1유전자 1효소설

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 이론의 배경 및 전개
3. 이론의 발전과 한계
4. 역사적 의의와 현대적 영향
참조

1. 개요

1유전자 1효소설은 유전자가 효소의 합성을 지배한다는 가설로, 1940년대 조지 비들과 에드워드 테이텀의 연구를 통해 제시되었다. 이들은 붉은빵곰팡이를 이용한 실험을 통해 유전자 변이가 특정 효소의 결핍을 초래하고, 이는 대사 경로의 이상으로 이어진다는 것을 밝혀냈다. 1유전자 1효소설은 이후 1유전자 1단백질설, 1유전자 1폴리펩티드설로 발전했지만, 현대 유전학에서는 선택적 스플라이싱과 같은 현상으로 인해 그 한계가 드러났다. 그럼에도 이 가설은 유전자의 역할을 구체적인 물질과 연결하여 유전학 연구에 큰 영향을 미쳤다.

더 읽어볼만한 페이지

1941년 과학 - 1941년 3월 27일 일식
1941년 3월 27일 일식은 1941년 3월 27일에 발생한 금환 일식이며, 다양한 천문학적 주기와 관련된다.
1941년 과학 - 1941년 9월 21일 일식
1941년 9월 21일 일식은 소련 남부, 중국, 일본 제국주의 영향권의 여러 지역에서 관측된 금환 일식으로, 각국은 제2차 세계 대전 중에도 천문학적 연구를 위해 노력했으며, 다양한 천문 주기와 관련되어 연구되었다.
생물학 이론 - 다윈주의
다윈주의는 찰스 다윈의 자연 선택에 의한 진화론을 지칭하는 용어로, 생물학적 진화뿐 아니라 사회 전반의 진화론적 철학을 대변하며, 현대에는 진화 메커니즘 설명이나 진화론 비판에도 사용된다.
생물학 이론 - 생물속생설
생물학사 - 생기론
생기론은 생명체에 물리화학적 과정으로 설명 안 되는 특수한 생명력이나 원리가 있다는 이론으로, 고대 그리스에서 시작되어 근대 과학 발전에 대한 반작용으로 부각되었으나, 기계론적 생물학 발전으로 과학계에서 널리 받아들여지지 않지만 일부 대체의학이나 철학, 종교적으로 논의된다.
생물학사 - 박물학
박물학은 동식물, 광물 등 자연물에 대한 관찰, 채집, 분류를 포함하는 자연 연구 학문으로, 고대부터 방대한 지식의 집대성을 이루었으며, 르네상스 시대를 거쳐 생물학 등 전문 분야로 분화되었고, 현재는 생물 다양성 보전 등 인류의 미래를 위해 중요한 역할을 수행하고 있다.

1유전자 1효소설
기본 정보
명칭	일 유전자 일 효소설
로마자 표기	il yujeonja il hyososeol
영문 명칭	One gene-one enzyme hypothesis
일본어 명칭	一遺伝子一酵素説 (Ichidenshiikkōsoshisetsu)
제안
제안자	조지 웰스 비들 과 에드워드 로리 테이텀
발표 년도	1941년
실험	붉은빵곰팡이 (Neurospora crassa)
내용
주요 내용	하나의 유전자는 하나의 효소를 결정한다는 학설
설명	유전자의 기능은 특정 효소의 생산을 지시하는 것이며, 각 효소는 특정 생화학적 반응을 촉매한다는 개념이다.
발전	이후 '하나의 유전자 - 하나의 폴리펩타이드' 설로 발전함 단백질이 여러 개의 폴리펩타이드 사슬로 구성될 수 있음을 고려함
중요성
의의	분자생물학의 발전에 기여 유전자가 단백질 합성을 조절하는 메커니즘 이해에 중요한 역할 유전체와 생화학적 경로 간의 연관성을 밝히는 데 기여
비판 및 수정
한계	일부 유전자는 효소 외의 단백질 (구조 단백질 등)을 암호화함 하나의 유전자가 여러 단백질 변형체를 생성할 수 있음 일부 단백질은 여러 유전자의 협력으로 생성됨
대안	하나의 유전자 - 하나의 단백질 가설 하나의 유전자 - 하나의 폴리펩타이드 가설

