[대학 입시][논술] 2022학년도 서울대학교 생명과학 구술 면접 (2번 해설)

2022학년도 서울대학교 수시모집 일반전형 면접 및 구술고사 문항_생명과학 2번.pdf

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문제 2. 

에틸렌은 2개의 탄소와 4개의 수소 원소로 이루어진 기체성 식물 호르몬이다. 농부들은 채 익지 않은 바나나를 수확하여 운반 및 저장을 하고 판매 직전에 에틸렌 기체에 노출시켜 숙성시킨 뒤 판매한다. 이를 과일 후숙이라 한다. 철수는 시장에서 사 온 익지 않은 한 바구니의 초록색 토마토를 빨리 익히려면 사과나 바나나와 함께 두면 된다는 정보를 인터넷 검색을 통해 얻었다. 실제로 바나나를 같은 바구니에 넣었더니 모든 토마토의 열매 후숙이 점점 빠르게 진행되었다. 이웃집 영희는 자신도 비슷한 토마토 한 바구니를 샀는데 익지 않는다고 바나나를 빌려 달라고 했다. 철수는 바나나를 이미 다 먹었기에 대신 빨갛게 익은 토마토를 빌려주었다.

 

2-1. 영희의 토마토는 철수의 도움으로 빨리 잘 익었다. 이 사실을 통해 우리가 알 수 있는 식물 호르몬 에틸렌의 특성을 두 가지 이상 서술하시오. 

1. 식물 호르몬 에틸렌은 열매의 후숙을 촉진하는 호르몬이다.
2. 바나나 개체에서 생성된 에틸렌은 다른 종인 토마토에도 작용할 수 있었다. 이를 통해 에틸렌이 일부 식물 종간 호르몬 작용에 특이성이 뚜렷하지 않음을 추측할 수 있다.
3. 한 토마토에서 나온 에틸렌은 주변의 다른 토마토를 후숙시킬 수 있었다. 한 개체에서 생성된 에틸렌이 주변의 개체까지 동시적으로 영향을 미칠 수 있음을 추측할 수 있다. 
4. 방출된 호르몬에 생리적 반응이 일어나면 주변 개체로부터 나온 에틸렌에 의한 양성 피드백 작용이 일어나, 동시에 많은 호르몬이 방출될 수 있게 되어 과일이 빨리 성숙할 수 있다. 

 

2-2. 에틸렌의 작용 방식이 토마토의 번식에 어떤 진화적 이익을 제공할지 논하시오.

과일이 익은 후 종자를 퍼뜨리기 위해 열매는 색이나 향기 등에 변화를 일으킨다. 예를 들어 덜 익은 과일은 녹색을 띠어 잘 보이지 않지만, 열매가 익으면 눈에 확 띄는 빨간색 등의 색으로 변한다. 에틸렌은 이와 같은 과일 성숙을 조절하여 적절한 시기에 열매를 성숙시켜 씨앗을 퍼뜨리는 데 중요한 역할을 한다. 또한, 에틸렌은 식물이 외부 환경에 대처하는 생존 전략으로도 작용할 수 있다. 예를 들어, 토마토는 에틸렌을 사용해 주변 식물에게 '위험 신호'를 전달할 수 있다. 에틸렌이 식물들 사이에서 확산되어 다른 식물에게 도달하면, 해당 식물의 생리적 변화를 유도하고, 위험에 대처하 수 있는 전략을 취하도록 한다. 예를 들어, 주변에 해충이 있는 경우, 토마토는 에틸렌을 생산하여 주변 식물에게 전달해 방어전략을 취할 수 있도록 한다. 이러한 예방적 전략이 식물들이 더 효과적으로 씨앗을 적절한 시기에 퍼뜨릴 수 있도록 하는 진화적 이익을 제공했을 것이다. 

 

2-3. 열매 후숙이 천천히 일어나는 토마토를 개발 중인 철수 삼촌은 두 종류의 서로 다른 반응을 보이는 후숙 지연 토마토 돌연변이체를 찾아냈다. A 그룹의 후숙 지연 돌연변이체는 에틸렌을 처리하면 열매 후숙이 잘 일어난다. 반면 B 그룹의 후숙 지연 돌연변이체는 에틸렌을 처리해도 여전히 후숙이 잘 일어나지 못한다. 이 두 그룹 토마토 돌연변이체의 차이는 어디에서 기인한 것인지 추론하시오.

