목차
1장 유전공학의 개관 ... 1
1.1 유전공학이란? ... 2
1.2 유전공학의 태동과 발달 ... 3
1.3 유전공학의 응용 ... 5
읽을거리 1-1 DNA 염기서열 결정법과 유전공학 ... 7
읽을거리 1-2 인공 생명체의 탄생과 그 의의 ... 8
요약 ... 10
정리문제 ... 10
2장 유전자의 구조와 발현 ... 11
2.1 유전자의 본질 ... 12
1) 염색체설 ... 12
2) 유전물질로서의 DNA ... 12
2.2 헥산의 화학적 구조 ... 15
1) 핵산의 구성성분 ... 15
2) 샤가프의 법칙 ... 16
3) X-선 회절 실험 ... 16
4) DNA 이중나선 구조 ... 16
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 ... 23
4) 유전자의 구조 ... 23
5) 유전자의 발현 ... 23
6) 유전자 발현의 조절 ... 28
읽을거리 2-1 역사적 발견의 현장 ... 19
읽을거리 2-2 RNA 세계(RNA World) ... 33
요약 ... 34
정리문제 ... 34
3장 핵산의 성질과 분리 ... 35
3.1 헥산의 성질 ... 36
1) DNA의 변성과 재생 ... 36
2) 혼성화 ... 36
3) DNA와 RNA의 안정성 ... 37
3.2 핵산의 분리 및 정제 ... 38
1) 플라스미드 DNA 분리 ... 39
2) 세포의 유전체 DNA 분리 ... 41
3) 파지 DNA의 분리 ... 43
4) RNA의 분리 ... 44
5) mRNA의 분리 ... 44
6) 핵산의 침전과 보관 ... 45
7) 핵산의 농도 측정 ... 46
읽을거리 3-1 고대 DNA와 DNA 안정성 ... 38
요약 ... 47
정리문제 ... 48
4장 효소와 전기영동 ... 49
4.1 유전자 조작과 분석에 필요한 효소 ... 50
1) 핵산분해효소 ... 50
2) 중합효소 ... 55
3) DNA 라이게이즈 ... 57
4) DNA 변형효소 ... 58
5) pROTEINASE k : 단백질분해효소 ... 59
6) 기타 효소 ... 59
4.2 전기영동 ... 59
1) 전기영동이란? ... 59
2) 아가로오스 젤 전기영동 ... 60
3) 폴리아크릴아마이드 젤 전기영동 ... 64
4) 진거영동의 이용 ... 65
읽을거리 4-1 제한작용과 제한효소의 발견 ... 66
요약 ... 67
정리문제 ... 67
5장 벡터 ... 69
5.1 벡터란 무엇인가? ... 70
5.2 벡터의 종류 ... 70
5.3 박테리아 클로닝 및 발현 벡터 ... 70
1) 플라스미드 벡터 ... 71
2) 박테리오파지 벡터 ... 72
3) 코스미드 벡터 ... 80
4) 박테리아 인공염색체(BAC) ... 81
5.4 효모 벡터 ... 83
1) 효모 플라스미드 벡터 ... 83
2) 효모 인공염색체(YAC) ... 84
5.5 동물 벡터 ... 86
5.6 식물 벡터 ... 87
읽을거리 5-1 플라스미드의 발견과 유전공학 ... 87
요약 ... 88
정리문제 ... 88
6장 재조합 DNA 제작과 세포로의 도입 및 확인 ... 89
6.1 재조합 DNA ... 90
1) 제한효소에 의한 재조합 DNA 분자의 제작 ... 90
2) PCR 산물을 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 ... 91
3) 상동재조합 시스템을 이용한 재조합 분자의 제작 ... 92
6.2 유전자의 대장균 내 도입 방법 ... 94
1) 형질전환 ... 94
2) 박테리오파지의 세포 내 도입 ... 97
6.3 형질전환된 세포의 선발 ... 97
1) 재조합 플라스미드 벡터의 확인 ... 98
2) 재조합 파지 벡터의 확인 ... 101
6.4 재조합 DNA 기술의 전 과정 ... 103
1) 재조합 DNA 분자의 제작 ... 103
2) 숙주세포로 운반 ... 104