2. 이론의 배경 및 전개

조지 비들과 에드워드 테이텀은 1941년 미국 국립 과학원 회보에 ''붉은빵곰팡이(Neurospora)''에 관한 논문을 게재했다. 이 논문에서 그들은 "유전자 자체가 시스템의 일부이며, 효소로 직접 작용하거나 효소의 특이성을 결정함으로써 시스템 내에서 특정 반응을 제어하거나 조절한다고 가정하는 것이 전적으로 타당하다"고 언급했다.^[1] 이는 1917년부터 제시되어 온 아이디어로, 비들과 테이텀은 새로운 증거를 제시하고 더 깊이 연구할 수 있는 프로그램을 제안했다.^[1]

1945년까지 비들, 테이텀 및 다른 연구자들은 ''붉은빵곰팡이''와 대장균 같은 모델 유기체를 사용하여 대사 경로의 각 단계가 단일 유전자에 의해 제어된다는 상당한 실험적 증거를 확보했다. 비들은 1945년 리뷰에서 "유전자는 단백질 분자의 최종 구성을 지시하여 그 특이성을 결정하는 것으로 시각화될 수 있다"고 제안하며, "진화 과정의 경제성을 위해, 몇 가지 예외를 제외하고 특정 효소의 최종 특이성은 단 하나의 유전자에 의해서만 부과될 것으로 예상할 수 있다"고 주장했다.^[2] 노먼 호로위츠는 1948년 이 개념을 "1유전자 1효소설"이라고 명명했다.^[2]

1유전자 1효소설은 유전자가 어떤 형태로든 효소 합성을 지배한다는 가설이다. 생물체 내 현상은 생화학적 관점에서 보면 모두 화학 반응이며, 각 반응에는 고유한 효소가 관여한다. 이 가설은 유전자가 이러한 효소의 합성을 지배한다는 내용을 담고 있다. 즉, 개별 유전자는 각각 정해진 효소 합성에 관여하고, 효소의 특이성은 그에 대응하는 단일 유전자에 의해 결정된다. 효소가 합성되면 해당 효소가 관여하는 반응이 가능해지고, 그 결과 형질이 발현된다.

일반 개체에서 돌연변이로 인해 발생하는 특수한 형질은 대개 해당 유전자에 문제가 생겨 특정 효소가 합성되지 않기 때문에 나타난다. 그 결과, 해당 효소가 관여하는 화학 반응이 일어나지 않아 형질에 이상이 생긴다. 이러한 유전자가 종종 열성인 이유는 정상적인 유전자가 함께 존재하면 정상적인 효소가 합성되어 그 영향이 나타나지 않기 때문이다. 예를 들어, 알비노는 색소를 만들지 못하는 돌연변이인데, 이는 색소 합성 경로 어딘가에 문제가 발생했고, 그와 관련된 효소에 관한 유전자에 문제가 생긴 것으로 설명할 수 있다.

하지만 1유전자 1효소설은 도전을 받기도 했다. 맥스 델브뤼크는 대사 경로의 각 단계에 실제로 단일 효소만 관여하는지에 대해 회의적이었다.^[8] 1950년대 초, 붉은빵곰팡이 연구 결과는 널리 인정받았지만, 비들이 제시한 결론은 지나치게 단순화되었다는 견해가 지배적이었다.^[8] 비들은 1966년에 1951년 콜드 스프링 하버 유전자 및 돌연변이 심포지엄을 회고하며, 1유전자 1효소설 지지자들이 매우 적었다고 언급했다.^[10] 1950년대 초까지 대부분의 생화학자와 유전학자들은 DNA를 유전자의 물리적 기반으로 유력하게 간주했고, 1유전자 1효소설은 이에 따라 재해석되었다.^[11]

