상보성 (분자생물학)
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1. 개요
상보성(분자생물학)은 DNA와 RNA의 뉴클레오베이스 간의 특정한 상호 작용을 의미한다. DNA는 아데닌(A)과 티민(T), 구아닌(G)과 시토신(C)이 서로 짝을 이루고, RNA는 티민 대신 우라실(U)을 사용하여 A는 U와, G는 C와 짝을 이룬다. 이러한 상보성은 DNA 복제, 전사, DNA 복구, 유전자 조절 등 다양한 생명 현상에서 핵심적인 역할을 한다. 자기 상보성은 DNA 또는 RNA 서열이 자체적으로 접혀 헤어핀 루프와 같은 구조를 형성하는 것을 의미하며, 유전자 침묵과 같은 조절 기능에 관여한다. 또한, 상보성은 cDNA 라이브러리 구축, 불확실한 염기 표기, 앰비그램 제작 등 다양한 분야에서 활용된다.
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| 상보성 (분자생물학) | |
|---|---|
| 분자 생물학에서의 상보성 | |
 | |
| 설명 | 두 구조 사이의 자물쇠-열쇠 짝짓기 |
| 세부 정보 | |
| 관련 | DNA, RNA, 단백질 |
2. DNA와 RNA의 염기쌍 상보성
DNA와 RNA는 뉴클레오베이스의 상보적인 결합을 통해 유전 정보를 안정적으로 유지하고 전달한다.
DNA와 RNA의 상보성은 핵산 염기 사이의 상호작용을 기반으로 한다. 핵산 염기에는 아데닌(A), 티민(T) (RNA에서는 우라실(U)), 구아닌(G), 시토신(C)이 있다. 아데닌과 구아닌은 퓨린이고, 티민, 시토신, 우라실은 피리미딘이다. 퓨린은 피리미딘보다 크기가 크며, 이들은 서로 다른 유형의 핵산 염기와만 염기쌍을 형성할 수 있다. 핵산에서 염기는 수소 결합으로 연결되는데, 수소 결합은 아데닌과 티민(우라실) 사이, 구아닌과 시토신 사이에서만 효과적으로 기능한다. A=T(A=U) 염기쌍은 2개의 수소 결합을 가지며, G≡C 염기쌍은 3개의 수소 결합을 가진다. 다른 핵산 염기의 배치는 모두 이중 나선 형성을 방해한다.
핵산 가닥은 또한 단일 가닥 DNA가 상보적인 DNA 또는 RNA와 쉽게 어닐링 될 수 있는 혼성을 형성할 수 있다. 이 원리는 중합 효소 연쇄 반응(PCR)과 같이 일반적으로 수행되는 실험실 기술의 기초이다.[1]
상보적 서열의 두 가닥은 센스와 안티센스라고 한다. 센스 가닥은 일반적으로 전사된 DNA 서열 또는 전사에서 생성된 RNA이며, 안티센스 가닥은 센스 서열에 상보적인 가닥이다.
2. 1. 뉴클레오베이스의 종류와 결합
상보성은 뉴클레오베이스인 아데닌(A), 티민(T) (RNA에서는 우라실(U)), 구아닌(G), 시토신(C) 사이의 뚜렷한 상호작용으로 나타난다. 아데닌과 구아닌은 퓨린 계열이며, 티민, 시토신, 우라실은 피리미딘 계열이다. 퓨린은 피리미딘보다 크기가 크다. 이들은 서로 다른 유형의 뉴클레오베이스와만 염기쌍을 형성할 수 있다. 핵산에서 뉴클레오베이스는 수소 결합으로 연결되는데, 이는 아데닌과 티민(또는 우라실) 사이, 그리고 구아닌과 시토신 사이에서만 효율적으로 형성된다. A=T (또는 A=U) 염기쌍은 두 개의 수소 결합을 가지는 반면, G≡C 염기쌍은 세 개의 수소 결합을 가진다. 다른 조합은 이중 나선 형성을 방해한다. DNA의 두 가닥은 서로 반대 방향으로 배열되어 있으며, 이를 반평행하다고 한다.[1]
| 핵산 | 뉴클레오베이스 | 염기쌍 |
|---|---|---|
