유전자가 전사·번역으로 단백질을 지정하는 원리, 유전암호

DNA가 유전정보를 담은 물질이라는 건 알았습니다(개념 16.1). 그런데 A, T, G, C 네 종류 문자로만 이루어진 이 서열이, 대체 어떻게 눈 색깔이나 효소 활성 같은 실제 형질로 이어지는 걸까요? 정답은 단백질입니다. DNA 서열이 단백질의 아미노산 서열을 지정하고, 그 단백질이 세포에서 실제 일을 합니다.

한 유전자, 한 효소

이 연결고리를 처음 실험으로 보여준 건 1941년 조지 비들과 에드워드 테이텀이었습니다. 이들은 붉은빵곰팡이(Neurospora)에 방사선을 쬐어 인위적으로 돌연변이를 유도한 뒤, 특정 영양소를 스스로 못 만드는 돌연변이 균주들을 모았습니다. 각 돌연변이마다 대사 경로의 특정 효소 하나가 망가져 있다는 걸 확인하면서 "한 유전자는 한 효소(단백질)를 지정한다"는 원칙을 제시했어요(지금은 한 유전자가 여러 단백질을 만들 수도 있다는 게 밝혀져서 "한 유전자, 한 폴리펩타이드"에 더 가깝게 수정됐지만, 유전자와 단백질을 직접 연결한 최초의 실험적 증거였습니다).

DNA에서 단백질까지 — 중심원리

유전정보는 DNA → RNA(전사) → 단백질(번역) 순서로 한 방향으로 흐릅니다. 이를 분자생물학의 중심원리(central dogma)라 부릅니다.

• 전사(transcription) — DNA 서열을 주형 삼아 상보적인 RNA를 합성(개념 17.2)
• 번역(translation) — RNA의 서열 정보를 읽어 아미노산을 순서대로 연결(개념 17.4)

여기서 핵심 문제가 하나 남습니다. 뉴클레오타이드는 4종류(A, U, G, C, RNA 기준)인데 아미노산은 20종류예요. 4개짜리 문자로 20개짜리 문자를 어떻게 지정할까?

정답은 3개씩 묶어 읽는다 — 코돈

뉴클레오타이드 1개로는 4가지, 2개씩 묶어도 4×4=16가지밖에 안 돼서 20종류 아미노산을 다 지정할 수 없습니다. 3개씩 묶으면 4×4×4=64가지가 나와서 20종류를 지정하고도 남아요. 실제로 유전암호는 뉴클레오타이드 3개를 한 단위(코돈, codon)로 읽습니다.

64개 코돈 중 61개는 아미노산을 지정하고, 나머지 3개(UAA, UAG, UGA)는 번역을 끝내라는 종결코돈입니다. 그리고 AUG(메싸이오닌)는 아미노산을 지정하는 동시에 번역을 시작하라는 개시코돈 역할도 겸합니다.

실제 서열로 따라가 본 전사·번역과 유전암호의 축퇴성 — 송쌤생명과학 자체 제작

유전암호의 특징

• 축퇴성(중복성) — 아미노산 하나에 코돈이 여러 개 대응할 수 있다(예: 류신은 6개 코돈). 특히 세 번째 염기가 달라도 같은 아미노산인 경우가 많아서(흔들림, wobble), 돌연변이가 세 번째 자리에 생겨도 단백질이 안 바뀔 확률이 상대적으로 높습니다.
• 비중복성 — 코돈 하나는 오직 하나의 아미노산만 지정하며, 서로 겹쳐 읽히지 않는다.
• 보편성 — 세균부터 사람까지 거의 모든 생물이 같은 유전암호표를 쓴다. 다만 완전히 예외가 없는 건 아닌데, 미토콘드리아 유전암호는 일반 유전암호와 코돈 몇 개의 의미가 다릅니다(세포소기관 유전자, 개념 15.5 참고) — 미토콘드리아가 원래 독립된 세균이었다는 세포내공생설과도 맞아떨어지는 흔적입니다.

쌤 한마디 — 이 코돈표를 실제로 실험실에서 처음 해독한 사람은 마셜 니런버그입니다. 1961년, 우라실(U)만 연달아 이어진 인공 RNA(폴리-U)를 시험관 속 번역 시스템에 넣었더니 페닐알라닌만 계속 연결된 폴리펩타이드가 나왔어요. 이걸로 UUU 코돈 = 페닐알라닌이라는 첫 번째 코돈의 의미가 확정됐고, 이후 몇 년에 걸쳐 64개 코돈이 전부 해독됩니다. "보편성"이 이론이 아니라 실제로 확인된 사실이라는 걸 보여준 실험이에요.

유전암호가 무엇을 지정하는지 알았으니, 이제 그 첫 단계인 전사가 실제로 어떻게 일어나는지를 볼 차례입니다. 개념 17.2로 이어집니다.