1 유전공학의 개관 1 1.1 유전공학이란? 2 1.2 유전공학의 태동과 발달 3 1.3 유전공학의 응용 4 읽을거리 1-1 생명공학의 발전 속도 9 읽을거리 1-2 인공 생명체의 탄생과 그 의의 10 요약 11 정리 문제 11 참고 문헌 12 2 유전자의 구조와 발현 14 2.1 유전자의 본질 16 염색체설 16 유전물질로서의 DNA 16 1) 형질전환 실험(1928년, 그리피스) 17 2) 시험관 내에서의 형질전환 실험 (1944년, 에이버리, 맥리오드, 맥카티) 18 3) 블렌더 실험(1952년, 허시, 체이스) 18 2.2 핵산의 화학적 구조 19 핵산의 구성성분 19 샤가프의 법칙 20 X-선 회절 실험 21 DNA 이중나선 구조 21 1) 이중나선 22 2) 이중나선의 의미 22 DNA 반보존적 복제의 규명 24 2.3 유전자의 발현 및 조절 25 유전자와 단백질 25 1 유전자 1 효소설 27 유전정보의 중심원리 27 유전자의 구조 27 1) 원핵생물의 유전자의 구조 27 2) 진핵생물 유전자의 구조 28 유전자의 발현 29 1) 전사 29 2) 번역 31 유전자 발현의 조절 33 1) 원핵생물에서의 전사 단계 조절 33 2) 진핵생물에서의 유전자 발현 조절 37 읽을거리 2-1 역사적 발견의 현장 26 읽을거리 2-2 RNA 세계 39 요약 40 정리 문제 40 참고 문헌 41 3 핵산의 성질과 분리 42 3.1 핵산의 성질 44 DNA의 변성과 재생 44 혼성화 45 DNA와 RNA의 안정성 45 3.2 핵산의 분리 및 정제 48 플라스미드 DNA 분리 48 세포의 유전체 DNA 분리 50 1) 박테리아 세포로부터 유전체 DNA의 분리 50 2) 동물세포로부터 유전체 DNA의 분리 50 3) 식물세포로부터 유전체 DNA의 분리 51 파지 DNA의 분리 52 RNA의 분리 52 1) RNA 분리의 일반적인 사항 52 2) RNase의 오염 및 제거 52 3) 전체 RNA의 분리 방법 53 mRNA의 분리 54 핵산의 침전과 보관 54 핵산의 농도 측정 56 읽을거리 3-1 RNase, 매우 안정된 효소 46 읽을거리 3-2 고대 DNA와 DNA 안정성 47 요약 57 정리 문제 58 참고 문헌 58 4 효소와 전기영동 60 4.1 유전자 조작과 분석에 필요한 효소 62 핵산분해효소 62 1) DNA 말단분해효소 62 2) DNA 내부분해효소 64 3) RNA 분해효소 65 4) 제한효소 65 5) 유전체 교정을 위한 핵산분해효소 시스템 - 유전자 가위 68 중합효소 72 1) DNA를 주형으로 하는 중합효소(DNA 중합효소) 76 2) RNA를 주형으로 하는 DNA 중합효소(역전사효소) 77 3) 말단 디옥시뉴클레오타이드 전달효소 78 DNA 연결효소 78 DNA 연결효소의 작용 78 DNA 변형효소 78 1) 인산화효소와 탈인산화효소 78 2) DNA 메틸기 전달효소 79 Proteinase K: 단백질분해효소 80 기타 효소 80 1) 라이소자임 80 2) 아가레이즈 80 4.2 전기영동 81 전기영동이란? 81 아가로오스 젤 전기영동 81 1) 아가로오스 젤 81 2) 아가로오스 젤에서 DNA의 염색과 보기 82 3) 아가로오스 젤 전기영동 시 핵산의 이동에 영향을 주는 요인 82 4) 아가로오스 젤 전기영동의 전 과정 83 5) 다면전기영동 83 폴리아크릴아마이드 젤 전기영동 85 전기영동의 이용 85 읽을거리 4-1 제한작용과 제한효소의 발견 69 읽을거리 4-2 CRISPR/Cas 시스템의 발견과 응용 73 읽을거리 4-3 아가로오스 젤상에서 플라스미드 DNA의 이동 84 요약 87 정리 문제 88 참고 문헌 88 5 벡터 90 5.1 벡터란 무엇인가? 92 5.2 벡터의 종류 92 5.3 박테리아 클로닝 및 발현 벡터 92 플라스미드 