유전체학(제2판) > Genetics

원저 : Introduction to Genomics 2nd Edition by Lesk

학습목표
• 인간 유전체에 대한 기본 이해 - 인간 유전체는 몇 개의 염기쌍으로 이루어져 있으며, 단백질이나 RNAs 등을 코딩하는 유전자는 몇 개인가?
• 유전체 염기서열 자체, 생활 습관, 수정된 난자 내의 후성유전체적 신호 등이 각 개인의 표현형에 미치는 영향을 인식하기
• 인간 유전체의 많은 부분이 여러 종류의 반복서열 DNA들로 이루어졌음을 이해하기
• DNA가 RNA로 전사되고, RNA는 단백질로 해독되는 기본적인 중심이론 이해하기. 이러한 수준을 넘어서 단백질을 코딩하고 있는 많은 유전자들이 다양한 대체 스플라이싱을 하여 유전체가 단백체를 지정하는 체계도의 또 다른 면의 복잡성을 가지고 있다는 것을 이해하기
• 염기서열 해독을 통한 비교유전체 연구가 진화의 과정을 나타내고 인간 유전체의 부위들을 이해하는 데 도움을 준다는 것을 이해하기
• 자연생태로부터 샘플링한 다양한 생명체들을 다루는 메타유전체연구를 포함하여 여러 생물 종들에서 행하여지고 있는 유전체 프로젝트들을 이해하기
• 다양한 형태로 진행 중인 인간 유전체 프로젝트를 이해하기. 예로 여러 국가의 과학자들이 참여하고 있는 국제적 기구, 법률을 집행하는 기관들에 의해 수집되는 자료, 특정한 임상적인 테스트를 수행하기 위한 연구, 계보에 대한 궁금증으로부터 시작된 일반인들의 유전체 정보 분석 등을 이해하기
• 유전체 염기서열 정보가 의학연구에 여러 형태로 이용될 수 있는 잠재적 활용 등을 구별하기. 예로, 많은 사람들에 대한 어떤 정보가 임상연구에 어떻게 이용되는지, 특정한 개인의 어떤 유전정보가 질환을 치료하는데 더욱 효과적으로 이용되고 나아가서 질병을 예방할 수 있는지를 이해하기
• 새로운 유전체 정보 생산, 분자생물학에서의 데이터베이스 생성, 데이터들의 분류 및 보관, web을 통하여 데이터 송출, 연구와 활용을 위하여 데이터의 효과적인 획득과 정보 - 획득 방법 고안 등을 하기 위한 컴퓨터 과학 및 생물정보학의 중요성 이해하기
• DNA 염기서열 데이터 수집의 윤리적, 법률적, 사회적 영향과 공공의 안전성과 개인의 프라이버시 간의 상충된 이해 등을 이해하기

역자서문
생명체를 구성하는 분자들은 복잡하며 ‘-omics’는 세포내의 생명분자들의 동정이나 그들 간의 상호작용 네트워크를 규명하여 생명현상을 이해하는 분야이다. 따라서 이러한 ‘-omics’에는 유전체학(genomics), 단백체학(proteomics), 전사체학(tranomics) 등과 같은 다양한 ‘-omics’ 분야가 있을 수 있다. 번역에 참여한 교수들 중 누구도 대학원 시절에 ‘-omics’라는 접미사가 있는 과목
을 배운 적이 없으며 심지어는 유전체학이나 단백체학과 같은 단어들도 생성되지 않았다. 하지만 생물학 분석기법들과 컴퓨터 정보기술의 놀라운 발달에 힘입어 우리는 이미 많은 생명체들의 유전정보를 모두 해독하고 이들 생명체들이 가
지고 있는 생명 정보 네트워크를 분석하고 있으며, 또한 더 나아가 이러한 생명체들 간의 생명정보를 비교 분석함으로써 지금까지 알지 못하였던 생명의 진화, 발달, 질병, 노화등의 비밀을 하나씩 이해하고 있다. 본 저서의 저자가 서문
에 기술한 것처럼 금주에 밝혀진 생물학적 사실이 다음 주의 아주 저명한 잡지에서 중요한 발견을 바탕으로 뒤집어지는 경우가 종종 있지만, 생물학자들은 생명의 신비를 음미하고 즐기고 있다. 유전체학은 이미 이러한 생명 현상의 이
해에 중요한 정보를 제공하는 기본적인 학문이 되어 있다.
본 역서는 2012년도에 출판된 미국 펜실베이니아 대학교의 Arthur M. Lesk 교수의 저서인 ‘Introduction to Genomics, Second Edition’의 완역으로서 역자들은 현재 국내 대학에서 유전체학을 수년간 강의하고 있는 교수들이다. 역자들은 저자가 의도하는 내용을 독자들에게 정확히 전달하기 위하여 충실하게 번역을 하도록 노력하였으며, 용어들은 생물과학협회에서 발행한 ‘생물학용어집’과 인터넷의 생명과학대사전(아카데미서적), Naver 지식백과, 위키백과(ko.wikipedia.org) 등을 참조하였다. 본 역서는 학부 고학년이나 대학원 유전체 강의 교재로 적당하다. 또한 본 역서는 유전체학, 단백체학, 시스템생물학 등에서 인용되는 실례들을 ‘Box’에 소개하고 있으며, 유전체학 연구실에서 이용하고 있는 여러 가지의 생물정보 web site들을 소개하고 이용할 수 있도록 설명하였으므로 유전체학과 관련 있는 유전학, 진화학, 분자생물학 등의 과목을 강의하시는 교수님들에게 유익한 강의 자료 등을 제공할 수 있다.
끝으로 본 역서를 출판하도록 도와 주신 범문 에듀케이션의 한태수 대리, 윤희영 편집인 등에게 감사드린다.

