유전 부호

3. 코돈의 형성 및 특징

코돈은 전령 RNA(mRNA)와 운반RNA(tRNA)의 유전 정보 단위로, 하나의 아미노산을 지정한다.^[112] 유전자 발현 과정에서 DNA는 RNA 중합효소에 의해 전사되어 전령 RNA를 형성하고, 이 전령 RNA의 염기 세 개가 짝을 이루어 코돈을 구성한다.

1953년 DNA 구조가 발견된 후, 프랜시스 크릭과 제임스 왓슨은 DNA와 단백질 사이에 연관성이 있다는 가설을 세웠다.^[2] 조지 가모프는 20개의 표준 아미노산을 암호화하기 위해 3개의 염기 조합(트리플렛)이 사용되어야 한다고 제안했다.^[3][4]

1955년, 크릭은 RNA 타이어 클럽 회원들에게 "퇴화된 템플릿과 어댑터 가설"이라는 논문을 발표하여 아미노산이 어댑터 분자에 의해 전달된다는 가설을 제시했다.^[8] 이 어댑터는 나중에 tRNA로 밝혀졌다.^[11]

프랜시스 크릭과 시드니 브레너 등의 실험을 통해 코돈이 세 개의 DNA 염기로 구성되어 있음이 밝혀졌다. 마셜 니렌버그와 J. 하인리히 마테이는 1961년에 UUU 코돈이 페닐알라닌을 지정한다는 것을 처음으로 발견했다.^[12][13] 이후 세베로 오초아, 하 고빈드 코라나, 로버트 W. 홀리 등의 연구를 통해 유전 부호의 나머지 부분이 밝혀졌다.
유전 부호의 특징

• 중복성 (Degeneracy): 유전 부호는 중복성을 가지지만 모호성은 없다. 예를 들어, GAA와 GAG 코돈은 모두 글루탐산을 지정하지만(중복성), 다른 아미노산을 지정하지는 않는다(모호성 없음).
• 구조화: 코돈의 첫 번째 위치 변화는 두 번째 위치 변화보다 중요하다. 전하 반전(charge inversion)은 특정 코돈의 첫 번째 위치에서만 발생할 수 있기 때문이다.

3. 1. 전사와 코돈의 형성

3. 2. 리딩 프레임

3. 3. 개시 코돈과 종결 코돈

3. 4. 돌연변이의 영향

3. 5. 코돈 사용 빈도 (Codon usage bias)

4. 안티코돈

4. 1. 단백질 합성

5. 아미노산

표준 아미노산은 20가지(페닐알라닌, 세린, 티로신, 시스테인, 류신, 트립토판, 프롤린, 히스티딘, 아르기닌, 글루타민, 이소류신, 트레오닌, 아스파라긴, 리신, 메티오닌, 발린, 알라닌, 글리신, 아스파라긴산, 글루타민산)가 지정되어 있으며, 이들은 세 개의 염기로 구성되어 있다. 추가로 스톱코돈(stop codon 또는 종결코돈) 등이 있다.

1961년, 마셜 니렌버그와 J. 하인리히 마테이는 무세포 시스템을 사용하여 폴리-우라실 RNA 서열(UUUUU...)을 번역했고, 합성한 폴리펩타이드가 페닐알라닌으로만 구성되어 있다는 것을 발견했다.^[13] 그들은 UUU 코돈이 페닐알라닌을 지정한다는 것을 추론했다.^[12]

이어서 세베로 오초아의 연구실에서 수행된 실험에서 폴리-아데닌 RNA 서열(AAAAA...)이 폴리-라이신^[14] 폴리펩타이드를 암호화하고, 폴리-시토신 RNA 서열(CCCCC...)이 폴리-프롤린^[15] 폴리펩타이드를 암호화한다는 것을 입증했다. 따라서 AAA 코돈은 라이신을 지정하고, CCC 코돈은 프롤린을 지정했다. 다양한 공중합체를 사용하여 나머지 코돈의 대부분이 결정되었다.

이후 하 고빈드 코라나의 연구를 통해 유전 코드의 나머지가 밝혀졌다.

