5‘ - 3’ 방향 전사 현상에 대한 탐구

대전대신고등학교

30700 이준서

30922 이원구

[1] 핵산의 기본 구조

뉴클레오타이드

- 핵산의 단위체인 분자이다.

- 5탄당, 인산기, 염기가 1 : 1 : 1 의 비율로 존재하면서 5탄당과 염기의 종류가 달라짐에 따라 다른 명

- 대사에 중추적인 역할을 하며, 큰 용량으로 인해 화학적 에너지의 공급자 역할을 한다.

- 이 외에도, 유전 정보의 저장과 전달, 세포내 신호계, 조효소와 중간대사물간의 구조적 구성 성분 등으로도 작용한다.

(1) 5탄당

- 핵산을 구성하는 작은 단위로, 5개의 탄소로 이루어진 당이다.

- 5탄당의 종류로는 디옥시리보스, 리보스, 리불로스, 크실로스, 아라비노스가 있다.

- DNA, RNA, ATP, ADP, AMP 등을 이루는 분자이다.

1) 디옥시리보스와 리보스의 차이점

- 디옥시리보스와 리보스는 각각 DNA와 RNA를 구성하는 분자로,

구성 원자에 차이가 있다.

- 리보스 = 2‘에  –OH기(히드록시기)가 붙어있음

- 디옥시리보스 = 2’에 –H(수소)가 붙어있음

(2) 염기

- N을 포함한 고리형 유기 화합물을 말한다.

- 염기의 종류로는 A(아데닌), G(구아닌), T(티민), C(사이토신), U(유라실)이 있으며, U(유라실)은 T(티민)을 대체하여 RNA에서 사용이 된다.

- 염기는 퓨린계와 피리미딘계로 분류할 수 있는데, A(아데닌), G(구아닌)은 퓨린계로,  T(티민), C(사이토신), U(유라실)은 피리미딘계로 분류된다.

- DNA에서 A(아데닌)와 G(구아닌) 염기의 합과 T(티민)와 C(사이토신) 염기의 합이 같다는      특징이 있다.

(3) 인산기

- 주로 용액 내 인산이 이온화된 형태로 존재하기 때문에 무기인산(P)으로 표현된다.

- 인산기에 바탕이 된 인산염은 하나의 인과 4개의 산소로 구성된 다원자 이온 또는 근본      물질에서 형성된 물질이다

- 인산기 구성은 구성 분자의 종류에 따라 달라질 수 있다.(H2PO4^-, HPO4^2-, PO4^3-      (뉴클레오타이드 구성체))

[2] 인산다이에스테르 결합 (포스포다이에스테르 결합)

- 인산이 두 개의 당과 공유 결합한 것으로, 이 결합에서 인산기는 산소 원자를 통해 두 분자 사이를 연결해주는 다리(DNA의 척추)의 역할을 한다.

- 결합의 방식을 간단히 설명할 때, 첫 에스테르는 3' 위치의 탄소와 연결된 것이고 다음 에스테르는 5' 위치의 탄소와 연결된 것이다.

- 하나의 뉴클레오타이드 3‘ -OH, 다른 뉴클레오타이드의 5’-OH와 -PO4 인산기의 탈수 축합으로 인해 형성이 된 결합이다.

- 이에 따라, 오른쪽 그림을 봤을 때, -POO- 형태를 가지는 모습을 볼 수 있다.

[3] 5‘-3’ 방향성

- DNA 단백질을 합성하기 위해, mRNA를 거쳐서 전사, 번역 등의 과정을 거쳐야 한다.

- 이 과정 속에서, mRNA를 생성하기 위한 과정인 전사에서 인산다이에스테르 결합 과정이 진행된다.

- 인산다이세스테르 결합 과정에서 5탄당에서 특정 부위의 탄소에서 결합의 방향성이 보이는데, 인산다이에스테르 결합이 일어나는 부위에서 5’ 에서 3‘으로 결합이 진행되는 것을 볼 수 있다.

- 위 내용으로 실제 예시를 들자면 3‘ TGTGCATT 5’ 이라는 서열을 가진 DNA를 통해 mRNA를 생성하게 되면 5’ ACACGUAA 3’ 이 된다.

[4] 왜 5‘-3’ 방향으로만 진행이 되는가?

- 생체 내에서 DNA를 합성할 때는 DNA 주형에 상보적

뉴클레오타이드를 첨가하는 방식으로 이루어진다.

- 이 때, DNA 중합 효소는 3‘ 끝에 있는 하이드록시기(-OH)를     primer로 필요로 한다.

- 이 과정을 통해 primer는 새로운 주형가닥에 상보적으로

작용하게 되면서 뉴클레오타이드를 추가할 수 있다.

- 결론적으로는, 인산그룹이 존재하는 것을 단량체로 삼기 때문     에, 5’에 인산그룹이 존재해서 5‘-3’방향으로만 진행이 된다.

[5] 생물정보학에서의 3‘-5’ 방향성의 활용

아래 jupyter notebook을 활용해 임의적으로 정한 염기서열을 지닌 DNA의 m-RNA를 구하는 방식을 서술해 보았다.

(1)식

from Bio.Seq import Seq

from Bio.Alphabet import IUPAC

coding_dna=Seq("AAAAAGTCAGGTGTGGTGGCTCACACCTGTAAACCCAACACTT CGGGAGGCCAAGGTGGGCAGATCACTTGAGCCCAGGAGTTTGAGACCAGCCTGGGCAACATGGCAAAACCCTGTCTCTACAAAAAATGCAAAAATTAGCCAGTCATGGTGTGTGCCTGT", IUPAC.unambiguous_dna)

coding_dna

out : Seq('AAAAAGTCAGGTGTGGTGGCTCACACCTGTAAACCCAACACTTCGGGAGGCCAA ...TGT', IUPACUnambiguousDNA())

template_dna = coding_dna.reverse_complement()

template_dna

out : Seq('ACAGGCACACACCATGACTGGCTAATTTTTGCATTTTTTGTAGAGACAGGGTTT

...TTT', IUPACUnambiguousDNA())

messenger_rna = coding_dna.transcribe()

messenger_rna

out : Seq('AAAAAGUCAGGUGUGGUGGCUCACACCUGUAAACCCAACACUUCGGGAGGCCA

A...UGU', IUPACUnambiguousRNA())

오른쪽 그림과 같게, coding_dna를 DNA에서 전사되지 않을 주형 가닥으로 생각하고, template_dna를 전사되는 주형 가닥, messenger_rna를 m-RNA로 생각한다. 이때, (1)식에서 염기서열 첫 부분을 5’으로 놓고, 마지막을 3‘으로 놓았을 때, 각각의 예시를 들어보면,

(2)식

coding_dna = 5’- AAAAAGTCAGGTGTGGTGGCTCACACCTGTAAACCCAA...TGT – 3’

template_dna = 3‘- ACAGGCACACACCATGACTGGCTAATTTTTGCATTTT...TTT – 5’

messenger_rna = 5‘- AAAAAGUCAGGUGUGGUGGCUCACACCUGUAAACC...UGU – 3’

(2)식과 같은 방식으로 나타낼 수 있다.

즉, (1)식에서 template_dna 산출 과정을 통해 나타내고자 한 것은 역상보 서열로, reverse_complement() 메소드 활용을 통해 알 수 있다. 또한, m-RNA 산출을 위해서 transcribe 메소드를 사용한 것도 역방향 전사가 일어나기 때문임을 알 수 있다.

따라서, (1)식을 통해 5‘-3’ 방향성이 전사가 일어나는 과정에 큰 영향을 끼치고 있다는 것을 볼 수 있다.