벡터 93 1) 플라스미드 벡터의 구조와 특징 93 2) 대표적인 플라스미드 벡터의 종류 94 박테리오파지 벡터 95 박테리오파지 λ 벡터 95 코스미드 벡터 105 박테리아 인공염색체 105 5.4 효모 벡터 107 효모 플라스미드 벡터 107 1) YEP 벡터 107 2) 기타 효모 플라스미드 벡터 108 효모 인공염색체 109 5.5 동물 벡터 110 5.6 식물 벡터 111 읽을거리 5-1 DNA 복제 방식 100 읽을거리 5-2 플라스미드의 발견과 유전공학 111 요약 112 정리 문제 112 참고 문헌 113 6 재조합 DNA의 제작과 세포에 도입 및 확인 114 6.1 재조합 DNA 116 제한효소에 의한 재조합 DNA 분자의 제작 116 1) 플라스미드 벡터를 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 116 2) 파지 벡터를 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 118 PCR 산물을 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 118 1) PCR(중합효소 연쇄반응, polymerase chain reaction) 118 2) PCR 산물의 클로닝 118 상동재조합 시스템을 이용한 재조합 분자의 제작 122 1) 원리 122 2) 클로닝 과정 및 특징 123 6.2 유전자의 대장균 내 도입 124 형질전환 124 1) 형질전환의 이용 124 2) 반응능 세포와 형질전환 과정 125 박테리오파지의 세포 내 도입 127 1) 형질감염 127 2) 생체 외 조립 후 박테리아 감염 128 6.3 형질전환된 세포의 선발 128 재조합 플라스미드 벡터의 확인 128 1) 항생제에 의한 선발 128 2) LacZ (β-갈락토시데이즈)의 삽입 비활성화에 의한 선발 131 3) PCR에 의한 선발 132 재조합 파지 벡터의 확인 133 1) λ 파지 유전체 크기에 기초한 선발 133 2) LacZ 유전자의 삽입 비활성화에 의한 선발 133 3) λcI 유전자의 삽입 비활성화에 의한 선발 133 4) Spi 표현형에 의한 선발 133 S up4 삽입 비활성화에 의한 재조합 YAC의 확인 133 6.4 재조합 DNA 기술의 전 과정 135 읽을거리 6-1 최초의 재조합 플라스미드 벡터 136 읽을거리 6-2 전기천공 과정 동안의 세포막 변화 137 요약 138 정리 문제 138 참고 문헌 139 7 유전자 획득 140 7.1 유전자 클로닝 142 7.2 유전자 라이브러리 제조 142 유전자 분리 143 1) 유전체 분리 143 2) cDNA 분리 143 벡터에 삽입 144 1) 벡터에 cDNA 삽입 144 2) 벡터에 유전체 DNA 삽입 144 라이브러리 제조의 예 144 라이브러리 제조 시 주의할 점 145 7.3 스크리닝 방법 147 혼성화에 의한 스크리닝 147 탐침 147 항체 결합에 의한 스크리닝 153 발현 차이를 이용한 스크리닝 153 단백질 결합에 의한 스크리닝 153 1) 효모 이중 하이브리드법 153 2) 파지 디스플레이법 157 기능을 이용한 스크리닝 158 7.4 중합효소 연쇄반응법 160 PCR의 개요 160 PCR의 응용 160 PCR 효소 161 PCR 조건의 최적화 161 PCR 방법의 제한사항 164 실시간 PCR 164 읽을거리 7-1 아가로오스 젤에서 유전체 DNA 절편 분리 146 읽을거리 7-2 실험에 많이 사용되는 방사성 동위원소 149 읽을거리 7-3 효모에서 기능을 이용한 클로닝 159 읽을거리 7-4 PCR 방법의 발명 163 요약 164 정리 문제 165 참고 문헌 165 8 유전자 분석과 진단 166 8.1 유전자 분석 168 유전자 구조 분석 168 1) 