1 유전공학의 개관 11.1 유전공학이란? 21.2 유전공학의 태동과 발달 31.3 유전공학의 응용 4읽을거리 1-1 생명공학의 발전 속도 9읽을거리 1-2 인공 생명체의 탄생과 그 의의 10요약 11정리 문제 11참고 문헌 122 유전자의 구조와 발현 142.1 유전자의 본질 16염색체설 16유전물질로서의 DNA 161) 형질전환 실험(1928년, 그리피스) 172) 시험관 내에서의 형질전환 실험(1944년, 에이버리, 맥리오드, 맥카티) 183) 블렌더 실험(1952년, 허시, 체이스) 182.2 핵산의 화학적 구조 19핵산의 구성성분 19샤가프의 법칙 20X-선 회절 실험 21DNA 이중나선 구조 211) 이중나선 222) 이중나선의 의미 22DNA 반보존적 복제의 규명 242.3 유전자의 발현 및 조절 25유전자와 단백질 251 유전자 1 효소설 27유전정보의 중심원리 27유전자의 구조 271) 원핵생물의 유전자의 구조 272) 진핵생물 유전자의 구조 28유전자의 발현 291) 전사 292) 번역 31유전자 발현의 조절 331) 원핵생물에서의 전사 단계 조절 332) 진핵생물에서의 유전자 발현 조절 37읽을거리 2-1 역사적 발견의 현장 26읽을거리 2-2 RNA 세계 39요약 40정리 문제 40참고 문헌 413 핵산의 성질과 분리 423.1 핵산의 성질 44DNA의 변성과 재생 44혼성화 45DNA와 RNA의 안정성 453.2 핵산의 분리 및 정제 48플라스미드 DNA 분리 48세포의 유전체 DNA 분리 501) 박테리아 세포로부터 유전체 DNA의 분리 502) 동물세포로부터 유전체 DNA의 분리 503) 식물세포로부터 유전체 DNA의 분리 51파지 DNA의 분리 52RNA의 분리 521) RNA 분리의 일반적인 사항 522) RNase의 오염 및 제거 523) 전체 RNA의 분리 방법 53mRNA의 분리 54핵산의 침전과 보관 54핵산의 농도 측정 56읽을거리 3-1 RNase, 매우 안정된 효소 46읽을거리 3-2 고대 DNA와 DNA 안정성 47요약 57정리 문제 58참고 문헌 584 효소와 전기영동 604.1 유전자 조작과 분석에 필요한 효소 62핵산분해효소 621) DNA 말단분해효소 622) DNA 내부분해효소 643) RNA 분해효소 654) 제한효소 655) 유전체 교정을 위한 핵산분해효소 시스템 -유전자 가위 68중합효소 721) DNA를 주형으로 하는 중합효소(DNA 중합효소) 762) RNA를 주형으로 하는 DNA 중합효소(역전사효소) 773) 말단 디옥시뉴클레오타이드 전달효소 78DNA 연결효소 78DNA 연결효소의 작용 78DNA 변형효소 781) 인산화효소와 탈인산화효소 782) DNA 메틸기 전달효소 79Proteinase K: 단백질분해효소 80기타 효소 801) 라이소자임 802) 아가레이즈 804.2 전기영동 81전기영동이란? 81아가로오스 젤 전기영동 811) 아가로오스 젤 812) 아가로오스 젤에서 DNA의 염색과 보기 823) 아가로오스 젤 전기영동 시핵산의 이동에 영향을 주는 요인 824) 아가로오스 젤 전기영동의 전 과정 835) 다면전기영동 83폴리아크릴아마이드 젤 전기영동 85전기영동의 이용 85읽을거리 4-1 제한작용과 제한효소의 발견 69읽을거리 4-2 CRISPR/Cas 시스템의 발견과 응용 73읽을거리 4-3 아가로오스 젤상에서 플라스미드 DNA의 이동 84요약 87정리 문제 88참고 문헌 885 벡터 905.1 벡터란 무엇인가? 925.2 벡터의 종류 925.3 박테리아 클로닝 및 발현 벡터 92플라스미드 