6. 유전 부호의 다양성

유전 부호는 대부분의 생명체에서 거의 동일하게 사용되지만, 일부 예외도 존재한다. 이러한 다양성은 생명체의 진화 과정에서 나타난 흥미로운 현상이다.

1979년 인간 미토콘드리아 유전자 연구에서 처음으로 유전 부호의 변이가 발견된 이후,^[58] 다양한 변종들이 추가로 발견되었다.^[64] 예를 들어, ''미코플라스마'' 종은 코돈 UGA를 트립토판으로 번역하고, "CTG 클레이드"의 효모(예: ''칸디다 알비칸스'')는 CUG를 류신 대신 세린으로 번역한다.^[60][61][62] 토티바이러스와 같이 숙주의 유전 부호 수정에 적응한 바이러스도 존재한다.^[63]

세균과 고세균에서는 GUG와 UUG가 일반적인 개시 코돈으로 사용되지만, 드물게 특정 단백질은 대체 개시 코돈을 사용하기도 한다.^[64]

심지어 인간의 핵-암호화 유전자에서도 유전 부호 해석의 변이가 발견되었다. 2016년 연구에 따르면, 말산 탈수소 효소를 암호화하는 mRNA의 약 4%에서 종결 코돈이 트립토판과 아르기닌을 암호화하는 데 사용된다는 사실이 밝혀졌다.^[65] 이러한 재코딩은 ''기능적 번역 리드스루''라고 불린다.^[67]

가장 극단적인 변이로는 특정 섬모충에서 mRNA 내 위치에 따라 종결 코돈의 의미가 달라지는 현상이 있다. 3' 말단 근처에서는 종결 코돈으로 작동하지만, 내부 위치에서는 ''콘딜로스토마''처럼 아미노산을 암호화하거나 ''유플로테스''처럼 리보솜 프레임 시프트를 유발한다.^[69][70]

이러한 다양한 유전 부호 변이에도 불구하고, 자연적으로 발생하는 모든 코드는 매우 유사하며, 코딩 메커니즘은 모든 유기체에서 동일하다.^[68] 즉, 3개의 염기 코돈, tRNA, 리보솜, 단일 방향 판독, 그리고 단일 코돈을 단일 아미노산으로 번역하는 방식은 동일하게 유지된다.

유전 부호의 기원, 변이, 그리고 진화 가능성은 활발하게 연구되고 있으며,^[71][72] 일부 연구에서는 유전 부호를 실험적으로 진화시키기도 한다.^{[73][74][75][76]}

6. 1. 비표준 아미노산

6. 2. 유전 부호 변이

7. 유전 부호의 기원

단백질이 어떻게 암호화되는지를 이해하려는 노력은 1953년 DNA 구조가 발견된 이후 시작되었다. 주요 발견자인 영국의 생물물리학자 프랜시스 크릭과 미국의 생물학자 제임스 왓슨은 케번디시 연구소에서 함께 연구하면서 정보가 DNA에서 흐르고 DNA와 단백질 사이에 연관성이 있다는 가설을 세웠다.^[2] 소련계 미국인 물리학자 조지 가모프는 DNA로부터 단백질을 합성하는 실현 가능한 방식을 처음으로 제시했다.^[3] 그는 생명체가 단백질을 만드는 데 사용하는 20개의 표준 아미노산을 암호화하기 위해 3개의 염기 세트(트리플렛)를 사용해야 한다고 가정했는데, 이를 통해 최대 4³ = 64개의 아미노산을 암호화할 수 있었다.^[4] 그는 이 DNA-단백질 상호작용(원래의 유전 부호)을 "다이아몬드 코드"라고 명명했다.^[5]

1954년 왓슨의 제안에 따라 가모프는 RNA 타이어 클럽(RNA Tie Club)이라는 비공식 과학 조직을 만들었는데, 이는 유전자로부터 단백질이 어떻게 합성되는지에 관심 있는 다양한 성향의 과학자들을 위한 모임이었다.^[6]