2. 1. 가설 이전의 연구

1902년 아치볼드 가로드는 알캅톤뇨증이 멘델 유전의 열성 형질임을 확인했다. 이를 시작으로 멘델 유전 패턴을 따르는 선천성 대사 이상 사례가 일부 알려졌다.^[6] 그러나 1930년대 후반까지 유전학은 대사 연구에 적용되기 어려웠다. 보리스 에프루시와 조지 비들은 토머스 헌트 모건의 캘리포니아 공과대학교(Caltech) 연구실에서 초파리(Drosophila melanogaster)의 눈 색소에 대해 연구했다. 1930년대 중반, 이들은 눈 색깔에 영향을 미치는 유전자가 순차적으로 의존하는 것으로 보이며, 초파리의 정상적인 붉은 눈은 일련의 변형을 거치는 색소의 결과라는 것을 발견했다.^[6] 서로 다른 눈 색깔 유전자 돌연변이는 이 과정에서 다른 지점의 변형을 방해했다. 따라서 비들은 각 유전자가 색소 합성의 대사 경로에서 작용하는 효소를 담당한다고 추론했다.^[6]

1937년 스탠퍼드 대학교로 옮긴 비들은 생화학자 에드워드 테이텀과 함께 파리 눈 색소를 분리하는 연구를 시작했다.^[7] 이들은 연구를 더 쉽게 만들기 위해 빵 곰팡이(''Neurospora crassa'')를 사용했다. 빵 곰팡이는 간단한 배지에서 빠르게 자라고, 생식 중 자낭포자 생산으로 유전적 돌연변이 분리와 분석이 쉽다는 장점이 있었다.^[7]

이보다 앞서 독일 유전학자 프란츠 뫼부스가 유사한 결과를 도출했다는 논쟁이 있었다.^[15] 뫼부스는 클라미도모나스를 연구하며 1930년대에 유기체의 생식을 제어하는 호르몬 생산에 관여하는 서로 다른 효소 반응에 서로 다른 유전자가 관여한다는 결과를 발표했다.^[15] 그러나 이 결과는 통계적으로 '너무 믿기 어렵다'는 이유로 다른 연구자들에 의해 이의가 제기되었고, 재현되지 못했다.^[15]

이러한 사고방식은 1908년 아치볼드 가로드의 알캅톤뇨증 및 페닐케톤뇨증 연구에서 처음 발표되었다. 가로드는 이 질병들이 멘델의 법칙을 따르며, 각각 호모겐티신산(전자의 경우)과 페닐피루브산(후자의 경우) 축적에 의한 증상임을 보였다. 그는 아마도 이 물질들을 분해할 수 없기 때문에 증상이 나타난다고 주장했다. Goss(1914)는 알캅톤뇨증 환자의 혈액에는 호모겐티신산을 분해하는 효소가 없다는 것을 확인했다.

가로드의 설은 처음에는 주목받지 못했다. 당시 유전학은 형태 관련 유전자만 다루었기 때문에, 순수 생리적 형질 관련 유전자 개념은 익숙하지 않았다. 후에 비들은 가로드를 "화학 유전학의 아버지"라 칭하며 그의 연구를 칭찬했다.

Onslow와 Bassett는 금어초의 노란색과 흰색 꽃색 유전을 연구하여, 이것이 색소 안토크산틴 합성에 관련된 유전자임을 발견했다(1913).