벡터 931) 플라스미드 벡터의 구조와 특징 932) 대표적인 플라스미드 벡터의 종류 94박테리오파지 벡터 95박테리오파지 λ 벡터 95코스미드 벡터 105박테리아 인공염색체 1055.4 효모 벡터 107효모 플라스미드 벡터 1071) YEP 벡터 1072) 기타 효모 플라스미드 벡터 108효모 인공염색체 1095.5 동물 벡터 1105.6 식물 벡터 111읽을거리 5-1 DNA 복제 방식 100읽을거리 5-2 플라스미드의 발견과 유전공학 111요약 112정리 문제 112참고 문헌 1136 재조합 DNA의 제작과세포에 도입 및 확인 1146.1 재조합 DNA 116제한효소에 의한 재조합 DNA 분자의 제작 1161) 플라스미드 벡터를 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 1162) 파지 벡터를 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 118PCR 산물을 이용한 재조합 DNA 분자의 제작 1181) PCR(중합효소 연쇄반응, polymerase chain reaction) 1182) PCR 산물의 클로닝 118상동재조합 시스템을 이용한 재조합 분자의 제작 1221) 원리 1222) 클로닝 과정 및 특징 1236.2 유전자의 대장균 내 도입 124형질전환 1241) 형질전환의 이용 1242) 반응능 세포와 형질전환 과정 125박테리오파지의 세포 내 도입 1271) 형질감염 1272) 생체 외 조립 후 박테리아 감염 1286.3 형질전환된 세포의 선발 128재조합 플라스미드 벡터의 확인 1281) 항생제에 의한 선발 1282) LacZ (β-갈락토시데이즈)의 삽입비활성화에 의한 선발 1313) PCR에 의한 선발 132재조합 파지 벡터의 확인 1331) λ 파지 유전체 크기에 기초한 선발 1332) LacZ 유전자의 삽입 비활성화에 의한 선발 1333) λcI 유전자의 삽입 비활성화에 의한 선발 1334) Spi 표현형에 의한 선발 133S up4 삽입 비활성화에 의한재조합 YAC의 확인 1336.4 재조합 DNA 기술의 전 과정 135읽을거리 6-1 최초의 재조합 플라스미드 벡터 136읽을거리 6-2 전기천공 과정 동안의 세포막 변화 137요약 138정리 문제 138참고 문헌 1397 유전자 획득 1407.1 유전자 클로닝 1427.2 유전자 라이브러리 제조 142유전자 분리 1431) 유전체 분리 1432) cDNA 분리 143벡터에 삽입 1441) 벡터에 cDNA 삽입 1442) 벡터에 유전체 DNA 삽입 144라이브러리 제조의 예 144라이브러리 제조 시 주의할 점 1457.3 스크리닝 방법 147혼성화에 의한 스크리닝 147탐침 147항체 결합에 의한 스크리닝 153발현 차이를 이용한 스크리닝 153단백질 결합에 의한 스크리닝 1531) 효모 이중 하이브리드법 1532) 파지 디스플레이법 157기능을 이용한 스크리닝 1587.4 중합효소 연쇄반응법 160PCR의 개요 160PCR의 응용 160PCR 효소 161PCR 조건의 최적화 161PCR 방법의 제한사항 164실시간 PCR 164읽을거리 7-1 아가로오스 젤에서 유전체 DNA 절편 분리 146읽을거리 7-2 실험에 많이 사용되는 방사성 동위원소 149읽을거리 7-3 효모에서 기능을 이용한 클로닝 159읽을거리 7-4 PCR 방법의 발명 163요약 164정리 문제 165참고 문헌 1658 유전자 분석과 진단 1668.1 유전자 분석 168유전자 구조 분석 1681) 제한효소 지도 작성 1682) 서던 