제한효소 지도 작성 168 2) 서던 블롯 분석법 169 3) 전사 개시지점 확인법 170 4) 엑손-인트론 경계 확인법 172 DNA 염기서열 분석 172 1) 사슬 종결법 173 2) 화학적 분해법 173 3) 자동염기서열 결정법 175 4) 차세대 염기서열 결정법 176 5) DNA 증폭법 177 6) DNA 염기서열 결정법 178 7) 3세대 염기서열 결정법 182 8.2 유전자 검사 185 질병 진단을 위한 유전자 검사 185 유전자 진단의 방법 186 1) 제한효소 절편길이 다형성을 이용한 유전자 진단 186 2) 짧은 직렬 반복 서열(STR)을 이용한 유전자 진단 188 3) 대립유전자 특이 올리고뉴클레오타이드를 이용한 유전자 진단 189 4) DNA 미세배열법 189 5) 염기서열 결정법 190 6) 단일염기 다형성(SNP)을 이용한 유전자 진단 190 개인 식별 192 요약 194 정리 문제 194 참고 문헌 195 9 유전체 분석과 유전체학 196 9.1 유전체 서열 분석 198 유전체 지도 작성 198 1) 세포학적 지도 작성 198 2) 유전적 지도 200 3) 물리적 지도 작성 202 유전체 염기서열 결정 전략 204 1) 샷건 방식 204 2) 콘티그 방식 205 3) 계층적 샷건 방식 205 유전체 사업 206 1) 인간 유전체 사업: 1990∼2003년 206 2) 전체 유전체 분석: T2T 컨소시엄 208 9.2 유전체 서열 정보 209 대장균 유전체 209 1) 단백질 암호화 유전자 209 2) 비전사 반복 서열 209 3) 기타 209 인간 유전체 209 1) 단백질 암호화 유전자 211 2) 분절 중복 211 3) 반복 서열 211 9.3 유전체 주석 213 유전자 예측 214 1) 일반적 특징에 의한 예측 214 2) 상동성 기반 유전자 예측 215 유전자와 유전자 조절부위 확인 216 1) 유전자 조절 부위 217 2) 히스톤 변형 218 3) ChIP-seq 방법 219 4) DNase-seq 방법 220 5) 염색체 구조 포획법 221 유전자 기능 분석 222 1) 상동성 검색을 이용한 방법 222 2) 발현 위치 분석 222 3) 발현 제어 분석 223 대장균 유전체 주석 225 인간 유전체 주석 226 9.4 유전체학과 유전체 정보의 응용 229 유전체학의 개관 230 후성유전체학 231 메타유전체학 233 유전체 정보의 응용 234 1) 유전적 변이 분석과 응용 234 2) 암 유전체 변이 분석과 응용 236 읽을거리 9-1 더 많이, 더 빠르게, 더 싸게 239 요약 241 정리 문제 242 참고 문헌 242 10 전사 분석과 제어 244 10.1 전사 조절 부위의 분석 246 젤 지연 분석 246 DNase I 족적 분석 246 리포터 분석 247 1) CAT를 이용한 분석 248 2) Luc를 이용한 분석법 248 3) GFP를 이용한 분석 249 4) 리포터 분석의 응용 250 10.2 전사물 분석 250 노던 블롯 분석 250 RNA 분해효소 보호 분석 251 RT-PCR 251 1) 실시간 PCR의 원리 252 2) 실시간 PCR을 이용한 DNA 정량 254 3) 실시간 PCR의 응용 254 R NA 염기서열 분석 255 10.3 전사체 분석 255 DNA 미세배열 분석 255 1) DNA 미세배열 판의 제조 256 2) DNA 미세배열 실험의 원리 257 3) DNA 미세배열의 이용 257 RNA 서열 분석 259 1) 대용량 RNA 서열분석 259 2) 단일세포 RNA 분석 262 3) 공간적 RNA 서열분석 263 후성 전사체 분석 265 10.4 전사 및 전사 후 과정의 제어 265 안티센스 RNA 267 안티센스 올리고뉴클레오타이드 268 RNA 간섭 272 1) 짧은 간섭 RNA 272 