2. 2. 비들과 테이텀의 실험 (붉은빵곰팡이의 영양 요구주 실험)

조지 비들과 에드워드 테이텀은 붉은빵곰팡이(''Neurospora crassa'')를 이용하여 1유전자 1효소설을 확립했다. 이들은 붉은빵곰팡이 포자에 자외선이나 X선을 쪼여 영양 요구주 돌연변이를 유도했다. 이 돌연변이주는 최소 배지에서는 자라지 못하고, 특정 영양소를 공급해야만 자랄 수 있었다.^[16]

비들과 테이텀은 최소 배지에 오르니틴, 시트룰린, 아르기닌 중 하나를 첨가하고, 각 돌연변이주의 생장 정도를 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

배지 종류	야생종	돌연변이 1형	돌연변이 2형	돌연변이 3형
최소 배지	O	X	X	X
최소 배지 + 오르니틴	O	O	X	X
최소 배지 + 시트룰린	O	O	O	X
최소 배지 + 아르기닌	O	O	O	O

이 결과는 붉은빵곰팡이의 생활에 아르기닌이 꼭 필요하며, 야생종은 최소 배지의 전구 물질로부터 아르기닌을 합성하여 살아갈 수 있다는 것을 보여준다. 돌연변이주는 아르기닌 합성 과정에 관여하는 효소에 결함이 있어 최소 배지에서 살 수 없었다. 세 가지 영양 요구주는 각각 아르기닌 합성에 관여하는 서로 다른 유전자에 돌연변이가 일어난 것으로, 이는 물질대사의 각 단계에서 작용하는 효소가 서로 다른 유전자로부터 만들어진다는 것을 의미한다. 즉, 각 돌연변이주는 서로 다른 유전자에 이상이 생겨 특정 효소가 결핍된 것이다.

Srb와 Horowitz는 1944년에 아르기닌 요구주 7계통을 얻어, 오르니틴, 시트룰린을 투여하여 발육을 관찰했다. 그 결과, 오르니틴＞시트룰린＞아르기닌이라는 합성 단계가 있으며, 각 돌연변이주는 이 합성 단계 중 특정 단계에 문제를 가지고 있다고 판단했다. 이처럼, 합성 단계와 유전자가 연동되어 있음을 확인했다.

2. 3. 실험 결과의 의의

비들과 테이텀은 실험을 통해 유전자가 효소 합성에 관여한다는 사실을 밝혀냈다. 붉은빵곰팡이의 아르지닌 합성 경로에 돌연변이를 일으키면 특정 효소가 만들어지지 않아 대사 과정에 문제가 생긴다는 것을 확인했다.^[6]^[7] 이 실험은 유전자가 효소 형성에 관여한다는 것을 보여주는 중요한 증거가 되었다.^[8]

이러한 발견은 유전학 연구에 큰 진전을 가져왔으며, 비들과 테이텀은 이 업적으로 1958년 노벨 생리학·의학상을 받았다.^[9] 조지 비들과 에드워드 로리 테이텀의 노벨상 수상 업적은 뉴욕 시 미국 자연사 박물관 기념비에도 새겨져 있다.

조지 비들과 에드워드 로리 테이텀의 1958년 노벨상에 대한 언급이 있는 뉴욕 시 미국 자연사 박물관 기념비.

비들과 테이텀의 연구는 제2차 세계 대전 중 군인들에게 공급되는 식량의 영양 성분을 분석하는 데도 응용되었다.^[9]

3. 이론의 발전과 한계

1유전자 1효소설은 유전자가 어떤 방식으로든 효소 합성을 지배한다는 가설이다. 생물체 내 현상은 생화학적 화학 반응이며, 각 반응에는 고유한 효소가 관여한다. 이 설은 개별 유전자가 특정 효소 합성에 관여하고, 효소의 특이성은 해당 유전자에 의해 결정된다고 본다.

일반 개체에서 돌연변이로 나타나는 특이 형질은 대개 특정 효소를 합성하지 못하여 발생한다. 이는 해당 효소와 관련된 유전자에 문제가 생겼기 때문이다. 이러한 유전자가 열성인 이유는 정상 유전자가 함께 존재하면 정상 효소가 합성되어 그 영향이 나타나지 않기 때문이다. 알비노는 색소 합성 경로에 문제가 생긴 대표적인 예시이다.