블롯 분석법 1693) 전사 개시지점 확인법 1704) 엑손-인트론 경계 확인법 172DNA 염기서열 분석 1721) 사슬 종결법 1732) 화학적 분해법 1733) 자동염기서열 결정법 1754) 차세대 염기서열 결정법 1765) DNA 증폭법 1776) DNA 염기서열 결정법 1787) 3세대 염기서열 결정법 1828.2 유전자 검사 185질병 진단을 위한 유전자 검사 185유전자 진단의 방법 1861) 제한효소 절편길이 다형성을 이용한 유전자 진단 1862) 짧은 직렬 반복 서열(STR)을 이용한 유전자 진단 1883) 대립유전자 특이 올리고뉴클레오타이드를 이용한유전자 진단 1894) DNA 미세배열법 1895) 염기서열 결정법 1906) 단일염기 다형성(SNP)을 이용한 유전자 진단 190개인 식별 192요약 194정리 문제 194참고 문헌 1959 유전체 분석과 유전체학 1969.1 유전체 서열 분석 198유전체 지도 작성 1981) 세포학적 지도 작성 1982) 유전적 지도 2003) 물리적 지도 작성 202유전체 염기서열 결정 전략 2041) 샷건 방식 2042) 콘티그 방식 2053) 계층적 샷건 방식 205유전체 사업 2061) 인간 유전체 사업: 1990?2003년 2062) 전체 유전체 분석: T2T 컨소시엄 2089.2 유전체 서열 정보 209대장균 유전체 2091) 단백질 암호화 유전자 2092) 비전사 반복 서열 2093) 기타 209인간 유전체 2091) 단백질 암호화 유전자 2112) 분절 중복 2113) 반복 서열 2119.3 유전체 주석 213유전자 예측 2141) 일반적 특징에 의한 예측 2142) 상동성 기반 유전자 예측 215유전자와 유전자 조절부위 확인 2161) 유전자 조절 부위 2172) 히스톤 변형 2183) ChIP-seq 방법 2194) DNase-seq 방법 2205) 염색체 구조 포획법 221유전자 기능 분석 2221) 상동성 검색을 이용한 방법 2222) 발현 위치 분석 2223) 발현 제어 분석 223대장균 유전체 주석 225인간 유전체 주석 2269.4 유전체학과 유전체 정보의 응용 229유전체학의 개관 230후성유전체학 231메타유전체학 233유전체 정보의 응용 2341) 유전적 변이 분석과 응용 2342) 암 유전체 변이 분석과 응용 236읽을거리 9-1 더 많이, 더 빠르게, 더 싸게 239요약 241정리 문제 242참고 문헌 24210 전사 분석과 제어 24410.1 전사 조절 부위의 분석 246젤 지연 분석 246DNase I 족적 분석 246리포터 분석 2471) CAT를 이용한 분석 2482) Luc를 이용한 분석법 2483) GFP를 이용한 분석 2494) 리포터 분석의 응용 25010.2 전사물 분석 250노던 블롯 분석 250RNA 분해효소 보호 분석 251RT-PCR 2511) 실시간 PCR의 원리 2522) 실시간 PCR을 이용한 DNA 정량 2543) 실시간 PCR의 응용 254R NA 염기서열 분석 25510.3 전사체 분석 255DNA 미세배열 분석 2551) DNA 미세배열 판의 제조 2562) DNA 미세배열 실험의 원리 2573) DNA 미세배열의 이용 257RNA 서열 분석 2591) 대용량 RNA 서열분석 2592) 단일세포 RNA 분석 2623) 공간적 RNA 서열분석 263후성 전사체 분석 26510.4 전사 및 전사 후 과정의 제어 265안티센스 RNA 267안티센스 올리고뉴클레오타이드 268RNA 간섭 2721) 짧은 간섭 RNA 2722) 마이크로 RNA 274CRISPR 