2) 마이크로 RNA 274 CRISPR 시스템을 이용한 제어 277 1) CRISPR 시스템을 이용한 전사 억제 277 2) CRISPR를 이용한 전사 촉진 278 읽을거리 10-1 유전자형 조직 발현 프로젝트 260 읽을거리 10-2 핵산 치료제 전달체의 개발 270 요약 279 정리 문제 280 참고 문헌 281 11 단백질의 분리와 분석 282 11.1 단백질의 생산 284 11.2 단백질의 분리 285 용해도의 변화를 이용한 침전법: 염석 285 투석과 초여과법 285 1) 투석 285 2) 초여과법 286 크로마토그래피 286 1) 이온 교환 크로마토그래피 287 2) 젤 여과 크로마토그래피 288 3) 소수성 상호작용 크로마토그래피 288 4) 친화 크로마토그래피 288 5) 고압 액체 크로마토그래피 289 11.3 단백질의 확인 289 SDS-PAGE 290 등전점 전기영동법 292 2차원 전기영동법 293 면역검출법 294 1) ELISA 294 2) 웨스턴 블롯 분석법 297 질량 분석법 297 질량 분석기의 구성 298 펩타이드 질량 지문 분석법과 부분적 아미노산 서열 분석 300 단백질 말단 아미노산 서열 분석법 302 1) 에드만 분해법 302 2) 기체상 아미노산 서열 분석 303 11.4 단백질의 결합 분석 304 ELISA형 분석법 304 표지단백질 침전법 305 공동면역 침전법 306 SPR 분석법 306 11.5 단백질체와 단백질체학 307 단백질체의 구조 분석 308 단백질체의 발현 분석 308 1) in vivo 표지 방식 309 2) in vitro 표지 방식 309 단백질체의 기능 분석 310 읽을거리 11-1 측면 유동 분석법 294 읽을거리 11-2 샐러리맨 노벨상 수상자, 고이치 다나카 311 요약 312 정리 문제 313 참고 문헌 313 12 생물정보학 314 12.1 생물정보학이란? 316 생물정보학의 태동과 발달 과정 316 서열 DB의 진화 318 오믹스와 생물정보학 318 12.2 주요 생물정보학 DB 319 GenBank 319 RefSeq 320 12.3 생물학 연구에서 서열 DB의 중요성 321 12.4 서열 데이터 포맷 321 FASTA 포맷 321 GenBank 플랫파일 포맷 322 12.5 정보검색시스템 활용하기 324 12.6 서열정렬 327 서열의 유사성이 갖는 의미 327 서열정렬 알고리즘 327 상동성과 유사성 327 상동성 판정 328 이종상동유전자와 동종상동유전자 329 서열정렬 시 사용하는 치환매트릭스 329 12.7 서열검색 프로그램(BLAST) 활용하기 331 12.8 다중정렬 프로그램(ClustalW) 활용하기 334 12.9 유전자 통합정보 검색 (UCSC genome browser) 335 12.10 유전자 탐색 338 12.11 다중오믹스 데이터 분석 338 다중오믹스 데이터 338 다중오믹스 데이터 분석 방법 340 읽을거리 12-1 엔트레즈에서의 DB 여행 327 읽을거리 12-2 서열정렬 알고리즘의 분류 328 읽을거리 12-3 서열정렬 시 사용하는 치환매트릭스: PAM 매트릭스와 BLOSUM 매트릭스 330 요약 341 정리 문제 342 참고 문헌 342 13 단백질 공학 344 13.1 단백질 공학이란? 346 13.2 단백질 구조 정보를 기반으로 한 단백질 공학 346 방법: 위치 지정 돌연변이 유발 346 1) M13 단일가닥 DNA를 이용하는 방법 346 2) PCR을 이용하는 돌연변이 유발법 347 사례: 단백질 기능 개선 348 1) 산업용 효소의 열 안정성 향상 349 2) 재조합 단백질의 활성 증가 349 3) 치료용 단백질의 약효 시간 증가 350 13.3 방향 진화를 이용한 단백질 공학 350 방법: 무작위 돌연변이 유발 351 1) 카세트 돌연변이 