| DNA | 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) | A = T, G ≡ C |
| RNA | 아데닌(A), 우라실(U), 구아닌(G), 시토신(C) | A = U, G ≡ C |
2. 2. DNA 이중 나선 구조
DNA 이중 나선은 뉴클레오베이스인 아데닌, 티민, 구아닌, 시토신 사이의 뚜렷한 상호작용으로 형성된다. 아데닌과 구아닌은 퓨린이며, 티민과 시토신은 피리미딘이다. 퓨린은 피리미딘보다 크기가 크다. 이들은 서로 상보적이며, 반대 유형의 뉴클레오베이스와만 염기쌍을 이룰 수 있다. 핵산에서 뉴클레오베이스는 수소 결합으로 연결되는데, 이는 아데닌과 티민 사이, 그리고 구아닌과 시토신 사이에서만 효율적으로 작용한다. A=T 염기쌍은 두 개의 수소 결합을 공유하며, G≡C 염기쌍은 세 개의 수소 결합을 갖는다. 다른 조합은 이중 나선 형성을 방해한다. DNA 가닥은 서로 반대 방향으로 정렬되어 있는데, 이를 반평행이라고 한다.[1]| 핵산 | 뉴클레오베이스 | 염기 상보 |
| DNA | 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) | A = T, G ≡ C |
| RNA | 아데닌(A), 우라실(U), 구아닌(G), 시토신(C) | A = U, G ≡ C |
뉴클레오베이스의 상보성 덕분에 DNA 또는 RNA의 상보적인 가닥을 구성할 수 있다.[2] 각 염기쌍(A=T 또는 G≡C)은 거의 같은 공간을 차지하기 때문에, 공간 왜곡 없이 꼬인 DNA 이중 나선이 형성될 수 있다. 또한 뉴클레오베이스 간의 수소 결합은 DNA 이중 나선을 안정화시킨다.[3]
DNA 이중 나선에서 두 가닥의 상보성은 한 가닥을 다른 가닥을 만들기 위한 주형으로 사용할 수 있게 해준다. 이 원리는 DNA 복제에서 중요하며, 유전 정보가 다음 세대로 전달되는 방식을 설명하고 유전의 기초가 된다.
2. 3. 상보성과 유전 정보 전달
뉴클레오베이스의 상보성 덕분에 DNA나 RNA의 상보적인 가닥을 만들 수 있다.[2] 각 염기쌍(A = T 또는 G ≡ C)은 거의 같은 공간을 차지하기 때문에, DNA 이중 나선은 공간 왜곡 없이 꼬일 수 있다. 뉴클레오베이스 사이의 수소 결합은 DNA 이중 나선을 안정화시킨다.[3]DNA 이중 나선에서 DNA 가닥의 상보성은 한 가닥을 주형으로 사용하여 다른 가닥을 만들 수 있게 해준다. 이 원리는 DNA 복제에서 중요한 역할을 하며, 유전 정보가 다음 세대로 전달되는 방식을 설명하여 유전의 기초가 된다. 상보성은 DNA 주형으로부터 RNA 가닥을 생성하는 DNA 전사에도 사용된다.[4] 또한, 단일 가닥 RNA 바이러스인 인간 면역 결핍 바이러스(HIV)는 유전체 복제를 촉매하는 상보성을 이용하는 RNA 의존성 DNA 중합 효소(역전사 효소)를 암호화한다. 역전사 효소는 복제 과정에서 복사 선택 재조합을 통해 두 개의 부모 RNA 유전체 사이를 전환할 수 있다.[5]
DNA 복구 메커니즘은 교정과 같이 상보성을 기반으로 작동하며, DNA 복제 중 잘못 짝지어진 뉴클레오베이스를 제거하여 오류를 수정한다.[1] 일반적으로 DNA 한 가닥에 손상이 발생하면, 손상된 부분을 제거하고 상보성을 이용하여 다른 가닥의 정보를 복사하여 대체함으로써 복구할 수 있다. 이러한 과정은 불일치 복구, 뉴클레오타이드 절제 복구, 염기 절제 복구 등에서 일어난다.[6]
3. 자기 상보성과 헤어핀 루프