A 그룹의 에틸렌을 처리했을 때, 후숙이 잘 일어나는 것으로 보아, 에틸렌 생성에 돌연변이가 일어났을 것이다. 반면, B 그룹은 에틸렌을 처리해도 여전히 후숙이 잘 일어나지 못하는 것으로 보아, 식물 호르몬 에틸렌에 반응하는 수용체에 돌연변이가 있어, 에틸렌의 유무에 상관없이 반응하지 못할 것이다.

 

2-4. 식물 X에는 동일한 기능을 수행하는 에틸렌 수용체 유전자 E1, E2, E3 세 가지가 있으며, 각각 결실된 열성 돌연변이인 e1, e2, e3에 대한 정상 대립유전자다. 이를 바탕으로 다음에 답하시오.

 

2-4a. 식물 X의 교배 과정에서 e1e2/E2E2/E3E3의 유전자형을 가지는 개체를 선별하였다. 이 개체의 에틸렌에 대한 반응을 관찰한 결과 정상 표현형을 나타내는 것을 확인하였다. 정상 표현형을 가지는 이유에 대해서 논의하시오. 

E1, E2, E3 유전자가 각각 동일한 기능을 수행하는 에틸렌 수용체를 단백질을 암호화하는 유전자라면, 열성 돌연변이 대립유전자 e1으로부터 에틸렌 수용체를 합성하지 못하더라도, 4개의 E2, E3 대립유전자로부터 에틸렌 수용체 단백질을 합성할 수 있다. 만일, 정상 대립 유전자의 수가 적지만, 적은 수의 유전자 발현을 통해 일정 수준 이상의 에틸렌 수용체 단백질 합성할 수 있고, 이것만으로도 정상 표현형을 나타내기에 충분하다면, 유전자형이 e1e/E2 E2/E3E3일지라도 정상 표현형을 보일 수 있다. 

 

2-4b. 식물 X에는 에틸렌에 반응하지 못하는 에틸렌 수용체 돌연변이 E1'이 있으며 이는 정상 대립유전자 E1에 대한 우성 돌연변이다. 식물 X의 교배 과정에서 E1'E1/E2/E2/E3/E3의 유전자형을 가지는 개체를 확인하였다. 이 개체의 에틸렌에 대한 반응을 예측하고([표 3] 실험번호 2의 ?에 O,X로 표시하시오), 그 이유를 설명하시오. (단, E1'는 우성 돌연변이며, e1, e2, e3, c1은 각각 정상 대립유전자가 결실된 연설 돌연변이다. 표 안의 +는 야생형 정상 유전자를 의미하며, m은 해당 돌연변이를 의미한다. 에틸렌 반응의 O는 에틸렌 반응을 보임, X는 에틸렌 반응을 보이지 않음을 의미한다.)

[표 3] 에틸렌 반응 관련 돌연변이의 조합과 에틸렌 반응 여부 실험 결과

E1' 돌연변이는 우성 돌연변이이며, 표현형이 에틸렌에 반응하지 못하는 수용체를 가지는 것이므로, E1' 돌연변이를 가지면, 에틸렌의 유무와 상관없이 에틸렌에 반응하지 않는다(따라서 실험번호 2의 ?는 모두 X이다). 

 

2-4c. 식물 X에는 에틸렌의 처리 유무에 상관없이 항상 에틸렌 반응을 나타내는 돌연변이 c1이 있으며, 이는 정상 대립유전자 C1이 결실된 열성 돌연변이다. E1', e1, e2, e3, c1 의 돌연변이들 간의 조합에서 에틸렌 반응 유무를 위의 [표3]로 나타내었다. 이때, C1의 작용을 에틸렌 처리 유무에 따라 어떻게 작용하는지 유추하여 위의 [그림 2]의 해당하는 빈 칸(ㅁ)에 네 개의 기호 중 하나를 이용하여 표시하시오.

 

2-4d. 단백질을 정제하여 실험한 결과, E1 단백질은 에틸렌과 잘 결합하나, E1' 돌연변이 단백질은 에틸렌과 결합하지 못하는 결과를 얻었다. 이 정보와 [표 3]의 유전적 분석 결과를 보고 에틸렌 수용체 E1, E2, E3와 C1이 어떻게 에틸렌 반응을 조절하는지 유추하여 위의 [그림 2]의 나머지 빈 칸(ㅁ)의 네 개의 기호 중 하나를 이용하여 표시하시오. 

