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1유전공학의 개관 1

1.1 유전공학이란? 2
1.2 유전공학의 태동과 발달 3
1.3 유전공학의 응용 5
읽을거리 1-1 생명공학의 발전 속도 8
읽을거리 1-2 인공 생명체의 탄생과 그 의의 9
요 약 10
정리 문제 10

2유전자의 구조와 발현 11

2.1 유전자의 본질 12
1) 염색체설 12
2) 유전물질로서의 DNA 12
(1) 형질전환 실험 (1928년, 그리피스) 13
(2) 시험관 내에서의 형질전환 실험 (1944년, 에이버리, 맥리오드, 맥카티) 14
(3) 블렌더 실험 (1952년, 허시, 체이스) 14
2.2 핵산의 화학적 구조 15
1) 핵산의 구성성분 15
2) 샤가프의 법칙 16
3) X-선 회절 실험 16
4) DNA 이중나선 구조 16
(1) 이중나선 17
(2) 이중나선의 의미 18
5) DNA 반보존적 복제의 규명 19
2.3 유전자의 발현 및 조절 21
1) 유전자와 단백질 21
2) 1 유전자 1 효소설 22
3) 유전정보의 중심원리 22
4) 유전자의 구조 22
(1) 원핵생물의 유전자의 구조 22
(2) 진핵생물 유전자의 구조 24
5) 유전자의 발현 24

(1) 전 사 24
(2) 번 역 25
6) 유전자 발현의 조절 28
(1) 원핵생물에서의 전사 단계 조절 29
(2) 진핵생물에서의 유전자 발현 조절 31
읽을거리 2-1 역사적 발견의 현장 20
읽을거리 2-2 RNA 세계 33
요 약 34
정리 문제 34

3핵산의 성질과 분리 35

3.1 핵산의 성질 36
1) DNA의 변성과 재생 36
2) 혼성화 36
3) DNA와 RNA의 안정성 37
3.2 핵산의 분리 및 정제 40
1) 플라스미드 DNA 분리 40
2) 세포의 유전체 DNA 분리 41
(1) 박테리아 세포로부터 유전체 DNA의 분리 41
(2) 동물세포로부터 유전체 DNA의 분리 42
(3) 식물세포로부터 유전체 DNA의 분리 42
3) 파지 DNA의 분리 43
4) RNA의 분리 44
(1) RNA 분리의 일반적인 사항 44
(2) RNase의 오염 및 제거 44
(3) 전체 RNA의 분리 방법 44
5) mRNA의 분리 45
6) 핵산의 침전과 보관 45
7) 핵산의 농도 측정 46
읽을거리 3-1 RNase, 매우 안정된 효소 38
읽을거리 3-2 고대 DNA와 DNA 안정성 39
요 약 47
정리 문제 48

4효소와 전기영동 49

4.1 유전자 조작과 분석에 필요한 효소 50
1) 핵산분해효소 50
(1) DNA 말단분해효소 50
(2) DNA 내부분해효소 52
(3) RNA 분해효소 52
(4) 제한효소 53
(5) 유전체 교정을 위한 핵산분해효소 시스템 - 유전자 가위 56
2) 중합효소 61
(1) DNA를 주형으로 하는 중합효소 (DNA 중합효소) 61
(2) RNA를 주형으로 하는 DNA 중합효소 (역전사효소) 63
(3) 말단 디옥시뉴클레오타이드 전달효소 63
3) DNA 라이게이즈 63
4) DNA 변형효소 64
(1) 인산화효소와 탈인산화효소 64
(2) DNA 메틸기 전달효소 65
5) Proteinase K: 단백질분해효소 65
6) 기타 효소 65
(1) 라이소자임 65
(2) 아가레이즈 65
4.2 전기영동 66
1) 전기영동이란? 66
2) 아가로오스 젤 전기영동 66
(1) 아가로오스 젤 66
(2) 아가로오스 젤에서 DNA의 염색과 보기 67
(3) 아가로오스 젤 전기영동 시 핵산의 이동에 영향을 주는 요인 68
(4) 아가로오스 젤 전기영동의 전 과정 68
(5) 다면전기영동 70
3) 폴리아크릴아마이드 젤 전기영동 70
4) 전기영동의 이용 70
읽을거리 4-1 제한작용과 제한효소의 발견 55
읽을거리 4-2 DNAzyme vs Ribozyme 59
읽을거리 4-3 CRISPR/Cas 시스템의 발견과 응용 60
읽을거리 4-4 아가로오스 젤 상에서 DNA의 이동 69
요 약 72
정리 문제 72