자기 상보성은 DNA 또는 RNA 서열이 자체적으로 접혀 이중 가닥과 같은 구조를 생성할 수 있다는 것을 의미한다. 자기 상보적인 서열의 부분이 얼마나 가깝게 있는지에 따라 가닥은 헤어핀 루프, 접합부, 돌출부 또는 내부 루프를 형성할 수 있다.[1] RNA는 DNA에서는 볼 수 없는 구아닌과 우라실의 결합과 같은 염기쌍 결합으로 인해 이러한 종류의 구조를 형성할 가능성이 더 크다.[1]
3. 1. 헤어핀 루프의 기능
자기 상보적인 서열의 부분이 얼마나 가깝게 있는지에 따라 가닥은 헤어핀 루프를 형성할 수 있다.[1] RNA는 DNA에서는 볼 수 없는 구아닌과 우라실의 결합과 같은 염기쌍 결합으로 인해 이러한 종류의 구조를 형성할 가능성이 더 크다.[1]키싱 헤어핀은 단일 가닥의 핵산이 스스로 상보성을 이루어 헤어핀 형태의 RNA 루프를 형성할 때 만들어진다.[12] 두 개의 헤어핀이 ''생체 내''에서 서로 접촉하면, 두 가닥의 상보적인 염기쌍이 결합하여 헤어핀을 풀기 시작하여 이중 가닥 RNA(dsRNA) 복합체가 형성되거나, 헤어핀의 불일치로 인해 복합체가 다시 두 개의 분리된 가닥으로 풀어진다. 키싱 전 헤어핀의 2차 구조는 비교적 고정된 에너지 변화를 가진 안정적인 구조를 허용한다.[13] 이러한 구조의 목적은 헤어핀 루프의 안정성과 상보적인 가닥과의 결합 강도 사이의 균형을 맞추는 것이다. 초기 결합이 너무 강하면 잘못된 위치에 가닥이 충분히 빨리 풀리지 않으며, 초기 결합이 너무 약하면 가닥이 원하는 복합체를 완전히 형성하지 못할 것이다. 이러한 헤어핀 구조는 초기 결합에 충분한 강도를 제공할 수 있을 만큼 충분한 염기를 노출시키고, 유리한 일치가 발견되면 풀림을 허용할 만큼 약한 내부 결합을 제공한다.[13]
4. 조절 기능
상보성은 짧은 핵산 서열과 코딩 영역 또는 전사된 유전자 사이에서 발견될 수 있으며, 염기쌍 형성을 초래한다. 이러한 짧은 핵산 서열은 자연에서 흔히 발견되며 유전자 침묵과 같은 조절 기능을 수행한다.[1]
안티센스 전사체, miRNA와 siRNA는 이러한 상보성을 이용한 유전자 발현 조절의 대표적인 예시이다.
4. 1. 안티센스 전사체
안티센스 전사체는 코딩 서열에 상보적인 비번역 RNA의 일부이다.[7] 유전체 전체 연구에 따르면 RNA 안티센스 전사체는 자연계에서 흔하게 발생한다. 일반적으로 유전 암호의 코딩 잠재력을 증가시키고 유전자 조절에 전반적인 복잡성을 더하는 것으로 여겨진다. 현재까지 인간 유전체의 40%가 양방향으로 전사되어 역전사의 잠재적 중요성을 강조한다.[8]센스 전사체와 안티센스 전사체 사이의 상보적인 영역은 이중 가닥 RNA 하이브리드를 생성하여 유전자 조절에 중요한 역할을 할 수 있다고 제안되었다. 예를 들어, 저산소증 유도 인자 1α mRNA와 β-분비효소 mRNA는 양방향으로 전사되며, 안티센스 전사체가 센스 전사체의 안정제로 작용하는 것으로 나타났다.[9]
4. 2. miRNA와 siRNA
miRNA와 siRNA는 짧은 RNA 분자로, 특정 mRNA에 상보적으로 결합하여 유전자 발현을 억제한다. miRNA/siRNA는 RISC 복합체와 결합하여 mRNA 분해, 번역 억제 등을 유도한다.[1] miRNA는 질병 진단 바이오마커로 활용될 가능성이 있다.[10]
miRNA는 조절 유전자에서 유래된 RNA 서열로부터 Dicer 효소에 의해 잘려나온 더 긴 RNA 서열로부터 형성된다. 이 짧은 가닥들은 RISC 복합체에 결합한다. 이들은 전사된 유전자의 상류 영역에 있는 서열과 상보적으로 결합하여 세 가지 방식으로 유전자를 억제한다.
