유전 암호의 실험적 해독

교과서 뒤의 유전 암호표에는 64개 코돈이 어떤 아미노산을 뜻하는지 적혀 있다. 그런데 이 표는 처음부터 주어진 것이 아니다. 1961년 니런버그와 마테이는 우라실(U)만으로 된 인공 RNA를 대장균을 갈아 만든 추출액에 넣었다. 그러자 페닐알라닌만 이어진 사슬이 만들어졌다. 이 실험이 암호 해독의 첫걸음이었다. 염기가 한두 종류뿐인 인공 RNA로 어떻게 64개의 암호를 모두 풀 수 있었을까?

인공 mRNA

3.3.1세포 없는 번역계와 인공 mRNA

대장균을 갈아 DNA를 없앤 추출액에는 리보솜, tRNA, 효소가 그대로 남아 있다. 여기에 아미노산과 에너지원, 그리고 원하는 mRNA를 넣으면 그 mRNA대로 단백질 사슬이 만들어진다. 연구자들은 아미노산 하나에만 방사성 표지를 하고, 어떤 아미노산이 사슬에 들어가는지 확인했다. 폴리(U)는 UUU만 되풀이되므로 페닐알라닌만 들어갔고, 폴리(A)는 라이신, 폴리(C)는 프롤린만 들어갔다. 이렇게 세 코돈이 먼저 풀렸다.

그림 1에서 인공 mRNA를 바꾸어 보자. 폴리(UC)는 UCU와 CUC가 번갈아 나와 세린과 류신이 번갈아 이어진다. 폴리(UUC)는 첫째 틀이 UUC만, 둘째 틀이 UCU만, 셋째 틀이 CUU만 읽어, 페닐알라닌, 세린, 류신의 사슬이 따로 생긴다. 앞에서 UUU가 페닐알라닌임을 알았으므로, 세 결과를 맞추어 보면 UUC도 페닐알라닌이고 UCU는 세린, CUU는 류신이라고 짝을 정할 수 있다. 코라나는 이렇게 반복 서열을 화학적으로 합성해 수많은 코돈을 풀었다.¹

3.3.2삼중 결합 실험과 암호의 성질

반복 서열 실험만으로는 어느 코돈이 어느 아미노산인지 하나씩 확정하기 어려운 경우가 있었다. 1964년 니런버그와 레더는 염기 3개짜리 아주 짧은 RNA를 리보솜에 붙이면, 그 코돈에 맞는 아미노산을 실은 tRNA만 함께 붙는다는 것을 발견했다. 그래서 64가지 삼중 염기를 하나씩 합성해, 어떤 아미노산이 붙는지 걸러 냈다. 그 결과 61개 코돈이 20가지 아미노산을 나타내고, UAA, UAG, UGA는 아무 아미노산도 지정하지 않는 종결 코돈임을 알았다. 한 아미노산을 여러 코돈이 나타내는 경우가 많고, 이 암호는 거의 모든 생물에서 같다.

3.3.3예제 풀이

UAUCUAUCUAUC…를 첫 염기부터 세 개씩 끊으면 UAU, CUA, UCU, AUC가 되풀이된다. 어느 틀에서 시작해도 이 네 코돈이 같은 순서로 돌아가며 나오므로 펩타이드는 한 종류이다.

UCU가 세린이므로, 펩타이드 서열에서 세린 앞의 류신은 CUA, 세린 뒤의 아이소류신은 AUC, 아이소류신 뒤에 다시 오는 티로신은 UAU이다. 즉 네 코돈 UAU, CUA, UCU, AUC가 차례로 티로신, 류신, 세린, 아이소류신이다. 반복 서열 하나와 이미 아는 코돈 하나로 세 코돈을 새로 푼 셈이다. 그래서 여러 반복 서열의 결과를 맞추어 가면 암호표의 빈칸을 하나씩 채울 수 있다.

아래 탐구 카드에서 실제 실험 결과만 가지고 유전 암호표를 직접 채워 보자.

1. 니런버그, 코라나, 그리고 tRNA의 구조를 처음 밝힌 홀리는 유전 암호 해독의 공로로 1968년 노벨 생리의학상을 함께 받았다.