정답
①에 해당하는 유전자는 lacZ 유전자이다. (라)의 전기영동 결과에서 1번은 흰색 콜로니, 2번은 청색 콜로니에 해당한다.
출제 의도
lac 오페론의 구조와 lacZ 유전자를 이용한 블루-화이트 스크리닝 원리를 이해하고, 억제자(lacI)의 역할과 유도물질(IPTG 등) 존재 여부가 유전자 발현과 콜로니 색에 어떻게 영향을 미치는지 설명하는 능력을 평가한다. 또한 제한효소 절단 패턴으로 재조합 플라스미드 여부를 구별할 수 있는지를 묻는 문제이다.
풀이 과정
대장균의 lac 오페론에서 X-gal을 청색 산물로 전환시키는 효소(β-갈락토시다아제)를 암호화하는 유전자는 lacZ 유전자이다. 따라서 (ㄱ)에 들어갈 것은 lacZ 이다.
플라스미드 P에는 BamHI 인식 부위가 오직 lacZ 유전자 염기서열 안에 1곳 존재한다. 여기에 외래 DNA(유전자 K)가 삽입되면 lacZ 유전자가 파괴되어 β-갈락토시다아제가 만들어지지 못하므로 X-gal을 분해하지 못하고 콜로니는 흰색이 된다. 반대로 유전자 K가 삽입되지 않은 플라스미드는 lacZ 유전자가 그대로이므로 β-갈락토시다아제가 생성되어 X-gal을 청색으로 바꾸고 콜로니가 파랗게 보인다.
실험에서 사용한 대장균은 염색체상의 정상적인 lacZ 유전자가 발현되지 않는 균주이므로, 콜로니 색은 오직 플라스미드의 lacZ 유전자 발현 여부에 의해 결정된다.
lac 오페론의 억제자(lacI 산물)는 평소에는 오페레이터에 결합하여 RNA 중합효소의 결합을 막음으로써 lacZ 등 구조 유전자의 전사를 억제한다. 그러나 유도물질(알로락토스나 그 유사체 IPTG 등)이 존재하면, 이 물질이 억제자에 결합해 구조를 변화시키고, 억제자가 오페레이터에서 떨어져 나가면서 lacZ 전사가 가능해진다.
LB 고체배지(I)에는 유도물질 Y가 없으므로 lac 억제자가 오페레이터에 결합해 있어 플라스미드의 lacZ 유전자가 발현되지 않는다. 따라서 재조합 플라스미드이든 아니든 모두 β-갈락토시다아제가 만들어지지 않아 X-gal을 분해하지 못하고, 콜로니의 색은 모두 흰색으로 나타난다.
반면 LB 고체배지(II)에는 물질 Y(IPTG와 같은 알로락토스 유사체)가 들어 있어 lac 억제자가 불활성화된다. 그 결과 lacZ 유전자가 발현되어, lacZ가 온전한 플라스미드를 가진 대장균에서는 X-gal이 청색으로 변하고 콜로니가 파랗게 보인다. 그러나 유전자 K가 삽입되어 lacZ가 파괴된 플라스미드를 가진 대장균에서는 β-갈락토시다아제가 생성되지 않아 여전히 흰색 콜로니가 된다. 따라서 LB(II) 배지에서는 흰색과 청색 콜로니가 혼합되어 관찰된다.
(라)에서 LB(II)의 흰색 콜로니 하나와 청색 콜로니 하나에서 각각 플라스미드를 추출하여 BamHI로 처리하면, lacZ 안에 삽입된 유전자 K 유무에 따라 절단 패턴이 달라진다. 플라스미드 P에는 BamHI 인식 부위가 원래 1개이므로, 유전자 K가 삽입되지 않은 플라스미드는 BamHI로 절단 시 하나의 절단부위만 생겨 선형 DNA 한 가닥 길이의 단일 밴드만 나타난다(청색 콜로니).
반면 유전자 K는 양 말단에 BamHI 인식 부위를 가지고 있으므로, 벡터의 BamHI 부위에 삽입된 재조합 플라스미드에서는 BamHI 인식 부위가 두 개로 늘어난다. 따라서 BamHI로 절단하면 벡터 부분과 삽입된 유전자 K가 분리되어 두 개의 서로 다른 크기의 밴드가 전기영동 결과로 나타난다(흰색 콜로니). 그림에서 1번 레인에는 두 개의 밴드, 2번 레인에는 한 개의 밴드가 보이므로, 1번은 흰색 콜로니, 2번은 청색 콜로니에서 유래한 것임을 알 수 있다.
<풀이가 부정확할 수 있으니 반드시 교차검증 확인 바랍니다.>