2015년 7월 19일 역자 대표
김남수

초판에 대한 서문 iii
2판의 서문 v
2판의 기획 vi
2판에 보강된 내용 viii
RECOMMENDED READING ix
WEB에서 유전체학의 소개 ix
ACKNOWLEDGEMENTS ix
역자 서문 x
* 표시가 되어 있는 단원은 임상과 관련이 있음

1 유전체학 서론 1
인간 유전체 2
표현형 = 유전자형 + 환경 + 생활 습관 + 후성유전체 2
인간 유전체의 내용 3
단백질체를 암호화하고 있는 유전자들 6
염기서열의 일차원적 세계에서 삼차원적 세계로의 도약 7
유전체 구성의 다양성 8
염색체, 세포 소기관, 플라스미드 8
유전자 9
유전체 역동적인 구성 12
유전체 염기서열 프로젝트 14
유전체 프로젝트와 유전체 정보 도서관의 개발 16
개인 내의 변이와 개인 간의 변이 18
암 유전체 염기해독* 18
인간 유전체 염기해독 18
인간 유전체와 의학* 19
질병 예방 19
질병의 정확한 진단과 탐색 20
효과적 치료의 발견과 실행 20
의료 서비스 21
데이터베이스 개발과 발달 22
데이터은행의 evo-devo 23
Genome Browsers 23
단백질 진화: 종내 또는 종 간의 아미노산 서열 분화와 단백질 분화 28
공통 조상으로부터 여러 가지 글로빈들이 분지되었다 28
윤리적, 법적, 사회적 이슈(*, 부분적으로) 28
인간 DNA 서열 정보의 데이터베이스 30
추천 문헌 32
연습문제, 문제, Weblems 33

2 생물학의 중추 유전체 37
개인, 집단, 그리고 생물권: 과거, 현재 그리고 미래 38
중심이론, 그리고 주변부의 것 39
표현 유형 39
유전자 발현의 조절 39
단백질체학 43
유전학과 발생생물학 43
유전자 그리고 생각: 신경유전체학 45
개체군 47
단일염기다형성(SNPs)과 단상형 47
임상적으로 중요한 단상형: 주된 주조직적합성 복합체* 50
돌연변이와 질병* 52
유전병 - 몇몇 이유와 치료의 예* 54
이상 혈색소증 - 비정상적인 헤모글로빈에 의해 일어나는 분자적 질병 54
페닐케톤뇨증(Pheylketonuria) 55
알츠하이머병(Alzheimer’s disease) 56
SNPs and cancer 56
종(Species) 60
생물권(The biosphere) 62
멸종(Extinctions) 62
추천 문헌 65
연습문제, 문제, Weblems 66

