<영양학>

 

제 14과 분자 영양학

 

 

 

영양과 유전

 

 

 

가. 유전자 구조

 

DNA nucleic acid+histone 8개=nucleosome->Nucleosome 이 모여서->chromatin fiber -> chromosome

 

 

 

나.유전정보의 전달

 

복제->전사-> 번역

 

 

 

복제(replication): parental DNA 를 복사하여 동일한 염기 배열을 지닌 daughter DNA 를 만드는 단계

 

전사(transcription): DNA 에 있는 유전 정보가 RNA 로 전달되는 과정

 

번역(translation): RNA 가 담고 있는 유전 정보를 ribosome 이 20개의 A.A 로 구성된 polypeptide 또는 protein structure 로 바꾸는 단계.

 

 

 

 

 

 

 

1.   gene replication and repair

 

 

 

DNA 분자는 방사선이나 알킬화제에 의해 끝없이 손상을 받는다.

 

è  이 손상을 제거하기 위해 DNA repair system(DNA 수복 체계) 를 보유함.

 

è  DNA 손상이 심하면 이상한 repair 가 이뤄지고 , 오히려 유전자 변이를 초래하여 암 등의 질병이 생겨버림

 

 

 

2.   gene transcription

 

m RNA(messenger RNA): polypeptide 의 합성을 위한 정보를 보유

 

t RNA(transfer RNA) : 아미노산을 활성화시켜서 운반하는 역할을 함.

 

r RNA(ribosomal RNA): ribosome 을 구성하여 단백질 합성을 보조함.

 

 

 

3.   gene translation

 

m RNA chain 에 있는 유전정보가 ribosome 에서 단백질의 polypeptide 로 번역됨.

 

 

 

Start codon 의 앞부분의 번역되지 않는 부위-> 5’-UTR(untranslated region)

 

Stop codon 의 뒷부분의 번역되지 않는 부위-> 3’-UTR

 

(역할: m RNA 의 안정도에 영향을 미침 , 단백질 합성을 조절하는 역할)

 

 

 

 

 

다.영양과 유전자 발현 조절

 

 

 

1.   regulatory gene sequence 와 gene transcription regulatory factor.

 

 

 

Gene expression regulation 의 많은 부분이 transcription 의 initiation 단계에서 일어남.

 

è  이걸 조절하는 곳 promoter

 

 

 

<종류>

 

보전 유전자(constitutive gene)

 

: 거의 모든 세포에서 낮은 수준으로나마 활성을 갖는 promoter를 가지는 gene.

 

유도 유전자(inducible gene)

 

:몇 개의 tissues 나 특정의 발달 단계에서만 강하게 발현되는 genes.

 

-> 이들은 promoter region 에 TATA box , GC box , CAAT box 등의 독특한 base sequences 를 지닌다. (여기에 단백질로 구성된 gene transcription regulatory factor 가 결합하여 RNA polymerase 에 의한 gene transcription 을 조절하게 됨)

 

 

 

이 외에도 enhancer , silencer 가 존재함.

 

(이들에게 유전자로부터의 위치와 방향은 안 중요함)

 

 

 

 

 

 

2.   영양소와 유전자 전사 조절

 

 

 

영양소가 유전자 발현을 조절하는 방식

 

1.    영양소나 그 대사산물과 결합하는 물질들이 직접 유전자 전사 조절인자들을 활성화시킴으로써 유전자 발현을 조절

 

2.    영양소나 그 대사산물이 세포내의 신호전달 체계를 변화시켜 간접적으로 유전자 발현을 조절

 

Ex) 식이지방

 

-> 세포막의 지방산 조성을 변화-> 신호 전달 체계에 영향을 미침.

 

3.    hormone 분비와 nervous system 의 action potential 을 변화시켜 간접적으로 유전자 발현을 조절.

 

Ex) 소화기관과 내분비기관을 구성하는 상피세포들이나 미주신경과 CNS 를 구성하는 신경세포들은 영양소를 인지하는 sensor , 또는 영양소가 결합하는 receptor 가 존재하며 이들을 통하여 영양소의 수준을 인식하고 , 신경과 내분기계를 통하여 뇌와 말초조직 사이에서 영양소에 대한 정보를 교환함.

