유전암호 (Genetic Code / Codon)

한 줄 정의: DNA와 mRNA의 염기 3개가 하나의 조합(코돈)을 이루어 특정 아미노산 하나를 지정하는 유전정보의 암호 체계입니다.

쉽게 풀면

알파벳 26글자로 수많은 단어를 만들 수 있듯이, DNA와 RNA는 A, T(U), G, C라는 단 4개의 염기만으로 모든 생명체의 단백질 설계도를 표현합니다. 다만 글자 하나만으로는 20종류나 되는 아미노산을 다 표현할 수 없기 때문에, 염기 3개를 한 묶음으로 묶어서 하나의 "단어"로 사용합니다. 이 3글자 묶음을 코돈(codon)이라고 부르며, 예를 들어 mRNA의 AUG라는 코돈은 "메티오닌이라는 아미노산을 붙여라"는 뜻이자 동시에 번역을 시작하라는 신호이기도 합니다. 이렇게 코돈과 아미노산을 짝지어 놓은 대응표 전체를 유전암호(genetic code)라고 하며, 이 암호표는 사람이든 세균이든 거의 모든 생물이 공통으로 사용합니다.

왜 중요한가

유전암호는 DNA 서열 정보를 실제 단백질로 옮기는 번역 과정의 규칙 그 자체이기 때문에, 유전자 변이가 질병을 일으키는 기전을 설명하거나 유전자 편집·합성생물학에서 원하는 단백질을 설계할 때 반드시 참조해야 하는 기초 지식입니다. 또한 유전암호가 거의 모든 생물종에서 공통으로 쓰인다는 사실은, 한 생물종에서 밝혀낸 유전자를 다른 생물종의 세포에서 발현시키는 유전공학 기술의 이론적 토대가 됩니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"해당 부위에서 발생한 단일 염기 치환은 코돈을 변화시켜 아미노산 서열에 조기 종결 코돈을 유발하는 것으로 확인되었다."

이 문장은 DNA 염기 하나가 바뀌면서 코돈이 원래 지정하던 아미노산 대신 "번역을 멈추라"는 신호(종결 코돈)로 바뀌어, 단백질이 중간에 끊겨 만들어졌다는 뜻입니다.

"이종 숙주 세포에서의 발현 효율을 높이기 위해 목적 유전자의 코돈을 숙주 생물의 선호 코돈으로 최적화하였다."

합성생물학·유전공학 연구에서는 같은 아미노산이라도 생물종마다 더 자주 쓰는 코돈이 다르다는 점을 이용해, 유전자 서열을 목적 생물에 맞게 바꾸는 코돈 최적화 기법이 흔히 사용됩니다.

"미토콘드리아 유전체에서는 표준 유전암호와 다르게 일부 코돈이 다른 아미노산을 지정하는 것으로 나타났다."

진화생물학·분자생물학 연구에서는 유전암호가 거의 보편적이지만 미토콘드리아처럼 일부 예외가 존재한다는 점을 밝히는 비교 분석도 이루어집니다.

조금 더 깊게 보면

염기 3개로 만들 수 있는 조합은 4³ = 64가지인 반면 아미노산은 20종류뿐이라, 대부분의 아미노산은 여러 개의 코돈으로 지정되는 축퇴성(degeneracy)을 가지며, 이 여분의 코돈들 중 어떤 것을 더 자주 쓰는지를 나타내는 것이 코돈 사용 편향(codon usage bias)입니다. 이 편향은 생물종마다 다르게 나타나기 때문에, 유전자를 다른 생물에서 발현시키려면 앞서 언급한 코돈 최적화 과정이 필요하며, 코돈 사용 편향 자체도 진화 계통을 비교하는 데 쓰이는 정보가 됩니다.

주의할 점

코돈 하나가 반드시 하나의 고유한 아미노산에만 대응하는 것은 아닙니다. 여러 코돈이 같은 아미노산을 지정할 수 있어(이를 코돈의 축퇴성이라 함), 염기 하나가 바뀌어도 아미노산은 그대로 유지되는 돌연변이도 있습니다. 반대로 종결 코돈처럼 아미노산이 아닌 "번역 중단" 신호를 지정하는 코돈도 있다는 점을 함께 기억해야 합니다.