1945년까지 비들과 테이텀 등은 붉은빵곰팡이와 대장균 등의 모델 생물을 이용한 연구를 통해 이 가설을 뒷받침하는 많은 결과를 얻었다. 비들은 이를 바탕으로 유전자가 효소의 특이성을 지배하여 단백질 형태로 나타나며, 단일 유전자에 해당한다고 주장했다. 1948년, 노먼 호로위츠는 이러한 관점을 "1유전자 1효소설"이라고 명명했다.

이 설은 유전자의 작용을 구체적인 물질(효소)과 연결했다는 점에서 큰 의의를 가진다. 효소는 폴리펩티드라는 아미노산 사슬(1차 구조)로 구성된 단백질이므로, 유전자에 이러한 정보가 저장되어 있다는 가능성을 제시했다. 이는 유전 정보 연구로 이어져, DNA 염기 3개가 아미노산 배열을 기록하는 유전자 암호 발견에 기여했다.

하지만, 겸상 적혈구 빈혈증처럼 효소가 아닌 일반 단백질 변이와 관련된 유전자 사례가 발견되면서, "일 유전자 일 펩티드 설"이 제안되기도 했다. 그러나 현재는 유전자가 단백질 설계도 외에 다양한 정보를 포함하고, 하나의 유전자가 여러 효소와 관련된 경우도 많아 이 설로는 설명할 수 없는 사례가 많다는 것이 밝혀졌다.

3. 1. 1유전자 1단백질설

1950년대 초, 생화학 유전학의 발전으로 인해 1유전자 1효소 가설은 실현 불가능해 보였다. 1957년부터 버논 인그램(Vernon Ingram)과 다른 연구자들은 전기영동과 2차원 크로마토그래피를 통해 단백질의 유전적 변이(예: 겸형 적혈구 혈색소증)가 다량체 단백질의 단일 폴리펩티드 사슬의 차이로 제한될 수 있음을 보여주었고, 그 대신 "1유전자 1폴리펩티드" 가설을 이끌어냈다.^[12]

3. 2. 1유전자 1폴리펩티드설

이후 연구에서 단백질이 여러 개의 폴리펩타이드 사슬로 구성될 수 있다는 것이 밝혀지면서, 1유전자 1폴리펩티드설로 수정되었다.^[12] 버논 인그램(Vernon Ingram)과 다른 연구자들은 전기영동과 2차원 크로마토그래피를 통해 단백질의 유전적 변이(예: 겸형 적혈구 혈색소증)가 다량체 단백질의 단일 폴리펩티드 사슬의 차이로 제한될 수 있음을 보여주었다.^[12] 유전학자 롤랜드 H. 데이비스(Rowland H. Davis)에 따르면, "1958년까지, 사실 1948년까지도 하나의 유전자, 하나의 효소는 단호하게 옹호해야 할 가설이 아니라, 단순히 연구 프로그램의 이름이었다."^[13]

하지만, 현재는 스플라이소솜을 통해 RNA 전사체를 다양하게 만드는 진핵생물의 스플라이싱 과정 때문에 1유전자 1폴리펩티드 관점을 적용할 수 없는 경우가 많다. 이러한 스플라이싱은 1977년 필립 샤프(Phillip Sharp)와 리처드 J. 로버츠(Richard J. Roberts)에 의해 발견되었다.^[14]

3. 3. 현대적 관점에서의 한계

1950년대 초, 생화학 유전학의 발전으로 1유전자 1효소설은 원래 형태로 유지되기 어려워졌다. 1957년 버논 인그램 등의 연구자들은 전기영동과 2차원 크로마토그래피를 통해 겸형 적혈구 혈색소증과 같은 단백질의 유전적 변이가 다량체 단백질의 단일 폴리펩티드 사슬 차이로 나타날 수 있음을 보였다. 이에 따라 "1유전자 1폴리펩티드" 가설이 제기되었다.^[12] 롤랜드 H. 데이비스에 따르면, 1958년에는 이미 1유전자 1효소설이 옹호해야 할 가설이 아닌 연구 프로그램의 이름으로 여겨졌다.^[13]