 

 

 

3.영양소나 대사산물에 의한 유전자 전사 조절인자의 활성화 예

 

 

 

가. 아연

 

 

 

 

 

나.레티노익산(중요함)

 

* 비타민 A 로부터 합성됨.

 

*역할: 배아형성 , 골격형성 , 세포의 성장과 분화 , 대사 조절

 

*retinoic acid receptor 가 직접 유전자 전사 조절인자로 작용!

 

*retinoic acid receptor 는 RAR(retinoic acid receptor) 과 RXR(retinoid X receptor) 로 나눈다. (각각은 여러 종류의 이소형<RAR-a , b ,r 와 RXR-a,b,r 등) 으로 구성됨.)

 

*retinoic acid receptor 가 결합하는 부위-> RAR과 RXR 이 dimer 를 형성해야 하며 , RXR 은 homodimer 를 형성하거나, 갑상선 호르몬이나 , 비타민 D receptor 와 같은 다른 유전자 전사 조절 인자들과 함께 heterodimer 를 형성하기도 함.

 

 

 

 

다.비타민 D

 

소장에서 ->칼슘의 흡수를 촉진시킴,

 

신장에서-> 칼슘의 재흡수를 촉진시킴

 

뼈에서->칼슘의 이동을 촉진시킴

 

결국: 칼슘의 항상성을 유지시킴.

 

 

 

  

 

라. 지방산과 지방산 유도체

 

지방산이나 지방산 유도체와 결합하여 활성화 되는 유전자 전사 조절인자: PPAR(peroxisome proliferator-activated receptors)

 

è  기능: 1.핵에서 RXR 과 heterodimer 를 형성하여 지질과 당질 대사에 관여하는 다양한 유전자의 transcription 을 촉진.

 

 

 

PPAR-a : 1)간 , 근육 , 심장, 신장에 주로 존재함. 2) free fatty acid 의 섭취 및 b-oxidation 을 촉진시킴

 

 

 

PPAR-r : 1) 지방저장조직에 존재  2) 지방세포의 증식 및 분화 3) 지방 합성 4) 지방을 복부 지방조직에서 피하지방조직으로 재배치 5) 아디포넥틴의 분비를 증가시킴.

 

 

 

PPAR-d(델타) : 1) 간, 근육에 주로 존재 2) 지방 섭취의 변화를 감지하여 지방 산화를 조절 3) 이게 계속 활성형으로 유지되면 과식에 의한 지방간 생성이 저해됨. 4) leptin recptor 에 이상이 있는 db / db mouse 에서도 비만이 초래되지 않음. (즉 이게 비만치료의 main target 이다)

 

 

 

리놀렌산 , 아라키돈산-> 1) 둘 다 polyunsaturated fatty acid 다. 2) fat synthesis 과 glycolysis 에 관여하는 enzyme 들 , glucose receptor 등의 발현을 유전자 전사 단계에서 억제함.

 

 

 

원리:  polyunsaturated fatty acid 에 결합하는 전사 조절인자(PUFA-RF) 가 존재하여 이 부위에 결합하는 다른 전사조절 인자인 HNF4 의 활성을 억제할 듯.(그림 14-9)

 

 

 

(이것도 불완전한 원리다)

 

 

 

 

마. NAD+/NADH 비율의 조절과 유전자 전사 조절

 

 

 

CtBP 1(C-terminal binding protein) -> NADH 를 인지하는 E sensor 로 작용함.

 

NADH 농도가 낮을 때-> monomer 로서 보조활성인자인 p 300 에 결합하여 histone 의 acetylation 을 저해함. (gene transcription 이 inhibit 된 상태)

 

 

 

NADH 농도가 높을 때-> CtBP1 이 서로 결합하여 dimmer 를 이루면서 p 300 이 자유롭게 방출되어 histone 이 acetylation reaction 과 gene transcription 을 촉진하게 된다.

 

 

 

SirT1-> 1) 사람에게 존재하는 Sir2 의 일종 2) histone deacetylase  3) E sensor 로 작용하는 대표적 단백질

 

원리: NAD+ 를 만나면 의존적으로 활성이 증가하여 보조전사활성인자 인 PGC1a(peroxisome proliferator-activated receptor-gamma-coactivator-1 alpha) 와 결합하고 이 단백질의 deacetylation 을 유도하여 gene expression 을 조절함. 