유발 352 2) 오류 유발 PCR 352 3) DNA 섞기 354 사례: 단백질 기능 개선 354 1) 효소 활성 증가 354 2) 새로운 기능을 가진 단백질 제조 355 13.4 항체 공학 358 IgG의 구조 358 1) IgG의 구조 358 2) IgG의 다양성과 친화력 형성 과정 359 단일클론 항체 362 1) 단일클론 항체 생산 원리 362 2) 단일클론 항체의 생산 과정 363 3) 단일클론 항체의 응용 364 치료용 항체 365 1) 카이메라 항체(인간-생쥐 카이메라 단일클론 항체) 366 2) 인간화 항체 366 3) 인간 항체 368 변형된 항체 치료제 372 1) 항체약물 접합체 372 2) 방사성면역 접합체 373 3) 항체 조각 374 4) 이중특이 항체 375 5) 면역사이토카인 377 13.5 유사항체 단백질: 펩타이드 앱타머 378 애드넥틴 379 펩타이드 앱타머 라이브러리 제조 379 펩타이드 앱타머 선별 379 1) 생체 내 선별 방식 380 2) 생체 외 디스플레이 380 13.6 재조합 단백질의 생산과 분리 382 재조합 단백질 생산 공정의 개관 382 세포 배양과 단백질 생산 383 1) 세포 분리 공정 384 2) 세포 파쇄 공정 384 3) 여과 공정 385 4) 분리 정제 공정 386 5) 완제 공정 387 읽을거리 13-1 적색 형광 단백질의 개발 356 읽을거리 13-2 밀슈테인의 단일클론 항체 제조 기술 개발 378 요약 387 정리 문제 388 참고 문헌 389 14 미생물 유전공학 390 14.1 유전공학 재료로서의 미생물의 특징 392 14.2 미생물에서 관심유전자 발현 392 대장균에서의 관심유전자 발현 393 1) lac 프로모터 393 2) tac 프로모터 394 3) trp 프로모터 394 4) PL/PR 프로모터 395 5) T7 발현 시스템 395 효모에서 도입 유전자 발현 397 1) 빵효모에서의 도입 유전자 발현 397 2) 피키아에서의 도입 유전자 발현 398 14.3 유전자 발현 최적화 399 전사 단계 399 1) 복제 원점 399 3) 전사 종결 부위 삽입 400 번역 단계 400 1) 유전자 코돈 사용 400 2) 리보솜 결합 자리 400 3) 번역 정지 코돈 400 번역후 단계 400 1) 단백질의 수용성 400 2) 단백질 분해 최소화 401 14.4 융합 단백질 발현 401 융합 파트너의 종류 401 1) 히스티딘 꼬리표 402 2) 글루타티온 S-전이효소(GST) 402 융합 파트너의 절단 402 14.5 유전자의 염색체 통합과 선발 표지자의 제거 403 유전자의 염색체 통합 403 선발 표지자 제거 404 14.6 형질전환 미생물의 응용 406 의료 406 공업 407 1) 유용한 저분자물질의 생산 407 2) 유용한 고분자물질의 생산 408 농업 409 1) 미생물 살충제 409 2) 식물 생장 촉진 미생물 411 환경 411 14.7 생산성 개선 411 대사 공학 412 시스템 대사 공학 413 읽을거리 14-1 위치특이 재조합 405 요약 415 정리 문제 416 참고 문헌 416 15 동물 유전공학 418 15.1 유전공학 재료로서 동물과 동물세포의 특징 420 15.2 동물세포 발현 벡터 420 발현 벡터의 특징 420 프로모터 421 1) 기본 프로모터 421 2) 항시성 프로모터 422 3) 조직 특이 프로모터 422 4) 조절성 프로모터 422 선발 표지자 424 특수 목적 벡터 426 1) 이형이량체(heterodimer) 발현을 위한 벡터 426 2) 에피좀 발현 벡터 426 3) 곤충세포 발현 벡터 427 15.3 유전자 도입법 429 물리적 도입 방법 430 1) 전기천공법 430 2) 미세주입법 430 화학적 도입 방법 430 1) 인산칼슘을 매개로 