5벡 터 73

5.1 벡터란 무엇인가? 74
5.2 벡터의 종류 74
5.3 박테리아 클로닝 및 발현 벡터 74
1) 플라스미드 벡터 74
(1) 플라스미드 벡터의 구조와 특징 75
(2) 대표적인 플라스미드 벡터의 종류 76
2) 박테리오파지 벡터 76
(1) 박테리오파지 λ 벡터 76
3) 코스미드 벡터 85
4) 박테리아 인공염색체 86
5.4 효모 벡터 87
1) 효모 플라스미드 벡터 87
(1) YEP 벡터 88
(2) 기타 효모 플라스미드 벡터 88
2) 효모 인공염색체 89
5.5 동물 벡터 91
5.6 식물 벡터 91
읽을거리 5-1 DNA 복제 방식 82
읽을거리 5-1 플라스미드의 발견과 유전공학 91
요 약 92
정리 문제 92

6재조합 DNA 제작과 세포로의 도입 및 확인 93

6.1 재조합 DNA 94
1) 제한효소에 의한 재조합 DNA 분자의 제작 94
(1) 플라스미드 벡터를 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 94
(2) 파지 벡터를 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 95
2) PCR 산물을 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 96
(1) PCR (중합효소 연쇄반응, polymerase chain reaction) 96
(2) PCR 산물의 클로닝 (TA 클로닝) 96
(3) 프라이머에 제한효소 자리를 이용하여 클로닝 96
3) 상동재조합 시스템을 이용한 재조합 분자의 제작 97
6.2 유전자의 대장균 내 도입 방법 98
1) 형질전환 98
(1) 형질전환의 이용 98
(2) 반응능 세포와 형질전환 과정 98
2) 박테리오파지의 세포 내 도입 100
(1) 형질감염 101
(2) 생체 외 조립에 의한 박테리아 감염 101
6.3 형질전환된 세포의 선발 101
1) 재조합 플라스미드 벡터의 확인 101
(1) 항생제에 의한 선발 101
(2) LacZ(β-갈락토시데이즈)의 삽입 비활성화에 의한 선발 103
(3) PCR에 의한 선발 105
2) 재조합 파지 벡터의 확인 105
6.4 재조합 DNA 기술의 전 과정 106
읽을거리 6-1 최초의 재조합 플라스미드 벡터 108
읽을거리 6-2 전기천공 과정 동안의 세포막 변화 109
요 약 110
정리 문제 110

7유전자 획득 111

7.1 유전자 클로닝 112
7.2 유전자 라이브러리 제조 112
1) 유전자 분리 113
(1) 유전체 분리 113
(2) cDNA 분리 113
2) 벡터에 삽입 113
(1) 벡터에 cDNA 삽입 113
(2) 벡터에 유전체 DNA 삽입 114
3) 라이브러리 제조의 예 114
4) 라이브러리 제조 시 주의할 점 114
7.3 스크리닝 방법 115
1) 혼성화에 의한 스크리닝 115
(1) 탐침 116
2) 항체 결합에 의한 스크리닝 121
3) 발현 차이를 이용한 스크리닝 121
4) 단백질 결합에 의한 스크리닝 121
(1) 효모 이중 하이브리드법 121
(2) 파지 디스플레이법 124
5) 기능을 이용한 스크리닝 125
7.4 중합효소 연쇄반응법 125
1) PCR의 개요 126
2) PCR의 응용 127
3) PCR 효소 127
4) PCR의 최적화 128
5) PCR 방법의 제한사항 129
6) PCR 산물의 클로닝 129
7) 실시간 PCR 130
읽을거리 7-1 실험에 많이 사용되는 방사성 동위원소 116
읽을거리 7-2 고대 DNA와 DNA 안정성 130
요 약 132
정리 문제 132