3 지도작성, 염기서열 결정, 주석 달기와 데이터베이스 73
배경으로서의 고전 유전학 74
유전자란 무엇인가? 75
지도와 여행가이드 75
유전자 지도 76
연관 76
연관 불균형 77
염색체 밴드 양식 지도 78
DNA 서열을 직접적으로 기반으로 한 고해상도 지도 81
DNA 구조의 발견 84
DNA 염기서열 분석 87
Frederick Sanger와 DNA 염기서열 분석법의 발전 87
Maxam-Gilbert의 화학적 절단법 90
DNA 자동 염기서열 분석 90
큰 규모의 염기서열 분석사업 기획 91
클론 제작: 계층적 ― 즉, Bac-to-Bac ― 유전체 서열분석 92
전-유전체 샷건 염기서열 분석 93
자동화 고용량 염기서열 분석법 94
추월차선에 있는 인생(Life in the fast lanes) 97
분자생물학 데이터은행 98
핵산 염기서열 데이터베이스 99
단백질 서열 데이터베이스 100
유전병 데이터베이스 - OMIM과 OMIA* 100
구조 데이터베이스 100
단백질 구조의 분류 101
전문화된 혹은 ‘고급(boutique)’ 데이터베이스 101
발현과 단백질체학 데이터베이스 102
대사경로 데이터베이스 102
문헌 데이터베이스 103
분자생물학 데이터베이스에 대한 조사와 서버 103
추천 문헌 104
연습문제, 문제, Weblems 104

4 비교유전체학 109
서언 110
생물들의 통일성과 다양성 110
염기서열을 이용한 분류학 111
유전체의 크기와 조직 115
유전체 크기 115
바이러스 유전체 118
재조합 바이러스들 118
인플루엔자: 과거 및 현재의 위협* 120
원핵생물의 유전체 구성 123
복제와 전사 123
유전자 이동 124
진핵생물 유전체 구성 126
광합성 갯민숭이: 세포내 공생 클로로플라스트 126
유전체는 어떻게 다른가 127
개별적인 염기수준의 변이 128
중복 128
염색체 수준에서의 비교: 신테니(synteny) 137
무엇이 우리를 인간으로 만들었는가? 137
비교유전체학 137
접근법들의 통합: FOXP2 유전자 138
침팬지 유전체와 인간 유전체 138
생쥐와 들쥐의 유전체 139
인간 질병 연구를 위한 모델 생물체들* 140
Caenorhabidistis elegans 유전체 141
초파리(Drosophila melanogaster ) 유전체 141
인간, C. elegans , 초파리의 상동유전자들 142
ENCODE 프로젝트 145
modENCODE 프로젝트 148
추천 문헌 148
연습문제, 문제, Weblems 149

5 진화와 유전체 변화 155
진화는 탐험이다 156
생물 분류학 158
생물학적 명명법 158
생물학적 유사점과 차이점의 측정 159
상동성과 계열 160
패턴 결합 - 생물정보학의 기본적인 도구 161
서열정렬 161
최적 정렬의 정의 164
데이터베이스의 신속한 심사에 대한 대략적인 방법 166
3차원 구조에 매칭 패턴 169
단백질 서열, 구조 및 기능의 진화 169
단일부위 돌연변이의 효과 169
단백질의 구조와 기능의 진화 172
계통 분류 173
계통수 176
클러스터링 기법 176
분지적 방법 176
진화 변화의 속도 문제 178
베이지안 기법 178
단락한 진화: 유전 공학 179
추천 문헌 180
연습문제, 문제, Weblems 180

6 원핵생물의 유전체 183
원핵생물의 진화와 계통유전학적인 관계 184
중요한 원핵생물들 184
우리는 생명의 근원을 알고 있을까? 186
고세균 187
Methanococcus jannaschii 유전체 189
극한 온도에서의 생명 189
극호열 고세균 Thermococcus kodakarensis 와 Pyrococci 의 비교유전체 193
박테리아 196
병원성 박테리아들의 유전체* 196
유전체학과 백신 개발* 199
메타유전체학: 환경 생태적인 샘플에 있는 유전체의 집합 200
해양 시안화박테리아 - 심층연구 200
추천 문헌 204
연습문제, 문제, Weblems 204

7 진핵생물의 유전체 207
진핵생물의 기원과 진화 208
진핵생물에서의 진화와 계통유전학적 관계 208
효모 유전체 208
식물의 진화 210
멍게(Ciona intestinalis )의 유전체 212
복어(Tetraodon nigroviridis )의 유전체 213
닭의 유전체 215
오리너구리(Ornithorhynchus anatinus ) 유전체 216
개 유전체 217
고대 DNA 염기서열 분석 - 고대 DNA 221
고대 표본으로부터 DNA 회수 221
멸종한 새의 DNA 221
뉴질랜드의 모아새 221
도도새와 솔리테어새 222
맘모스 DNA의 자동화 고용량 염기서열 분석법 224
맘모스의 핵 유전체 225
코끼리의 계통분류 225
추천문헌 226
연습문제, 문제, Weblems 226