시스템을 이용한 제어 2771) CRISPR 시스템을 이용한 전사 억제 2772) CRISPR를 이용한 전사 촉진 278읽을거리 10-1 유전자형 조직 발현 프로젝트 260읽을거리 10-2 핵산 치료제 전달체의 개발 270요약 279정리 문제 280참고 문헌 28111 단백질의 분리와 분석 28211.1 단백질의 생산 28411.2 단백질의 분리 285용해도의 변화를 이용한 침전법: 염석 285투석과 초여과법 2851) 투석 2852) 초여과법 286크로마토그래피 2861) 이온 교환 크로마토그래피 2872) 젤 여과 크로마토그래피 2883) 소수성 상호작용 크로마토그래피 2884) 친화 크로마토그래피 2885) 고압 액체 크로마토그래피 28911.3 단백질의 확인 289SDS-PAGE 290등전점 전기영동법 2922차원 전기영동법 293면역검출법 2941) ELISA 2942) 웨스턴 블롯 분석법 297질량 분석법 297질량 분석기의 구성 298펩타이드 질량 지문 분석법과부분적 아미노산 서열 분석 300단백질 말단 아미노산 서열 분석법 3021) 에드만 분해법 3022) 기체상 아미노산 서열 분석 30311.4 단백질의 결합 분석 304ELISA형 분석법 304표지단백질 침전법 305공동면역 침전법 306SPR 분석법 30611.5 단백질체와 단백질체학 307단백질체의 구조 분석 308단백질체의 발현 분석 3081) in vivo 표지 방식 3092) in vitro 표지 방식 309단백질체의 기능 분석 310읽을거리 11-1 측면 유동 분석법 294읽을거리 11-2 샐러리맨 노벨상 수상자, 고이치 다나카 311요약 312정리 문제 313참고 문헌 31312 생물정보학 31412.1 생물정보학이란? 316생물정보학의 태동과 발달 과정 316서열 DB의 진화 318오믹스와 생물정보학 31812.2 주요 생물정보학 DB 319GenBank 319RefSeq 32012.3 생물학 연구에서 서열 DB의 중요성 32112.4 서열 데이터 포맷 321FASTA 포맷 321GenBank 플랫파일 포맷 32212.5 정보검색시스템 활용하기 32412.6 서열정렬 327서열의 유사성이 갖는 의미 327서열정렬 알고리즘 327상동성과 유사성 327상동성 판정 328이종상동유전자와 동종상동유전자 329서열정렬 시 사용하는 치환매트릭스 32912.7 서열검색 프로그램(BLAST) 활용하기 33112.8 다중정렬 프로그램(ClustalW) 활용하기 33412.9 유전자 통합정보 검색(UCSC genome browser) 33512.10 유전자 탐색 33812.11 다중오믹스 데이터 분석 338다중오믹스 데이터 338다중오믹스 데이터 분석 방법 340읽을거리 12-1 엔트레즈에서의 DB 여행 327읽을거리 12-2 서열정렬 알고리즘의 분류 328읽을거리 12-3 서열정렬 시 사용하는 치환매트릭스:PAM 매트릭스와 BLOSUM 매트릭스 330요약 341정리 문제 342참고 문헌 34213 단백질 공학 34413.1 단백질 공학이란? 34613.2 단백질 구조 정보를 기반으로 한단백질 공학 346방법: 위치 지정 돌연변이 유발 3461) M13 단일가닥 DNA를 이용하는 방법 3462) PCR을 이용하는 돌연변이 유발법 347사례: 단백질 기능 개선 3481) 산업용 효소의 열 안정성 향상 3492) 재조합 단백질의 활성 증가 3493) 치료용 단백질의 약효 시간 증가 35013.3 방향 진화를 이용한 단백질 공학 350방법: 무작위 돌연변이 유발 3511) 카세트 돌연변이 유발 3522) 