3) 숙주세포의 분열과 재조합 DNA 분자의 증식 ... 104
4) 클론을 형성하는 다수의 세포 획득 ... 104
5) 유용 유전자의 클론 획득 또는 유용 유전자의 산물이나 기능성 생명체 획득 ... 104
읽을거리 6-1 전기천공 과정 동안의 세포막 변화 ... 105
요약 ... 106
정리문제 ... 106
7장 유전자 획득 ... 107
7.1 유전자 클로닝 ... 108
7.2 유전자 라이브러리 제작 ... 108
1) 유전자 분리 ... 109
2) 벡터와 연결 ... 109
3) 라이브러리 제조의 예 ... 110
4) 라이브러리 제조 시 주의할 점 ... 110
7.3 스크리닝 방법 ... 111
1) 혼성화에 의한 스크리닝 ... 112
2) 항체 결합에 의한 스크리닝 ... 117
3) 발현 차이를 이용한 스크리닝 ... 117
4) 단백질 결합에 의한 스크리닝 ... 118
5) 기능을 이용한 스크리닝 ... 121
7.4 중합효소 연쇄바능법(PCR) ... 122
1) PCR의 개요 ... 122
2) PCR의 응용 ... 123
3) PCR 효소 ... 123
4) PCR 최적화 ... 124
5) PCR 방법의 제한 사항 ... 124
6) PCR 산물의 클로닝 ... 125
읽을거리 7-1 실험에 많이 사용되는 방사성 동위원소 ... 112
읽을거리 7-2 화학적 유전자 합성 ... 127
읽을거리 7-3 PCR 방법의 발명 ... 129
요약 ... 130
정리문제 ... 130
8장 유전자와 유전체 분석 ... 131
8.1 유전자 분석 ... 132
1) 유전자 구조 분석 ... 132
2) DNA 염기서열 결정 ... 135
8.2 유전체 분석 ... 137
1) 유전체 지도 작성 ... 138
2) 유전체 염기서열 결정 전략 ... 145
3) 인간 유전체 ... 146
8.3 유전체학 ... 151
1) 유전체학의 종류 ... 151
2) 차세대 염기서열 분석법 ... 151
읽을거리 8-1 FOXP2 클로닝 ... 150
읽을거리 8-2 약리 유전체학과 처방약 ... 152
읽을거리 8-3 더 많이, 더 빠르게, 더 싸게 ... 158
요약 ... 159
정리문제 ... 160
9장 유전자 발현과 전사체의 분석 ... 161
9.1 유전자 발현 조절 부위의 분석 ... 162
1) 젤 지연 분석 ... 162
2) 족적 분석 ... 162
3) 리포터 분석 ... 163
9.2 전사물 분석 ... 166
1) 노던블롯 분석 ... 166
2) RNA 분해효소 보호 분석 ... 167
3) RT-PCR ... 167
9.3 유전자 발현 분석 ... 169
1) 차등 디스플레이 ... 170
2) DNA 미세배열 분석 ... 171
3) 염기서열 분석을 통한 발현 분석 ... 174
9.4 전사 기능 억제 ... 176
1) 안티센스 RNA ... 176
2) RNA 간섭 현상 ... 177
요약 ... 182
정리문제 ... 182
10장 단백질의 분석 ... 183
10.1 단백질의 생산 ... 184
1) 생체 외 단백질 전사와 번역 ... 184
10.2 단백질의 분리 ... 185
1) 용해도의 변화를 이용한 침전법: 염석 ... 185
2) 투석과 초여과법 ... 185
3) 크로마토그래피 ... 186
10.3 단백질의 확인 ... 189
1) SDS-polyacrylamide gel electrophoresis(SDS-PAGE) ... 190
2) 등전점 전기영동법 ... 192
3) 2차원 전기영동법 ... 193
4) 면역검출법 ... 194
5) 질량분석법 ... 194
6) 질량분석법과 테이터베이스 검색을 이용한 부분적 아미노산 서열 분석 ... 199
7) 단백질 아미노산 서열 분석법 ... 201
10.4 단백질의 결합 분석 ... 202
1) 효모 이중 하이브리드법 ... 202
2) 표지단백질 침전법 ... 203
3) 공동면역침전법 ... 204