8 유전체학과 인간 생물학 229
개인 식별에 사용되는 유전체학 230
미토콘드리아 DNA 231
성별 결정 231
신체적 특징 232
농작물 재배 233
옥수수(Zea mays) 235
벼(Oryza sativa ) 237
초콜릿(Theobroma cacao ) 237
T. cacao 유전체 239
인류학에서의 유전체학 240
네안데르탈인 유전체 240
고대 인간과 이주 242
유전체학과 언어 249
추천 문헌 251
연습문제, 문제, Weblems 252

9 마이크로어레이와 전사체학 255
서론 256
DNA 마이크로어레이의 적용 258
마이크로어레이 결과 분석 259
다른 생리 상태에서 발현 양상 262
Sacomyces cerevisiae 에서 이중영양요구성 변화 262
쥐와 초파리의 수면 264
발달에서 발현 양상은 변화한다 266
초파리(Drosphila melanogaster )의 생 주기에서 유전자 발현의 변화 266
장미꽃 형성 268
배움과 기억에서 발현 양상: 장기 강화 271
함께 발현되는 유전자의 보존된 집단 274
표현 양상에서의 진화적 변화 274
의학에서의 마이크로어레이의 적용* 276
박테리아의 항생제 저항성의 발달 276
어린이 백혈병 279
전전사체 염기분석: RNA-seq 281
추천 문헌 282
연습문제, 문제, Weblems 282

10 단백질체학 285
서론 286
단백질 본성과 종류 286
단백질 구조 286
단백질의 화학적 구조 286
폴리펩티드 사슬의 형성 288
단백질 접힘 양상 289
번역후 변형 292
왜 20개의 전형적인 아미노산에는 일반적인 하나의 유전적 암호인가? 293
단백질의 분리와 분석 294
폴리아크릴아마이드 겔 전기영동(PAGE) 294
2차원 폴리아크릴아마이드 겔 전기영동(2D-PAGE) 294
질량 분석기 295
단백질 구조의 분류 297
SCOP 297
단백질 진화의 접힘 양상 변화 299
많은 단백질은 그들의 기능에 따라 기작의 부분으로써 형태를 바꾼다 299
효소적 촉매작용 동안 형태적 변화 300
운동 단백질 303
단백질 기능의 알로스테릭 조절 304
세린 단백질 가수분해효소 억제자의 구조 변화(세르핀) 306
단백질 구조 예측과 모델링 308
상동성 모델링 309
단백질 구조 예측을 하기 위한 가능한 방법들 312
구조 유전체학 313
방향 진화와 단백질 디자인 314
서브틸리신 E의 방향 진화 315
효소 디자인 315
단백질 복합체와 응집체들 316
단백질 응집 질병들* 316
단백질-단백질 복합체의 속성 318
멀티서브유니트 단백질들 320
추천 문헌 321
연습문제, 문제, Weblems 321

11 시스템생물학 325
시스템생물학 소개 326
함께 평행하게 작동하는 두 가지 네트워크: 직접 네트워크와 논리 네트워크 326
정적 네트워크와 동적 네트워크 327
그래프로 그려지는 네트워크 그림 328
나무(Trees) 329
시스템생물학에 대한 아이디어의 원천 330
서열의 복잡성(Complexity of sequences) 330
엔트로피에 관한 Shannon의 정의 331
서열의 무작위성 332
정적 복잡성과 동적 복잡성 333
계산의 복잡성 334
메타볼롬 335
단백질 기능의 분류와 배치 335
대사 네트워크 338
대사경로 데이터베이스 339
E.coli 에서의 메티오닌 합성 339
The Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) 340
대사경로의 진화와 계통 340
고세균에서의 탄수화물 대사 342
대사 네트워크의 재구성 344
조절 네트워크 346
신호전달과 전사조절 346
조절 네트워크의 구조 347
동적성, 안정성, 그리고 강인성 347
중복(redundancy)을 통한 강인성 348
동적 모델링 349
단백질 상호작용 네트워크 350
조절 네트워크의 구조생물학 354
단백질-DNA 상호작용 357
단백질-DNA 결합과 서열 인식에 존재하는 구조적인 주제들 357
전사조절자 앨범 358
유전자 조절 360
E.coli 의 전사조절 네트워크 361
E.coli 락토오스 오페론의 조절 364
Sacomyces cerevisiae 의 유전적 조절 네트워크 366
효모 조절 네트워크의 적응성 367
추천 문헌 368
연습문제, 문제, Weblems 369
에필로그 373
찾아보기 375