 

 

 

Starvation 일 때 

 

->SirT1 은 PGC1a 를 통해 gluconeogenesis 에 관여하는 gene 의 expression 을 증가시킴!

 

->SirT1 은 “포도당 분해” 에 관여하는 gene 의 expression 은 억제하여 혈중 포도당 농도를 일정하게 유지시킴.

 

 

 

열량제한식이 제공-> 1) 노화가 억제 2) 수명이 연장됨

 

 

 

원리: SirT1 이 이번에는 p53 의 deacetylation 에 관여함.

 

즉, p53 의 전사활성을 억제하여 스트레스나 DNA 손상에 의한 노화와 세포 사망을 줄임.

 

 

 

4.   영양소와 단백질 합성 조절  (* 여기는 정리 안 함)

 

  

 

 

 

 

 

영양과 유전자 이상

 

영양소의 ADME 등에 관여하는 효소나 호르몬의 유전자에 이상이 생기면 영양소의 metabolism 에 문제가 발생할 가능성이 높아짐.

 

 

 

유당분해 효소의 이상-> 유당불내증

 

아미노산 대사에 관여하는 효소들의 유전자가 결손되면-> 알캅톤뇨증 , 페닐케톤뇨증

 

Galactose 의 대사과정에 관여하는 효소의 결핍-> 갈락토오스 혈증

 

앞날에 대한 막연한 근심은 대뇌피질 전두엽(Frontal lobe)의 과잉 활성화로 나타난다.

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  일부 사람들이 사람들 앞에서 말을 할 때 느끼는 심한 불안이나 아주 수줍음이 많은 사람이 사람들 앞에서 느끼는 불안은 뇌의 전대상회라고 하는 부분의 과잉 활성화로 나타난다.

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  한편 강박적 불안은 뇌 스캔으로 들여다보면 전두엽과 기저핵 안에 있는 하부 중추를 연결하는 회로에 교란이 있는 것으로 나타난다.

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  1980년대 신경학자 조지프 르두의 선구적 연구 덕에 공포와 관련된 정서와 행동은 편도(amygdala)라는 기관에서 만들어 지거나 아니면 적어도 여기에서 처리된다는 것이 이제 잘 알려져 있다.

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  편도는 뇌 아래쪽에 있는 아몬드 모양의 기관 인데 지난 15년 동안 불안에 관한 신경학 연구 대부분이 이 기관을 중심으로 이루어졌다.

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  프로이트나 키에르케고르는 정확히 몰랐지만 지금 우리는 세로토닌, 도파민, GABA, NE, Neuropeptide Y 등 여러 신경전달물질이 불안을 줄이거나 높이는 역할을 한다는 것을 안다.

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  또 불안에는 강력한 유전적 요인이 있다는 것도 안다. 구체적으로 어떤 요인인지도 이제 알아나가기 시작했다.

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  수백 편의 연구 중 하나를 예로 들자면 하버드 대학교 연구자들이 2002년에 어떤 유전자를 집어냈고 언론에서 "우디 앨런 유전자"라는 이름을 붙였다. 이 유전자가 편도 등 공포 관련 행동을 관장하는 신경 회로 중요 부분에서 특정 뉴런 집단을 활성화하는 역할을 하기 때문이다.

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 오늘날에는 연구자들이 이런 '후보 유전자' 여러 개를 목표로 두고 접근하면서 특정 유전자 변이와 특정 불안장애 사이의 통계적 상관관계를 살피고 이 관계를 '중재'하는 화학적, 신경해부학적 매커니즘을 탐구하고 있다. 유전적 성향이 어떻게 하여 실제로 불안한 정서나 장애로 발현되는지를 정확히 밝히는 게 목표다. ​

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미국 국립정신건강연구소장 토머스 인셀 박사는 이렇게 말한다.

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"불안을 정서로 보든 장애의 하나로 보든 이런 연구들을 통해 분자, 세포, 기관계에 대한 이해가 정서와 행동의 이해로 바로 이어질 수 있다는 사실이 가장 흥미롭다. 마침내 유전자와 세포와 뇌, 신경계 사이의 연관을 만들어나갈 수 있게 된 것이다."​

 

 

 

※ 모든 이미지는 구글에서 가져왔습니다.