



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