[그림 2] 식물 X의 에틸렌 반응 모식도

1. 수용체 E1의 활성화와 유전자 C1의 발현 조절은 어떤 관계가 있는가?

c1 돌연변이는 C1 유전자의 결실에 의한것이다. 실험 3을 보면, c1 돌연변이 개체의 표현형은 에틸렌이 없을 때에도 에틸렌 반응을 보이므로, C1 유전자는 E1을 매개로 발현/억제되어 에틸렌 반응 조절 기능을 수행해야 한다. 따라서 다음과 같은 해석이 가능하다.

1) 에틸렌이 없는 상태에서는 E1 수용체가 C1 유전자 발현을 억제하여 에틸렌 반응이 일어나지 않는다. (에틸렌 반응은 C1 수용체가 있어야 나타난다.)
2) 에틸렌이 있는 상태에서는 E1 수용체에 의한 C1 유전자 발현 억제가 사라져, C1 유전자를 통한 C1 수용체가 만들어지고, 결과적으로 에틸렌 반응이 일어나도록 한다.

2. 수용체 E1'의 활성화와 유전자 C1의 발현 조절은 어떤 관계가 있는가?

E1' 돌연변이는 에에틸렌을 정상적으로 인지하지 못하는 수용체다. 따라서 에틸렌이 존재하는 상태에서도 C1 유전자 발현에 대한 지속적인 발현 억제를 일으키고, 결과적으로 C1 유전자 유전자의 발현이 억제되면서 C1 수용체가 만들어지지 않아 에틸렌 반응이 나타나지 않는다. 

다음 내용을 종합하여 그림으로 표현하면, 다음과 같다. 

 

에틸렌 수용체 예상 경로

 

2-5. 토마토 Never ripe 돌연변이체는 열매 후숙이 되지 않는 우성 돌변이다. Never ripe 유전자는 에틸렌에 결합하여 에틸렌 반응을 일으키는 에틸렌 수용체 막 단백질을 암호화 하고 있다. 토마토 유전체에는 동일한 기능을 하는 에틸렌 수용체 유전자가 최소 3개가 더 있다. 철수 삼촌도 Never ripe 돌연변이 토마토를 여러 종류를 찾았는데 모두 우성 돌연변이였다. 왜 우성 돌연변이가 주로 발견되는지 논리적으로 유추해 보시오.

 우성 돌연변이의 경우, 다른 동일한 기능을 하는 정상 대립유전자 조합이 있더라도 우성 돌연변이 대립유전자에 의하여 표현형이 결정된다. 즉, Never ripe 돌연변이 유전자를 가진 돌연변이체는 동일한 기능을 하는 에틸렌 수용체 유전자 3개의 유전자형이 어떠하든 간에 토마토의 후숙이 일어나지 않는다.
 반면, 열성 돌연변이의 경우, 동일한 기능을 하는 유전자중 그 어떠한 것이라도 우성 유전자를 가지고 있다면 정상 표현형으로 나타날 수 있다. 따라서 Never ripe 유전자가 정상임에도 불구하고 토마토의 후숙이 일어나지 않는다면, 동일한 기능을 하는 모든 에틸렌 수용체 유전자의 대립유전자쌍에 돌연변이가 있어야 한다.
 따라서 관찰하고자 하는 토마토 개체들 내의 돌연변이 대립유전자의 빈도 수가 동일하다면, 후숙이 일어나지 않는 임의의 토마토의 유전자형을 확인했을 때, 그 개체가 Never ripe 유전자 돌연변를 가지고 있을 개체일 확률이 높다. 

 

[참조] 식물 호르몬 에틸렌 반응 경로

• 에틸렌이 ETR1 수용체에 결합하면, CTR1을 활성화한다. 
  • ETR1이 E1 수용체를 의미하고, CTR1이 C1 수용체를 의미한 것이 아니었을까?
• 에틸렌이 없는 경우 ETR1은 CTR1을 억제된 상태로 유지시킨다.
• CTR1의 활성은 에틸렌 반응을 일으키는 유전자들을 활성화 시켜, 에틸렌 반응을 일으킨다.