4) 화학적 가교 형성 ... 204
10.5 단백질체와 단백질체학 ... 205
1) 단백질체의 구조 분석 ... 206
2) 단백질체의 발현 분석 ... 207
3) 단백질체의 기능 분석 ... 208
읽을거리 10-1 샐러리맨 노벨상 수상자, 다나카 고이치 ... 209
요약 ... 210
정리문제 ... 210
11장 생물정보학 ... 211
11.1 생물정보학이란 ... 212
1) 생물정보학의 태동과 발달과정 ... 212
2) 서열DB의 진화 ... 213
3) 오믹스(omics)와 생물정보학 ... 213
11.2 주요 생물정보학 DB와 알고리즘 ... 214
1) GenBank 소개 ... 214
2) RefSeq 소개 ... 215
3) 서열DB가 생물학 연구에 있어서 갖는 중요성 ... 215
11.3 서열데이터 포맷 ... 216
1) Fasta 포맷 ... 216
2) GenBank 플랫바일(flatfile) 포맷 ... 216
11.4 정보검색시스템, Entrez 이요하기 ... 218
11.5 서열정렬(sequence alignment) ... 218
1) 서열의 유사성이 갖는 의미 ... 218
2) 서열정렬 알고리즘 ... 220
3) 유사성과 상동성 ... 220
4) 상동성 판정 ... 221
5) 이종상동유전자(ortholog)와 동종상동유전자(paralog) ... 221
6) 서열정렬 시 사용하는 치환매트릭스(substitution matrix) ... 221
7) PAM 매트릭스와 BLOSUM 매트릭스 ... 222
11.6 서열검색프로그램-BLAST ... 223
11.7 유전자탐색 ... 226
11.8 계통지문법을 이용한 기능 부위 탐색 ... 226
읽을거리 11-1 Entrez에서의 DB 여행 ... 219
읽을거리 11-2 서열정렬 알고리즘의 분류 ... 220
읽을거리 11-3 유전체 염기서열 비교를 통한 신규 유전자 탐색 ... 227
요약 ... 228
정리문제 ... 228
12장 단백질공학 ... 229
12.1 단백질공학이란? ... 230
12.2 위치지정 돌연변이의 유발 ... 230
1) M13 단일가닥 DNA를 이용하는 방법 ... 230
2) PCR을 이용하는 돌연변이 유발법 ... 231
12.3 단백질공학을 통한 단백질 기능 개선 ... 232
1) 단백질의 열 안정성 향상 ... 232
2) 단백질의 활성 증가 ... 233
3) 단백질분해효소 저항성 증가 ... 234
12.4 항체공학 ... 234
1) 단일클론 항체 ... 235
2) 면역글로불린 G ... 235
3) 단일클론 항체의 생산 원리와 과정 ... 235
4) 치료용 항체 ... 237
5) 대장균에서 생산되는 항체 ... 241
6) 단백질 또는 유기물과 접합된 항체 ... 242
7) 단백질 융합 항체 ... 244
12.5 재조합 단백질의 생산과 분리 ... 246
1) 세포 수확 ... 246
2) 세포 파쇄 ... 247
3) 단백질 안정화 ... 248
4) 단백질 농축 ... 249
5) 단백질 보존 ... 249
읽을거리 12-1 산업적으로 많이 사용되는 재조합 단백질 ... 234
읽을거리 12-2 재조합 항체의 역사 ... 247
읽을거리 12-3 미생물에서 천연접착제 생산 ... 249
요약 ... 250
정리문제 ... 250
13장 미생물 유전공학 ... 251
13.1 유전공학 재료로서의 미생물 특징 ... 252
13.2 미생물에서의 도입 유전자 발현 ... 252
1) 대장균에서의 도입 유전자 발현 ... 252
2) 효모에서의 도입 유전자 발현 ... 255
13.3 유전자 발현 최적화 ... 257
1) 발현 벡터의 사본 수 ... 257
2) 전사 종결 부위 삽입 ... 257
3) 리보솜 결합자리의 유무 ... 257
4) 코돈 사용 ... 258
5) 단백질 접힘 ... 258
6) 염색체 삽입 ... 258
