분자생물학개론 | 유전자 클로닝이 중요한 이유(Why Gene Cloning and DNA Analysis are Important)

 

 

 

TIP

 

 

1. 초창기 유전학의 발달(The early development of genetics)
2. 유전자 클로닝의 출현
3. 유전자 클로닝이란 무엇인가 ?(What is gene cloning?)
4. 유전자 클로닝을 위해선 특수한 도구 및 기술들이 필요하다.
5. 왜 유전자 클로닝이 이토록 중요한가 ?
6. 왜 PCR(Polymerase chain reaction)이 또한 중요한가 ?

 

 

19세기에 Gregor Mendel 이 생물학적 특징들의 유전을 설명하기 위해 법칙들을 공식화시킨 이래 이 법칙들의 기본적인 가정은 한 생물체의 유전 가능한 각각의 특징이 gene(유전자)이라 불리우는 인자에 의해 제어된 것이며 gene은 세포 내 어딘가에 존재하는 물리적인 입자라고 생각되었다. 1900년 Mendel's laws의 재발견은 유전학을 탄생시켰다. Clone이란 재조합 DNA를 가지고 있는 세포의 집합체를 말하며 따라서 cloning이란 clone을 만들어내는 것을 가리킨다.

 

 

초창기 유전학의 발달(The early development of genetics)

 

초창기 30년 동안 유전학은 놀라운 속도로 성장하였다. 그러나 1940년대까지 gene의 분자적 특징에 대한 실질적인 이해는 없었다. 1920년대 말부터 1950년대 초에 걸쳐 Griffith, Avery, Hershey &Chase에 의한 실험을 통해 누구나 DNA가 유전물질임을 믿게 되었다. 1952년과 1966년 사이에는 DNA구조가 밝혀지고[J. D. Watson &F. H. C. Crick, Nature (April, 2, 1953) “Molecular Structure of Nucleic Acids, A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”] 유전암호가 해독되고 전사와 번역과정이 묘사되었다.

 

 

유전자 클로닝의 출현

1960년대 후반까지 gene을 더 자세히 연구하기 위한 정교한 실험기술이 없었다. 1970년대에 들어와서 재조합 DNA 기술, 유전자 조작 기술 등 새로운 기술이 개발되어 새로운 혁명기를 맞이하였다.

 

(1) 재조합 DNA 기술

유전자 클로닝(Gene cloning), 유전자 조작 기술 → 생물공학

특정 생물체의 관심 있는 DNA를 떼어내어 다른 DNA(벡터)에 끼워넣는 기술, 이후 다른 생물체에 삽입시켜 DNA를 발현시키고 자손 세대에 유전시키는 단계까지 포함한다.

 

 

유전자 클로닝이란 무엇인가 ?(What is gene cloning?)

유전자 클로닝(Gene cloning) 실험에서 기본적인 단계는 다음과 같다. 키메라(Chimaera) 또는 재조합 DNA분자를 만들어내기 위해 클로닝될 유전자를 가지고 있는 DNA단편을 벡터라 불리는 원형의 DNA분자 내부에 삽입시킨다. 벡터(Vector or Vehicle)는 숙주세포 안으로 유전자를 이동시키는 운반체 역할을 한다. 숙주세포내에서 이 벡터는 복제되어 동일한 수많은 복사본(copy)이 만들어진다. 숙주세포가 분열할 때 재조합 DNA분자의 복사본들은 자손세대로 이동하여 다시 벡터의 복제가 일어난다. 수많은 세포분열 후에, 동일한 숙주세포의 콜로니(colony) 또는 클론(clone)이 생성된다. 클론의 각 세포는 재조합 DNA분자의 하나 이상의 복사본을 가지고 있다. 지금, 재조합 분자에 존재하는 유전자가 클로닝되었다고 말한다.

 

(1) 유전자 클로닝의 단계들

1) 재조합 DNA 분자의 제조하는 단계

① DNA(vector & foreign DNA)를 준비하는 단계

② 동일한 효소를 사용하여DNA를 제한효소처리하는 단계

③ 전기 영동법에 의해DNA 단편을 분석하는 단계

④ DNA 단편들을 서로 연결시키는 단계(DNA ligase에 의한 연결)

2) 형질전환(Transformation : 숙주 세포 안으로 이동시키는 단계)시키는 단계

3) 재조합 DNA 분자를 '복제'를 통해 증폭시키는 단계

4) 숙주 세포를 분열시키는 단계

5) 수많은 세포 분열을 통해 클론을 생성시키는 단계

6) 재조합 DNA 분자를 가진 세포를 동정하는 단계

 

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유전자 클로닝을 위해선 특수한 도구 및 기술들이 필요하다.

(1) 벡터(Vector)

유전자 클로닝 실험의 핵심 구성요소는 벡터이다. 클로닝 벡터로 작용하기 위해, DNA분자(벡터)는 숙주세포로 들어갈 수 있어야 하고, 일단 들어가면, 수많은 복사본을 생산하기 위해 복제할 수 있어야만 한다. 두 가지 유형의 DNA분자가 이러한 요구를 만족시킨다.

 

플라스미드(Plasmid) : 세균(bacteria)과 일부 다른 생물체(예컨대, 균류인 효모)내에서 발견되는 작은 원형의 DNA이며, 플라스미드는 숙주세포 염색체와는 독립적으로 복제가능하다.

 

바이러스 염색체 : 특히 박테리오파지(Bacteriophage;숙주세포가 세균인 바이러스로 세균성 파지라고도 함)의 염색체. 감염동안, 박테리오파지 DNA분자는 숙주세포 내부로 주입됨으로써 복제가 일어난다.

 

(2) DNA를 조작하기 위한 기술들

플라스미드와 박테리오파지 DNA분자가 클로닝 벡터로서의 조건에 적합하지만 DNA분자를 조작하는 실험적인 기술 없이는 아무 소용이 없다.

1) 기본 기술들

① 순수한 DNA 샘플의 준비하는 기술

② DNA 분자들을 절단하는 기술

③ DNA 단편의 크기를 분석하는 기술

④ DNA 분자들을 서로 연결시키는 기술

⑤ DNA를 숙주 세포 안으로 도입시키는 기술

⑥ 재조합 DNA 분자들을 가진 세포를 동정하는 기술

 

(3) 다양한 클로닝 벡터들

유전자 클로닝이 비교적 새로운 것이긴 하지만, 그것은 매우 정교한 공학으로 발전해 왔다. 오늘날 매우 다양한 클로닝 벡터들이 이용가능하다. 이들 중 거의 전부는 자연상의 플라스미드 또는 바이러스로부터 유래하지만, 대부분 특별한 유형의 클로닝 실험에 적합하도록 하기 위해 여러 방법으로 수정되고 있다.

 

 

 

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