한 형질감염법 430 2) 리포솜법 430 생물학적 도입 방법 430 1) 바이러스를 이용한 도입법 431 2) 효모 스페로플라스트 융합법 431 15.4 유전체 편집 432 상동 재조합 433 유전체 편집자 433 1) CRISPR 유전체 편집자 435 2) CRISPR 염기 편집자 개발 436 15.5 동물 형질전환 방법 439 수정란 미세주입 방법 440 배아 줄기세포 형질전환법 441 유전자 적중 생쥐 제조 441 체세포 핵 전달 방법 446 15.6 동물 유전공학의 응용 448 인간 질병 모델 동물 448 단백질 의약품 생산 동물 449 이종 장기 생산 동물 450 읽을거리 15-1 뇌무지개 444 읽을거리 15-2 복제양 돌리 447 요약 452 정리 문제 453 참고 문헌 454 16 식물 유전공학 456 16.1 유전공학 재료로서의 식물의 특성 458 16.2 식물 형질전환 방법 458 식물 형질전환과 조직 배양 458 식물 형질전환의 여러 가지 방법 458 1) 애그로박테리아를 이용하는 방법 460 2) 식물세포로 DNA를 직접 넣는 방법 467 3) 원형질체를 이용한 세포융합 469 4) in planta 형질전환 470 5) 엽록체 형질전환 472 6) 바이러스를 이용한 식물 형질전환 방법 474 16.3 형질전환체 확인 475 선발 표시 물질 저항성 확인 475 도입 유전자의 삽입 여부 475 도입 유전자의 발현(전사) 여부 475 도입 유전자의 단백질 산물 확인 475 형질전환체의 생리 기능 검정 476 16.4 식물 유전공학의 응용 476 형질전환 식물의 이용 분야 476 재해 저항성 식물의 개발 476 1) 해충 저항성 식물 476 2) 바이러스 저항성 식물 478 3) 병원균 저항성 식물 478 4) 불량 환경 스트레스 저항성 식물 478 5) 제초제 저항성 작물 478 품질 개선, 수확량 증가 및 기능성 식물 479 먹는 백신 482 식물 반응기 483 식물 유전공학의 전망 484 읽을거리 16-1 T-DNA가 식물 유전체 내로 삽입되는 과정 462 읽을거리 16-2 Bt 작물이 만들어지기까지 477 읽을거리 16-3 최초의 유전자변형 식품인 Flavr SavrTM 토마토의 개발과 실패 481 읽을거리 16-4 CRISPR/Cas 편집 시스템을 활용한 작물의 개발 486 읽을거리 16-5 갈변되지 않는 GM 사과 487 읽을거리 16-6 빛을 내는 램프 대용 GM 식물 488 더 알아보기 16-1 식물에 의한 환경 복원 489 더 알아보기 16-2 바이오에너지 491 요약 492 정리 문제 492 참고 문헌 493 17 유전공학의 의학적 응용 494 17.1 바이오의약품 496 항체 치료제 496 재조합 단백질 치료제 498 재조합 단백질 백신 499 핵산 기반 치료제 500 1) 안티센스 올리고뉴클레오타이드 502 2) 짧은 간섭 RNA 502 3) 앱타머 503 4) mRNA 백신 504 17.2 유전자 치료 506 유전자 치료의 여러 접근 방식 506 유전자 치료의 대상 조직 507 바이러스 벡터를 이용한 유전자 치료 507 1) 레트로바이러스 벡터 시스템 508 2) 아데노바이러스 벡터 시스템 511 3) 아데노부속 바이러스 512 유전자 치료의 사례 513 17.3 암 면역치료 515 면역 관문 억제법 515 1) CTLA-4 516 2) PD-1/PD-L1 516 CAR-T 세포 치료법 517 개인맞춤형 암 백신 518 읽을거리 17-1 바이오시밀러와 바이오베터 501 읽을거리 17-2 개인맞춤형 암 치료 519 요약 521 정리 문제 521 참고 문헌 522 부록 1 유용 생물정보 웹사이트 소개 523 부록 2 유전자 분석 프로그램을 이용한 유전자의 제한효소 자리 찾기 524 용어해설 526 찾아보기(한글ㆍ영문) 536