현재는 1유전자 1폴리펩티드 관점도 여러 한계를 보인다. 특히 진핵생물에서는 필립 샤프와 리처드 J. 로버츠가 발견한 스플라이소솜을 이용한 선택적 스플라이싱을 통해 하나의 유전자에서 다양한 mRNA가 생성될 수 있다.^[14] 즉, 유전자는 단백질 정보 외에 다양한 정보를 포함하며, 여러 유전자가 하나의 효소 형성에 관여하는 경우도 있어 1유전자 1효소설(또는 1폴리펩티드설)이 적용되지 않는 예외가 많이 발견된다.

4. 역사적 의의와 현대적 영향

1유전자 1효소설은 유전자의 작용을 구체적인 물질(효소)의 존재와 연결 지었다는 점에서 큰 의의를 갖는다.^[1] 특히 효소는 기본적으로 단백질이며, 폴리펩티드라는 아미노산이 사슬처럼 연결된 구조(1차 구조)를 기본으로 하기 때문에, 유전자에는 그러한 정보가 어떤 형태로든 저장되어 있을 것이라는 추측을 불러일으켰다.^[1] 이는 유전 정보의 존재 방식 자체를 탐구하는 것으로 이어졌고, 그 결과 유전자 암호가 DNA의 염기 3개를 단위로 아미노산 배열을 기록하고 있다는 사실이 밝혀졌다.^[1]

이후 겸상 적혈구 빈혈증처럼 유전자가 효소가 아닌 일반적인 단백질의 변이와 연결되어 있는 경우도 알려지면서, "일 유전자 일 펩티드 설"이 제창되기도 했다.^[1] 그러나 현재는 유전자에 포함된 정보에는 단백질 설계도 외에도 다양한 것들이 있으며, 하나의 유전자가 여러 효소와 관련된 사례도 있는 등 이 설을 적용할 수 없는 경우도 많이 존재한다는 것이 알려져 있다.^[1] 그럼에도 불구하고, 1유전자 1효소설은 유전자의 역할을 구체적인 물질과의 연결을 통해 명시하고, 그 연구의 방향성을 제시한 학설로서 역사적으로 중요한 의미를 갖는다.^[1]

참조

_[1] 학술지 Genetic Control of Biochemical Reactions in Neurospora http://authors.libra[...] 1941-11-15
_[2] 학술지 The one gene-one enzyme hypothesis. 1948
_[3] 학술지 A centennial: George W. Beadle, 1903-1989 2004-01
_[4] 문서 Morange, p. 21
_[5] 학술지 A scientific revolution? The prion anomaly may challenge the central dogma of molecular biology
_[6] 문서 Morange, pp. 21-24
_[7] 문서 Fruton, pp. 432-434
_[8] 학술지 The sixtieth anniversary of biochemical genetics 1996-05
_[9] 문서 Kay, pp. 204-205.
_[10] 문서 "Biochemical genetics: some recollections", pp. 23-32 in ''Phage and the Origins of Molecular Biology'', edited by J. Cairns, G. S. Stent and J. D. Watson Cold Spring Harbor Symposia, Cold Spring Harbor Laboratory of Quantitative Biology, NY 1966
_[11] 문서 Morange, pp. 27-28
_[12] 서적 George Beadle, an uncommon farmer: the emergence of genetics in the 20th century https://books.google[...] CSHL Press 2003
_[13] 학술지 Beadle's progeny: Innocence rewarded, innocence lost http://www.ias.ac.in[...]
_[14] 문서 "An amazing sequence arrangement at the 5' ends of adenovirus 2 messenger RNA." 1977-09
_[15] 서적 Where the Truth Lies: Franz Moewus and the Origins of Molecular biology Oxford University Press 1990
_[16] 학술지 Genetic Control of Biochemical Reactions in Neurospora http://www.ncbi.nlm.[...] 1941-11-15
_[17] 서적 HIGH TOP 생명 과학2 두산동아 2016-01-12

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com