8유전자와 유전체 분석 133

8.1 유전자 분석 134
1) 유전자 구조 분석 134
(1) 제한효소 지도 작성 134
(2) 서던블롯 분석법 134
2) DNA 염기서열 결정 136
(1) 사슬 종결법 136
(2) 화학적 분해법 137
(3) 자동염기서열 분석법 138
8.2 유전체 분석 139
1) 유전체 지도 작성 139
(1) 세포학적 지도 작성 140
(2) 유전적 지도 141
(3) 물리적 지도 작성 143
2) 유전체 염기서열 결정 전략 144
(1) 콘티그 방식 144
(2) 샷건 방식 145
(3) 계층적 샷건 방식 146
3) 인간 유전체 146
(1) 인간 유전체 사업의 역사 146
(2) 인간 유전체 정보 147
(3) 인간 유전체 정보의 이용 148
8.3 유전체학 150
1) 유전체학의 종류 150
2) 차세대 염기서열 분석법 151
(1) DNA 증폭법 153
(2) DNA 염기서열 분석법 154
3) 삼세대 염기서열 분석법 158
4) 유전체 분석과 응용의 다양화 160
(1) 유전체 재분석과 신규 분석 160
(2) 엑솜 분석 161
(3) 후생 유전체 분석 162
(4) 메타유전체 분석 163
읽을거리 8-1 FOXP2 클로닝 149
읽을거리 8-2 약리유전체학과 처방약 152
읽을거리 8-3 더 많이, 더 빠르게, 더 싸게 157
요 약 164
정리 문제 164

9유전자 발현과 전사체의 분석 165

9.1 유전자 발현 조절 부위의 분석 166
1) 젤 지연 분석 166
2) 족적 분석 166
3) 리포터 분석 167
(1) CAT를 이용한 분석 167
(2) Luc를 이용한 분석법 168
(3) GFP를 이용한 분석 168
(4) 리포터 분석의 응용 169
9.2 전사물 분석 170
1) 노던블롯 분석 170
2) RNA 분해효소 보호 분석 171
3) RT-PCR 171
(1) 실시간 PCR 172
4) RNA 염기서열 분석 173
9.3 전사체 분석 174
1) DNA 미세배열 분석 174
(1) DNA 미세배열 판의 제조 175
(2) DNA 미세배열 실험의 원리 175
(3) DNA 미세배열의 이용 176
2) RNA 염기서열 분석 177
(1) 전사체 분석 177
(2) 후생전사체 분석 178
9.4 전사 기능 억제 178
1) 안티센스 RNA 178
2) RNA 간섭 현상 180
(1) 짧은 간섭 RNA 180
(2) 마이크로 RNA 182
요 약 184
정리 문제 184

10 단백질의 분석 185

10.1 단백질의 생산 186
1) 생체 외 전사와 번역 186
10.2 단백질의 분리 187
1) 용해도의 변화를 이용한 침전법: 염석 187
2) 투석과 초여과법 187
(1) 투석 187
(2) 초여과법 187
3) 크로마토그래피 188
(1) 이온교환 크로마토그래피 189
(2) 젤여과 크로마토그래피 189
(3) 소수성 결합 크로마토그래피 190
(4) 친화 크로마토그래피 190
(5) 고압액체 크로마토그래피 190
10.3 단백질의 확인 191
1) SDS-PAGE 191
2) 등전점 전기영동법 194
3) 이차원 전기영동법 194
4) 면역검출법 195
(1) ELISA 195
(2) 웨스턴블롯 분석법 195
5) 질량분석법 196
(1) 질량분석기의 구성 197
(2) 이온발생장치와 질량분석장치를 조합한 여러 질량분석기의 종류 199
(3) 펩타이드 질량 지문 분석법 199
6) 질량분석법과 데이터베이스 검색을 이용한 부분적 아미노산 서열 분석 199
7) 단백질 말단 아미노산 서열 분석법 201
10.4 단백질의 결합 분석 203
1) ELISA형 분석법 204
2) 표지단백질 침전법 204
3) 공동면역침전법 205
4) SPR 분석법 205
10.5 단백질체와 단백질체학 206
1) 단백질체의 구조 분석 208
2) 단백질체의 발현 분석 208
3) 단백질체의 기능 분석 209
읽을거리 10-1 샐러리맨 노벨상 수상자, 다나카 고이치 210
요 약 211
정리 문제 212