오류 유발 PCR 3523) DNA 섞기 354사례: 단백질 기능 개선 3541) 효소 활성 증가 3542) 새로운 기능을 가진 단백질 제조 35513.4 항체 공학 358IgG의 구조 3581) IgG의 구조 3582) IgG의 다양성과 친화력 형성 과정 359단일클론 항체 3621) 단일클론 항체 생산 원리 3622) 단일클론 항체의 생산 과정 3633) 단일클론 항체의 응용 364치료용 항체 3651) 카이메라 항체(인간-생쥐 카이메라 단일클론 항체) 3662) 인간화 항체 3663) 인간 항체 368변형된 항체 치료제 3721) 항체약물 접합체 3722) 방사성면역 접합체 3733) 항체 조각 3744) 이중특이 항체 3755) 면역사이토카인 37713.5 유사항체 단백질: 펩타이드 앱타머 378애드넥틴 379펩타이드 앱타머 라이브러리 제조 379펩타이드 앱타머 선별 3791) 생체 내 선별 방식 3802) 생체 외 디스플레이 38013.6 재조합 단백질의 생산과 분리 382재조합 단백질 생산 공정의 개관 382세포 배양과 단백질 생산 3831) 세포 분리 공정 3842) 세포 파쇄 공정 3843) 여과 공정 3854) 분리 정제 공정 3865) 완제 공정 387읽을거리 13-1 적색 형광 단백질의 개발 356읽을거리 13-2 밀슈테인의 단일클론 항체 제조 기술 개발 378요약 387정리 문제 388참고 문헌 38914 미생물 유전공학 39014.1 유전공학 재료로서의 미생물의 특징 39214.2 미생물에서 관심유전자 발현 392대장균에서의 관심유전자 발현 3931) lac 프로모터 3932) tac 프로모터 3943) trp 프로모터 3944) PL/PR 프로모터 3955) T7 발현 시스템 395효모에서 도입 유전자 발현 3971) 빵효모에서의 도입 유전자 발현 3972) 피키아에서의 도입 유전자 발현 39814.3 유전자 발현 최적화 399전사 단계 3991) 복제 원점 3993) 전사 종결 부위 삽입 400번역 단계 4001) 유전자 코돈 사용 4002) 리보솜 결합 자리 4003) 번역 정지 코돈 400번역후 단계 4001) 단백질의 수용성 4002) 단백질 분해 최소화 40114.4 융합 단백질 발현 401융합 파트너의 종류 4011) 히스티딘 꼬리표 4022) 글루타티온 S-전이효소(GST) 402융합 파트너의 절단 40214.5 유전자의 염색체 통합과선발 표지자의 제거 403유전자의 염색체 통합 403선발 표지자 제거 40414.6 형질전환 미생물의 응용 406의료 406공업 4071) 유용한 저분자물질의 생산 4072) 유용한 고분자물질의 생산 408농업 4091) 미생물 살충제 4092) 식물 생장 촉진 미생물 411환경 41114.7 생산성 개선 411대사 공학 412시스템 대사 공학 413읽을거리 14-1 위치특이 재조합 405요약 415정리 문제 416참고 문헌 41615 동물 유전공학 41815.1 유전공학 재료로서 동물과동물세포의 특징 42015.2 동물세포 발현 벡터 420발현 벡터의 특징 420프로모터 4211) 기본 프로모터 4212) 항시성 프로모터 4223) 조직 특이 프로모터 4224) 조절성 프로모터 422선발 표지자 424특수 목적 벡터 4261) 이형이량체(heterodimer) 발현을 위한 벡터 4262) 에피좀 발현 벡터 4263) 곤충세포 발현 벡터 42715.3 유전자 도입법 429물리적 도입 방법 4301) 전기천공법 4302) 미세주입법 430화학적 도입 방법 4301) 인산칼슘을 매개로 한 형질감염법 