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DNA는 훼손되면 안 되는 희귀 원서와 같은 존재입니다. 따라서 세포는 이 귀중한 원본을 직접 사용하지 않고, 필요할 때마다 그 내용을 옮겨 적은 RNA를 활용합니다. RNA는 마치 스캔된 파일처럼, 원본을 대신해 실제 현장에서 쓰이는 복사본의 역할을 합니다. 원본(DNA)은 안전하게 보존되고, 복사본(RNA)은 다양한 생리적 상황에서 활용됩니다. 그리고 마지막 단계에서 RNA를 토대로 합성된 단백질은 마치 ‘보고서’와 같습니다. 같은 책을 참고하더라도 사람마다 다른 보고서를 쓰듯이, 세포도 어떤 유전자를 어떻게 발현했는지에 따라 서로 다른 종류의 단백질을 합성해 낼 수 있고, 결과적으로 동일한 유전 정보를 가지는 한 개체의 세포들인데도 형태와 기능이 달라질 수 있습니다. 

이처럼 DNA의 유전정보가 RNA로 전달되고, RNA가 단백질 합성에 관여하며, 이러한 유전 정보의 흐름이 한 방향으로만 진행된다는 원리를 ‘생명중심원리(central dogma)’라고 합니다. DNA의 기본 단위인 뉴클레오타이드는 인산기, 5탄당인 디옥시리보스, 그리고 하나의 염기로 이뤄져 있습니다. 이때 인산기와 디옥시리보스는 모든 뉴클레오타이드에 공통으로 존재하지만, 염기의 종류는 A, G, C, T의 4가지로 구분됩니다. 염기의 종류는 4가지뿐이지만 이 염기들이 3개씩 모여서 하나의 아미노산을 지정하는 암호인 ‘3염기 조합(triplet code)’으로 작용하기 때문에, 총 64가지의 유전부호를 만들어낼 수 있습니다. 

DNA의 유전 정보가 RNA로 전달되는 것을 ‘전사(transcription)’라고 합니다. DNA는 유전 정보를 안정적으로 보존하기 위해 이중나선 구조를 가지므로, 전사가 일어나기 위해서는 DNA의 이중나선이 풀리면서 염기와 염기 사이의 수소결합이 끊어져야 합니다. 이렇게 풀어진 두 가닥 중 한 가닥이 주형 가닥으로 작용해, DNA의 염기와 상보적인 염기를 가진 RNA 뉴클레오타이드가 결합합니다. RNA의 기본단위 역시 인산기, 5탄당인 리보스 그리고 하나의 염기로 구성되는데, RNA는 DNA와는 달리 ‘U(유라실)’을 가지며, ‘T’는 갖지 않습니다. 따라서 전사 과정 중 DNA의 주형 가닥에 A가 나타나면, U를 가진 RNA 뉴클레오타이드가 상보적으로 결합합니다. 이렇게 형성된 RNA 가닥은 A, G, C, U 4가지 염기로 이뤄진 염기서열을 갖게 됩니다.

DNA의 트리플렛 코드는 전사를 통해 RNA의 ‘코돈’으로 전환됩니다. 64종류의 코돈 중 61종류는 아미노산을 지정하며, 그 중 메싸이오닌을 지정하는 ‘AUG’는 단백질 합성을 시작하는 신호로 작용하는 ‘개시코돈’입니다. 나머지 3종류의 코돈(UAA, UAG, UGA)은 특정 아미노산을 지정하지 않고, 단백질 합성의 종료 신호로 작용하므로 ‘종결코돈’이라고 부릅니다.

핵이 있는 진핵 세포에서 DNA는 핵 안에 존재하므로 전사는 핵 내부에서 일어납니다. 전사를 통해 합성된 RNA는 핵막에 있는 구멍(핵공)을 통해 핵 밖의 세포질로 이동합니다. 이동한 RNA는 라이보솜과 결합해 단백질 합성에 참여하게 됩니다. 라이보솜에서는 RNA에 기록된 코돈이 지정하는 아미노산들이 차례대로 연결됩니다. 아미노산과 아미노산은 서로 펩타이드 결합을 통해 연결되며, 이렇게 형성된 긴 아미노산 사슬은 특정한 구조로 접히면서 단백질이 됩니다. 그리고 특정 입체 구조를 가지는 단백질은 각각 특정한 기능을 가집니다.

DNA에서 RNA로의 정보 전달은 뉴클레오타이드라는 동일한 물질 단위와 염기서열이라는 같은 정보 체계를 이용합니다. 그러나 RNA에 저장된 정보가 단백질로 전환될 때는 아미노산이라는 전혀 다른 물질이 사용되며, 염기서열이 아미노산 서열로 전환됩니다. 이와 같은 과정은 RNA의 염기 정보라는 하나의 ‘언어’가 단백질의 아미노산 서열이라는 또 다른 ‘언어’로 바뀌는 것과 같으므로 ‘번역(translation)’이라고 부릅니다. 

한 개체가 가지는 모든 세포는 핵 안에 동일한 유전자들을 가지고 있습니다. 각각의 세포들에서 모든 유전자가 동시에 전사되고 번역되는 것일까요? 만약 그렇다면 한 개체를 구성하는 모든 세포가 똑같은 단백질을 만들어 내고, 결국 똑같은 모양과 기능을 가지는 세포로만 구성됐을 것입니다. 

하지만 실제로 각각의 세포들은 필요한 유전자만 선택적으로 전사, 번역합니다. 즉, 세포는 핵 속에 들어있는 모든 유전자 중 그 세포가 필요로 하는 부분만 활용해, 필요한 단백질을 적정량 합성합니다. 그 결과, 동일한 유전 정보를 공유하는 세포라도 발현되는 단백질의 종류와 양이 달라집니다. 바로 이 차이가 세포의 모양과 기능을 결정합니다.

이처럼 우리는 모두 하나의 수정란에서 시작했지만, 발생 과정에서 세포들이 서로 다른 유전자 조절 프로그램을 따르며 다양한 세포로 분화합니다. 그리고 이러한 세포들이 모여 조직을 이루고, 조직이 모여 기관을 형성하며, 결국 고도로 체계적인 개체가 완성되는 것입니다.  우리가 살고 있는 세상은 일정한 질서를 따라 끊임없이 변화하면서도 그 안에서 지속성을 유지하는 체계인 ‘시스템’으로 구성돼 있습니다. 생명체 역시 다양한 규모의 시스템 안에서 생명 시스템을 유지하는 것이 매우 중요하며, 세포 내 정보의 적절한 흐름은 생명 시스템을 유지하는 데 필수적인 요소라고 할 수 있습니다. 

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