- 리보솜이 결합하여 번역을 시작하는 것을 막는다.
- 복합체가 결합한 mRNA를 분해한다.
- Dicer가 작용하여 더 많은 miRNA를 생성하여 더 많은 유전자 사본을 찾고 분해할 수 있는 새로운 이중 가닥 RNA(dsRNA) 서열을 제공한다.
siRNA는 miRNA와 기능이 유사하며, 다른 RNA 기원에서 생성되지만 miRNA와 유사한 목적을 수행한다.[1]
짧은 길이 때문에, 상보성에 대한 규칙은 표적을 선택하는 데 있어서 매우 구별될 수 있음을 의미한다. 가닥의 각 염기에 대해 네 가지 선택이 가능하고 mi/siRNA의 길이가 20bp~22bp라는 점을 감안할 때, 이는 1012개가 넘는 가능한 조합을 생성한다. 인간 게놈의 길이가 약 31억 염기쌍[11]이라는 점을 감안할 때, 이는 각 miRNA가 우연히 인간 게놈 전체에서 한 번만 일치하는 서열을 찾을 수 있다는 것을 의미한다.
4. 3. cDNA 라이브러리
cDNA 라이브러리는 발현 중인 유전자의 집합이며, 유전자 식별 및 클로닝 과정에서 유용한 참고 도구이다. cDNA 라이브러리는 RNA 의존성 DNA 중합 효소 (역전사 효소)를 사용하여 mRNA를 DNA로 역전사하는 과정을 통해 만들어진다. 이 과정은 DNA와 RNA 간의 상보성 원리에 기반한다.[5] 라이브러리의 최종 생성물은 이중 가닥 DNA이며, 플라스미드에 삽입될 수 있다. cDNA 라이브러리는 현대 연구에서 강력한 도구이다.4. 4. 모호 코드
계통학에서 염기 서열을 작성할 때, 염기 서열 분석 시 불확실한 염기를 나타내기 위해 IUPAC 코드가 사용될 수 있다. 예를 들어, "둘 중 하나" 또는 "셋 중 하나"를 의미하는 코드를 사용한다.[16] IUPAC 코드에서 R (모든 퓨린)은 Y (모든 피리미딘)와 상보적이며, M (아민)은 K (케톤)와 상보적이다. W (약)와 S (강)는 일반적으로 서로 바뀌지 않지만, 과거에 일부 도구에서 바뀌기도 했다.[16] W와 S는 각각 "약"과 "강"을 나타내며, 뉴클레오티드가 상보적인 파트너와 쌍을 이루기 위해 사용하는 수소 결합의 수를 나타낸다. 파트너는 상보적인 쌍을 만들기 위해 동일한 수의 결합을 사용한다.[17]세 개의 뉴클레오티드 중 하나를 구체적으로 제외하는 IUPAC 코드는 상보적인 뉴클레오티드를 제외하는 IUPAC 코드와 상보적일 수 있다. 예를 들어, V (A, C 또는 G - "T 아님")는 B (C, G 또는 T - "A 아님")와 상보적이다.
| 기호[18] | 설명 | 나타내는 염기 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | a데닌 | A | 1 | |||
| C | c토신 | C | ||||
| G | g아닌 | G | ||||
| T | t민 | T | ||||
| U | u라실 | U | ||||
| W | weak (약) | A | T | 2 | ||
| S | strong (강) | C | G | |||
| M | amino (아미노) | A | C | |||
| K | keto (케토) | G | T | |||
| R | purine (퓨린) | A | G | |||
| Y | pyrimidine (피리미딘) | C | T | |||
| B | A 아님 (B는 A 다음에 옴) | C | G | T | 3 | |
| D | C 아님 (D는 C 다음에 옴) | A | G | T | ||
| H | G 아님 (H는 G 다음에 옴) | A | C | T | ||
| V | T 아님 (V는 T 및 U 다음에 옴) | A | C | G | ||
| N 또는 - | 모든 염기 (갭 아님) | A | C | G | T | 4 |
4. 5. 앰비그램
양면 문자 핵산 표기는 특정 문자를 사용하여 상보적인 염기(구아닌 = ''b'', 시토신 = ''q'', 아데닌 = ''n'', 티민 = ''u'')를 나타낼 수 있다. 이를 통해 텍스트를 "거꾸로" 회전시켜 전체 DNA 서열을 상보적으로 만들 수 있다.[19] 예를 들어, 이 표기법을 사용하면 (GTCA)는 거꾸로 뒤집었을 때 (TGAC, 역 상보)로 읽힌다.양면 문자 표기는 회문 배열과 같은 상보적 핵산 부위를 쉽게 시각화한다.[20] 이 기능은 일반 ASCII 또는 유니코드 문자가 아닌 사용자 지정 글꼴이나 기호를 사용할 때 더욱 향상된다.[20]
참조
[1]
서적
Molecular biology of the gene
Benjamin-Cummings Publishing Company
[2]
학술지
Discovery of DNA structure and function: Watson and Crick
http://www.nature.co[...]