4302) 리포솜법 430생물학적 도입 방법 4301) 바이러스를 이용한 도입법 4312) 효모 스페로플라스트 융합법 43115.4 유전체 편집 432상동 재조합 433유전체 편집자 4331) CRISPR 유전체 편집자 4352) CRISPR 염기 편집자 개발 43615.5 동물 형질전환 방법 439수정란 미세주입 방법 440배아 줄기세포 형질전환법 441유전자 적중 생쥐 제조 441체세포 핵 전달 방법 44615.6 동물 유전공학의 응용 448인간 질병 모델 동물 448단백질 의약품 생산 동물 449이종 장기 생산 동물 450읽을거리 15-1 뇌무지개 444읽을거리 15-2 복제양 돌리 447요약 452정리 문제 453참고 문헌 45416 식물 유전공학 45616.1 유전공학 재료로서의 식물의 특성 45816.2 식물 형질전환 방법 458식물 형질전환과 조직 배양 458식물 형질전환의 여러 가지 방법 4581) 애그로박테리아를 이용하는 방법 4602) 식물세포로 DNA를 직접 넣는 방법 4673) 원형질체를 이용한 세포융합 4694) in planta 형질전환 4705) 엽록체 형질전환 4726) 바이러스를 이용한 식물 형질전환 방법 47416.3 형질전환체 확인 475선발 표시 물질 저항성 확인 475도입 유전자의 삽입 여부 475도입 유전자의 발현(전사) 여부 475도입 유전자의 단백질 산물 확인 475형질전환체의 생리 기능 검정 47616.4 식물 유전공학의 응용 476형질전환 식물의 이용 분야 476재해 저항성 식물의 개발 4761) 해충 저항성 식물 4762) 바이러스 저항성 식물 4783) 병원균 저항성 식물 4784) 불량 환경 스트레스 저항성 식물 4785) 제초제 저항성 작물 478품질 개선, 수확량 증가 및 기능성 식물 479먹는 백신 482식물 반응기 483식물 유전공학의 전망 484읽을거리 16-1 T-DNA가 식물 유전체 내로삽입되는 과정 462읽을거리 16-2 Bt 작물이 만들어지기까지 477읽을거리 16-3 최초의 유전자변형 식품인Flavr SavrTM 토마토의 개발과 실패 481읽을거리 16-4 CRISPR/Cas 편집 시스템을 활용한작물의 개발 486읽을거리 16-5 갈변되지 않는 GM 사과 487읽을거리 16-6 빛을 내는 램프 대용 GM 식물 488더 알아보기 16-1 식물에 의한 환경 복원 489더 알아보기 16-2 바이오에너지 491요약 492정리 문제 492참고 문헌 49317 유전공학의 의학적 응용 49417.1 바이오의약품 496항체 치료제 496재조합 단백질 치료제 498재조합 단백질 백신 499핵산 기반 치료제 5001) 안티센스 올리고뉴클레오타이드 5022) 짧은 간섭 RNA 5023) 앱타머 5034) mRNA 백신 50417.2 유전자 치료 506유전자 치료의 여러 접근 방식 506유전자 치료의 대상 조직 507바이러스 벡터를 이용한 유전자 치료 5071) 레트로바이러스 벡터 시스템 5082) 아데노바이러스 벡터 시스템 5113) 아데노부속 바이러스 512유전자 치료의 사례 51317.3 암 면역치료 515면역 관문 억제법 5151) CTLA-4 5162) PD-1/PD-L1 516CAR-T 세포 치료법 517개인맞춤형 암 백신 518읽을거리 17-1 바이오시밀러와 바이오베터 501읽을거리 17-2 개인맞춤형 암 치료 519요약 521정리 문제 521참고 문헌 522부록 1 유용 생물정보 웹사이트 소개 523부록 2 유전자 분석 프로그램을 이용한유전자의 제한효소 자리 찾기 524용어해설 526찾아보기(한글ㆍ영문) 536