11 생물정보학 213

11.1 생물정보학이란 214
1) 생물정보학의 태동과 발달과정 214
2) 서열 DB의 진화 215
3) 오믹스와 생물정보학 215
11.2 주요 생물정보학 DB와 알고리즘 216
1) GenBank 소개 216
2) RefSeq 소개 217
3) 서열 DB가 생물학 연구에 있어서 갖는 중요성 217
11.3 서열데이터 포맷 218
1) Fasta 포맷 218
2) GenBank 플랫파일 포맷 218
11.4 정보검색시스템, Entrez 이용하기 220
11.5 서열정렬 220
1) 서열의 유사성이 갖는 의미 220
2) 서열정렬 알고리즘 221
3) 유사성과 상동성 221
4) 상동성 판정 222
5) 이종상동유전자와 동종상동유전자 222
6) 서열정렬 시 사용하는 치환매트릭스 223
7) PAM 매트릭스와 BLOSUM 매트릭스 223
11.6 서열검색프로그램 BLAST 224
11.7 유전자탐색 227
11.8 계통지문법을 이용한 기능 부위탐색 229
11.9 다중오믹스 데이터 분석 230
1) 다중오믹스의 시대 230
2) 다중오믹스 데이터 분석 방법론 231
읽을거리 11-1 Entrez에서의 DB 여행 221
읽을거리 11-2 서열정렬 알고리즘의 분류 222
읽을거리 11-3 유전체 염기서열 비교를 통한 신규 유전자탐색 228
읽을거리 11-4 복잡한 생물학적 현상과 데이터 통합의 중요성 232
요 약 233
정리 문제 234

12 단백질공학 235

12.1 단백질공학이란? 236
12.2 돌연변이의 유발 236
1) 위치지정 돌연변이 유발 236
(1) M13 단일가닥 DNA를 이용하는 방법 236
(2) PCR을 이용하는 돌연변이 유발법 237
2) 무작위 돌연변이 유발 239
12.3 단백질공학을 통한 단백질 기능 개선 240
1) 단백질의 열 안정성 향상 240
2) 단백질의 활성 증가 241
3) 단백질분해효소 저항성 증가 241
12.4 항체공학 241
1) 단일클론 항체 242
2) 면역글로불린 G 242
3) 단일클론 항체의 생산 원리와 과정 242
4) 치료용 항체 244
(1) 카이메라 항체 (인간-생쥐 카이메라 단일클론 항체) 244
(2) 인간화 항체 245
(3) 인간 항체 245
5) 대장균에서 생산되는 항체 249
(1) 대장균에서 생산되는 재조합 항체의 종류 249
(2) 대장균에서 재조합 항체를 생산하는 방법 250
6) 단백질 또는 유기물과 접합된 항체 250
7) 단백질 융합 항체 252
12.5 펩타이드 앱타머 253
1) 애드넥틴 254
2) 펩타이드 앱타머 라이브러리 제조 254
3) 펩타이드 앱타머 선별 254
(1) 생체 내 선별 방식 254
(2) 생체 외 디스플레이 254
12.6 재조합 단백질의 생산과 분리 256
1) 세포 수확 258
2) 세포 파쇄 258
3) 단백질 안정화 260
4) 단백질 농축 260
5) 단백질 보존 260
읽을거리 12-1 재조합 항체의 역사 257
읽을거리 12-2 밀슈타인의 단일클론 항체 제조 기술 개발 259
요 약 261
정리 문제 262

13 미생물 유전공학 263

13.1 유전공학 재료로서의 미생물의 특징 264
13.2 미생물에서의 도입 유전자 발현 264
1) 대장균에서의 도입 유전자 발현 264
(1) lac 프로모터 264
(2) tac 프로모터 265
(3) trp 프로모터 265
(4) PL 프로모터 266
(5) T7 발현 시스템 266
2) 효모에서의 도입 유전자 발현 267
(1) Saccharomyces에서의 도입 유전자 발현 267
(2) 피키아에서의 도입 유전자 발현 268
13.3 유전자 발현 최적화 269
1) 발현 벡터의 사본 수 269
2) 전사 종결 부위 삽입 269
3) 리보솜 결합 자리의 유무 269
4) 코돈 사용 270
5) 단백질 접힘 270
6) 염색체 삽입 270
13.4 융합단백질로서의 발현 271
1) 융합단백질의 종류 271
(1) 히스티딘 꼬리표 271
(2) GST 융합단백질 272
13.5 선발 표지자의 제거 272
13.6 형질전환 미생물의 응용 272
1) 의학적 응용 273
2) 공업적 응용 274
(1) 유용한 저분자물질의 생산 275
(2) 유용한 고분자물질의 생산 275
3) 농업적 응용 277
(1) 미생물 살충제 277
(2) 식물 생장 촉진 미생물 278
4) 환경 보전적 응용 280
읽을거리 13-1 미생물에서 천연 접착제 생산 279
요 약 280
정리 문제 280