이 클럽의 첫 번째 과학적 기여는 프랜시스 크릭에 의해 이루어졌는데, 1955년 1월 "퇴화된 템플릿과 어댑터 가설에 관하여: RNA 타이어 클럽을 위한 노트"(On Degenerate Templates and the Adaptor Hypothesis: A Note for the RNA Tie Club)라는 제목의 논문을 발표했다. 이 가설은 트리플렛 코드가 아미노산으로 전달되는 것이 아니라 아미노산과 상호 작용하는 다른 분자인 어댑터에 의해 전달된다고 주장한다.^[8] 이 어댑터는 나중에 tRNA로 밝혀졌다.^[11]

프랜시스 크릭, 시드니 브레너 등의 실험은 처음으로 코돈이 세 개의 DNA 염기로 구성되어 있음을 보여주었다.

마셜 니렌버그와 J. 하인리히 마테이는 1961년에 코돈의 성질을 처음으로 밝혀냈다.^[12] 그들은 무세포 시스템을 사용하여 폴리-우라실 RNA 서열(즉, UUUUU...)을 번역했고, 합성한 폴리펩타이드가 아미노산 페닐알라닌으로만 구성되어 있다는 것을 발견했다.^[13] 그들은 UUU 코돈이 아미노산 페닐알라닌을 지정한다는 것을 추론했다.

이어서 세베로 오초아의 연구실에서 수행된 실험에서 폴리-아데닌 RNA 서열(AAAAA...)이 폴리-라이신^[14] 폴리펩타이드를 암호화하고, 폴리-시토신 RNA 서열(CCCCC...)이 폴리-프롤린^[15] 폴리펩타이드를 암호화한다는 것을 입증했다. 따라서 AAA 코돈은 아미노산 라이신을 지정하고, CCC 코돈은 아미노산 프롤린을 지정했다. 다양한 공중합체를 사용하여 나머지 코돈의 대부분이 결정되었다.

이어진 하 고빈드 코라나의 연구를 통해 유전 코드의 나머지가 밝혀졌다. 그 직후, 로버트 W. 홀리는 RNA를 단백질로 번역하는 과정을 촉진하는 어댑터 분자인 전령 RNA (tRNA)의 구조를 밝혀냈다. 이 연구는 오초아의 이전 연구를 기반으로 했으며, 오초아는 1959년 RNA 합성에 대한 효소학 연구로 노벨 생리학·의학상을 받았다.^[16]

이 연구를 확장하여 니렌버그와 필립 레더는 코드의 삼중항 특성을 밝히고 코돈을 해독했다. 레더와 니렌버그는 실험에서 64개의 코돈 중 54개의 서열을 결정할 수 있었다.^[17] 코라나, 홀리, 니렌버그는 이 연구로 1968년 노벨상을 받았다.^[18]

유전 부호는 생명 역사의 핵심 부분이며, RNA 세계 가설에 따르면 유전 부호의 출현에 대한 모든 모델은 세포 내 주요 효소로서 리보자임(RNA 효소)에서 단백질로의 전이 모델과 밀접하게 관련되어 있다. RNA 세계 가설에 따라, 전이 RNA 분자는 현대적인 아미노아실-tRNA 합성효소보다 먼저 진화한 것으로 보이며, 따라서 후자는 패턴에 대한 설명의 일부가 될 수 없다.^[80]

유전 부호의 기원에 대한 세 가지 주요 가설은 다음과 같다.^[88]

• 무작위 고정: 유전 부호는 무작위로 생성되었다.
• 입체 화학적 친화성: 유전 부호는 각 아미노산과 코돈 또는 안티코돈 사이의 높은 친화성의 결과이다.
• 최적성: 유전 부호는 초기 생성 이후에도 계속 진화하여 현재 코드가 일부 적합도 함수, 일반적으로 일종의 오류 최소화를 최대화한다.

8. 각주

^{[2][3][4][5][6][7][8][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][40][32][33][34][35][36][37][38][39][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50][51][52][53][54][55][56][77][57][58][64][59][60][61][62][63][65][66][67][68][69][70][71][72][73][74][75][76][78][79][80][81][82][83][84][85][86][87][88][89][90][94][91][92][93][95][96][97][98][99][100][101][102][103][104][105][106][107][108][109][110][111]}

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