2015년도 수능과 유전자 발현 조절

2015년도 수학능력평가 생명과학II 8번 문제의 정답에 논란이 있습니다. 이 문제는 대장균의 젖당(Lactose) 대사 관련 유전자의 발현 조절에 관한 것으로 문제는 다음과 같습니다. 교육과정평가원에서는 ④번이 정답이라고 발표했는데 보기 ㄱ.은 틀린 문구이므로 ②번이 정답이 되어야한다는 주장이 많습니다.

출처: 한국교육과정평가원

출처: 한국교육과정평가원

대장균은 포도당(Glucose)와 젖당(Lactose)을 분해하여 에너지원으로 사용합니다. 포도당은 보통 6각 고리 한개의 형태로 존재하는 단당류이고, 젖당은 서로 다른 형태의 당인 갈락토스(Galactose)와 포도당이 결합한 형태인 이당류입니다.

포도당, 출처: Wikipedia

포도당, 출처: Wikipedia

젖당, 출처: Wikipedia

젖당, 출처: Wikipedia

포도당과 젖당 모두 당분해(Glycolysis)로 에너지를 얻을 수 있지만, 대장균은 분해가 쉬운 포도당을 선호합니다. 따라서 포도당이 있을 경우에는 젖당의 유무과 관계없이 포도당을 주 에너지원으로 사용하고, 포도당이 없거나 적을 경우에는 젖당을 이용하기 위해서 젖당 분해 효소(ß갈락토시데이스)를 생성합니다. 다만, 젖당이 없는 경우에는 젖당 분해 효소가 필요없으므로 젖당 분해 효소 생성을 억제합니다.

여기에서 유전자와 관련한 용어 설명이 필요합니다. 유전자(Gene)란 RNA로 전사(Transcription)되는 DNA의 특정 영역을 지칭합니다. DNA를 RNA로 전사하기 위해서는 RNA 중합 효소(Polymerase)가 필요한데, RNA 중합 효소는 유전자 위쪽(upstream)의 DNA 특정 부위인 프로모터(Promoter)를 인식하고 여기에 결합하여 아래(downstream)로 내려가면서 전사합니다. RNA 중합 효소가 전사하는 행위를 촉진하거나 방해함으로써 전사를 조절하는 DNA 부위를 작동 부위(Operator)라 합니다. 어떤 유전자들은 독립적으로 전사하지 않고 같이 전사하는 것들이 있는데, 이렇게 같이 전사하는 유전자들과 프로모터, 작동 부위 묶음을 오페론(Operon)이라고 부릅니다. 이 문제에 사용된 젖당 오페론을 그림으로 표시하면 다음과 같습니다.

젖당 오페론, 출처: Wikipedia

젖당 오페론, 출처: Wikipedia

위 그림에서 P는 프로모터, O는 작동 부위를 나타냅니다. lacZ는 젖당 분해 효소 유전자이고, lacI는 저당 오페론 억제 단백질(Repressor) 유전자입니다. lacI는 항상 발현하여 억제 단백질을 만들지만, 젖당이 없는 경우에만 작동 부위에 결합해 RNA 중합 효소가 프로모터와 결합하는 것을 방해합니다. 젖당이 있는 경우에는 젖당 대사물질과 결합하고 작동 부위와는 결합하지 않습니다.

문제에서 ㉠과 ㉡은 각각 조절 유전자와 프로모터 중 하나라고 했으므로, ㉠은 조절 유전자 lacI 이고 ㉡은 프로모터입니다.

결실된 부위가 ㉠이라면 억제 단백질이 생성되지 않으므로 이 대장균은 젖당을 분해할 수 있습니다. 결실된 부위가 ㉡이라면 RNA 중합 효소가 결합할 수 없으므로 젖장 분해 효소가 생성되지 않아 이 대장균은 젖당을 분해할 수 없습니다. 각각의 대장균을 포도당이 없고 젖당만 있는 배지에서 배양하면, 젖당을 분해할 수 없는 ㉡을 결실한 대장균은 증식하지 못해 수가 늘어나지 않습니다. 따라서 보기의 ‘ㄴ. B에서 결실된 부위는 ㉡이다.’ 는 맞습니다.

문제 그림 (나)에서 A는 야생형 보다 빨리 개체수가 증가하므로 구간 I에서 A의 젖당 분해 효소는 야생형 보다 많아야합니다. 따라서 보기 ㄷ. 은 틀립니다.

문제는 보기 ‘ㄱ. 젖당이 있을 때 야생형 대장균에서 RNA 중합 효소는 ㉠에 결합니다.’에 있습니다. 일단 RNA 중합 효소가 결합하는 DNA 부위는 프로모터이지 유전자가 아닙니다. 이 사실은 같은 시험지 문제 16번에서 전사 개시 복합체를 설명하는 과정에서도 기술되어 있습니다. (아래 그림) 그런데 ㉠은 프로모터가 아닌 억제 단백질 유전자  lacI 이므로 틀립니다. 또, 젖당이 있을때 결합한다고 했는데, lacI는 젖당의 유무와 관계없이 항상 발현합니다.

문제16, 출처: 한국교육과정평가원

문제16, 출처: 한국교육과정평가원

보기 ㄱ. 이 옳은 주장이 되기 위해서는 ㉠을 ㉡으로 바꾼 ‘젖당이 있을 때 야생형 대장균에서 RNA 중합 효소는 ㉡에 결합한다.’ 가 되어야합니다. ㉡은 젖당 오페론의 프로모터로 젖당이 있을 때만 RNA 중합 효소가 결합할 수 있습니다.

참고문헌:

  1. Nancy L. Craig et.al., Molecular Biology: Principles of Genome Function, Oxford University Press, 2010, p. 328~329
  2. lac operon, Wikipedia

2 comments

  1. sawyer23234 · August 21, 2015

    Are you korean?

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