14 동물 유전공학 281

14.1 유전공학 재료로서의 동물과 동물세포의 특징 282
14.2 동물세포 발현 벡터 282
1) 발현 벡터의 특징 282
2) 프로모터 283
(1) 기본 프로모터 283
(2) 항시성 프로모터 283
(3) 조직특이 프로모터 284
(4) 조절성 프로모터 284
3) 선발표지자 285
4) 이형이량체(heterodimer) 발현을 위한 벡터 287
5) 에피솜 발현 벡터 288
6) 곤충세포 발현 벡터 289
14.3 유전자 도입법 290
1) 물리적 도입 방법 291
(1) 전기천공법 291
(2) 미세주입법 291
2) 화학적 도입 방법 291
(1) 인산칼슘을 매개로 한 형질감염법 291
(2) 리포솜법 291
3) 생물학적 도입 방법 292
14.4 유전자 적중 292
1) 상동재조합 292
2) 유전체 편집 293
14.5 동물 형질전환의 방법 294
1) 전핵 미세주입 방법 296
2) 배아 줄기세포 형질전환법 297
(1) 유전자 적중 생쥐 제조 297
(2) 조건부 유전자 적중 생쥐 297
3) 체세포 핵 전달 방법 299
14.6 동물 유전공학의 응용 301
1) 인간 질병 모델 동물 303
2) 단백질 의약품 생산 동물 303
3) 이종 장기 생산 동물 304
읽을거리 14-1 Cre-loxP 시스템 300
읽을거리 14-2 복제양 돌리 302
요 약 305
정리 문제 306

15 식물 유전공학 307

15.1 유전공학 재료로서의 식물의 특성 308
15.2 식물 형질전환 방법 308
1) 식물 형질전환과 조직 배양 308
2) 식물 형질전환의 여러 가지 방법 308
(1) 애그로박테리아를 이용하는 방법 310
(2) 식물세포로 DNA를 직접 넣는 방법 316
(3) 원형질체를 이용한 세포융합 318
(4) in planta 형질전환 319
(5) 엽록체 형질전환 320
(6) 바이러스를 이용한 식물 형질전환 방법 322
15.3 형질전환체 확인 323
1) 선발 표시 물질 저항성 확인 323
2) 도입 유전자의 삽입 여부 323
3) 도입 유전자의 발현(전사) 여부 (mRNA의 존재 여부) 323
4) 도입 유전자의 단백질 산물 확인 324
5) 형질전환체의 생리 기능 검정 324
15.4 식물 유전공학의 응용 324
1) 형질전환 식물의 이용 분야 324
2) 재해 저항성 식물의 개발 324
3) 품질 개선, 수확량 증가 및 기능성 식물 326
4) 먹는 백신 327
5) 식물 반응기 328
6) 식물 유전공학의 전망 329
읽을거리 15-1 T-DNA가 식물 유전체 내로 삽입되는 과정 312
읽을거리 15-2 최초의 유전자변형 식품인 Flavr SavrTM 토마토의 개발과 실패 329
읽을거리 15-3 갈변되지 않는 GM 사과 331
읽을거리 15-4 빛을 내는 램프 대용 GM 식물 331
요 약 334
정리 문제 334

16 유전공학의 의학적 응용 335

16.1 바이오의약품 336
1) 재조합 단백질 치료제 336
2) 치료용 항체 338
3) 재조합 백신 339
4) 바이오시밀러와 바이오베터 339
16.2 핵산 기반 의약품 340
1) 짧은 간섭 RNA 방법 340
2) 앱타머 340
16.3 유전자 진단 341
1) 유전자 진단의 범위 341
2) 유전자 진단의 방법 342
(1) 제한효소 절편길이 다형성을 이용한 유전자 진단 342
(2) 가변사본 직렬반복을 이용한 유전자 진단 343
(3) 대립인자특이 올리고뉴클레오타이드를 이용한 유전자 진단 343
(4) 변성제기울기 젤전기영동 분석법 344
(5) DNA 미세배열과 염기서열 분석법 344
16.4 유전자치료 345
1) 유전자치료의 여러 접근 방식 346
2) 유전자치료의 대상 조직 346
3) 바이러스 벡터를 이용한 유전자치료 346
(1) 레트로바이러스 벡터 시스템 347
(2) 아데노바이러스 벡터 시스템 350
(3) 아데노부속바이러스 351
4) 비바이러스 벡터를 이용한 유전자치료 353
(1) 리포솜법 354
(2) 노출된 DNA 주입법 354
5) 유전자치료의 실제와 전망 354
읽을거리 16-1 유전자 치료 사례 355
요 약 356
정리 문제 356

부 록
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