2013-11-27
[3]
학술지
DNA base dimers are stabilized by hydrogen-bonding interactions including non-Watson-Crick pairing near graphite surfaces.
2012-10-11
[4]
학술지
The digital code of DNA.
2003-01-23
[5]
학술지
Recombination is required for efficient HIV-1 replication and the maintenance of viral genome integrity
[6]
학술지
DNA repair
[7]
학술지
The antisense transcriptomes of human cells.
2008-12-19
[8]
학술지
Antisense transcription in the mammalian transcriptome.
2005-09-02
[9]
학술지
Evidence for natural antisense transcript-mediated inhibition of microRNA function.
[10]
학술지
Trash or Treasure: extracellular microRNAs and cell-to-cell communication.
2013-09-05
[11]
웹사이트
Ensembl genome browser 73: Homo sapiens - Assembly and Genebuild
http://uswest.ensemb[...]
2013-11-27
[12]
학술지
Bent helix formation between RNA hairpins with complementary loops.
1995-06-09
[13]
학술지
The structure of an RNA "kissing" hairpin complex of the HIV TAR hairpin loop and its complement.
1997-05-30
[14]
학술지
High-throughput plasmid cDNA library screening.
https://digital.libr[...]
[15]
웹사이트
How to reverse-complement a DNA sequence in perl
http://code.izzid.co[...]
2011-08-25
[16]
웹사이트
http://arep.med.harv[...]
[17]
웹사이트
Reverse-complement tool
http://reverse-compl[...]
[18]
웹사이트
Nomenclature for Incompletely Specified Bases in Nucleic Acid Sequences
http://www.chem.qmul[...]
2008-02-04
[19]
학술지
The practical and pedagogical advantages of an ambigraphic nucleic acid notation
[20]
학술지
Simplicity, function, and legibility in an enhanced ambigraphic nucleic acid notation.
2008-05
[21]
서적
Molecular biology of the gene
Benjamin-Cummings Publishing Company
[22]
학술지
Discovery of DNA structure and function: Watson and Crick
http://www.nature.co[...]
2013-11-27
[23]
학술지
DNA base dimers are stabilized by hydrogen-bonding interactions including non-Watson-Crick pairing near graphite surfaces.
2012-10-11
[24]
학술지
The digital code of DNA.
2003-01-23
[25]
학술지
The antisense transcriptomes of human cells.
2008-12-19
[26]
학술지
Antisense transcription in the mammalian transcriptome.
2005-09-02
[27]
학술지
Evidence for natural antisense transcript-mediated inhibition of microRNA function.
[28]
학술지
Trash or Treasure: extracellular microRNAs and cell-to-cell communication.
2013-09-05
[29]
웹사이트
Ensembl genome browser 73: Homo sapiens - Assembly and Genebuild
http://uswest.ensemb[...]
2013-11-27
[30]
학술지
High-throughput plasmid cDNA library screening.
https://digital.libr[...]
[31]
학술지
Nomenclature for incompletely specified bases in nucleic acid sequences: recommendations 1984
https://www.ncbi.nlm[...]
1985-05-10
[32]
웹사이트
Reverse-complement tool
http://reverse-compl[...]
[33]
학술지
The practical and pedagogical advantages of an ambigraphic nucleic acid notation
[34]
학술지
Simplicity, function, and legibility in an enhanced ambigraphic nucleic acid notation.
2008-05
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