13.4 융합단백질로서의 발현 ... 259
1) 융합단백질의 종류 ... 259
13.5 선발 표지자의 제거 ... 260
13.6 형질전환 미생물의 응용 ... 261
1) 의학적 응용 ... 261
2) 공업적 응용 ... 261
읽을거리 13-1 미생물에서 천연 접착제 생산 ... 265
요약 ... 266
정리문제 ... 266
14장 동물 유전공학 ... 267
14.1 유전공학 재료로서의 동물과 동물세포의 특징 ... 268
14.2 동물세포 발현 벡터 ... 268
1) 발현 벡터의 특징 ... 268
2) 프로모터 ... 269
3) 선발 표지자 ... 272
4) 이형이량체(heterodimer) 발현을 위한 벡터 ... 273
5) 에피솜 발현 벡터 ... 274
6) 곤충세포 발현 벡터 ... 275
14.3 유전자 도입법 ... 276
1) 물리적 도입 방법 ... 277
2) 화학적 도입 방법 ... 277
14.4 동물 형질전환의 방법 ... 278
1) 전핵 미세주입 방법 ... 278
2) 배아 줄기세포를 이용한 방법 ... 279
3) 핵치환을 이용한 방법 ... 282
14.5 형질전환 동물의 응용 ... 284
1) 형질전환 생쥐 ... 284
2) 동물 반응기로서 이용 ... 286
3) 장기 생산과 이식 ... 286
읽을거리 13-1 Cre-loxP 시스템 ... 283
읽을거리 13-2 복제양 돌리 ... 285
요약 ... 288
정리문제 ... 288
15장 식물 유전공학 ... 289
15.1 유전공학 재료로서의 식물의 특성 ... 290
15.2 식물 형질전환 방법 ... 290
1) 식물 형질전환과 조직 배양 ... 290
2) 식물 형질전환의 여러 가지 방법 ... 290
15.3 형질전환체 확인 ... 305
1) 선발 표시 물질 저항성 확인 ... 305
2) 도입 유전자의 삽입 여부: 서던블롯 분석과 PCR ... 305
3) 도입 유전자의 발현(전사) 여부 (mRNA의 존재 여부) ... 305
4) 도입 유전자의 단백질 산물 확인 ... 305
5) 형질전환체의 생리적 기능검정 ... 305
15.4 식물 유전공학의 응용 ... 306
1) 형질전환 식물의 이용 분야 ... 306
2) 재해 저항성 식물의 개발 ... 306
3) 품질 개선, 수확량 증가 및 기능성 식물 ... 308
4) 먹는 백신 ... 310
5) 식물 반응기 ... 310
6) 식물 유전공학의 전망 ... 311
읽을거리 15-1 T-DNA가 식물 유전체 내로 삽입되는 과정 ... 294
읽을거리 15-2 최초의 유전자변형 식품인 Flaver Savr™ 토마토의 개발과 실패 ... 311
더 알아보기 15-1 식물에 의한 환경복원 ... 312
더 알아보기 15-2 바이오에너지 ... 313
요약 ... 314
정리문제 ... 314
16장 유전공학의 의학적 응용 ... 315
16.1 재조합 단백질 의약품 ... 316
1) 재조합 단백질 치료제 ... 316
2) 치료용 항체 ... 316
3) 재조합 백신 ... 316
16.2 핵산 기반 의약품 ... 318
16.3 유전자 진단 ... 318
1) 유전자 진단의 범위 ... 319
2) 유전자 진단의 방법 ... 319
3) 유전자 진단을 위한 미지의 돌연변이 탐색 ... 322
16.4 유전자 치료 ... 323
1) 유전자 치료의 여러 접근 방식 ... 323
2) 유전자 치료의 대상 조직 ... 324
3) 바이러스 벡터를 이용한 유전자 치료 ... 324
4) 비바이러스 벡터를 이용한 유전자 치료 ... 331
5) 유전자 치료의 임상 시도 ... 331
읽을거리 16-1 유전자 치료 사례 ... 332
요약 ... 333
정리문제 ... 333
부록 ... 335
찾아보기 ... 337
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