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Gene Expression and Regulation · ⁨유전자 발현 및 조절⁩

AP Biology · ⁨AP 생물학⁩ · Topic 6 · ⁨주제 6⁩

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8:40

유전자 발현 및 조절

튜브 안의 흰 실은 실제 DNA이며, 일반적인 세포에서 추출되었습니다. 그것은 아무것도 보이지 않습니다. 하지만 그것은 당신의 몸이 평생 필요할 모든 지시를 담고 있습니다.…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

6.1

DNA and RNA Structure · ⁨DNA 및 RNA 구조⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 6.1.A: Describe the structures involved in passing hereditary information from one generation to the next.

  • 6.1.A.1 Genetic information is stored in and passed to subsequent generations through DNA molecules and, in some cases, RNA molecules.
    • 6.1.A.1.i Prokaryotic organisms typically have circular chromosomes.
    • 6.1.A.1.ii Eukaryotic organisms typically have multiple linear chromosomes that are comprised of DNA. These chromosomes are condensed using histones and associated proteins.
  • 6.1.A.2 Prokaryotes and eukaryotes can contain plasmids, which are extra-chromosomal circular molecules of DNA.

Learning Objective 6.1.B: Describe the characteristics of DNA that allow it to be used as hereditary material.

  • 6.1.B.1 Nucleic acids exhibit specific nucleotide base pairing that is conserved through evolution.
    • 6.1.B.1.i Purines (guanine and adenine) have a double ring structure.
    • 6.1.B.1.ii Pyrimidines (cytosine, thymine, and uracil) have a single ring structure.
    • 6.1.B.1.iii Purines pair with pyrimidines: adenine with thymine (or uracil in RNA) and guanine with cytosine.
한국어

지속적 이해 (BIG IDEA 3 — 정보 저장 및 전송): 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 6.1.A: 한 세대에서 다음 세대까지 유전 정보를 전달하는 데 관여하는 구조를 설명하십시오.

  • 6.1.A.1 유전 정보는 DNA 분자, 때로는 RNA 분자에 저장되어 후대에게 전달됩니다.
    • 6.1.A.1.i 원핵생물은 일반적으로 원형 염색체를 가집니다.
    • 6.1.A.1.ii 진핵생물은 일반적으로 DNA로 구성된 다수의 선형 염색체를 가집니다. 이 염색체는 히스톤 및 관련 단백질을 사용하여 응축됩니다.
  • 6.1.A.2 원핵생물과 진핵생물은 플라스미드를 포함할 수 있으며, 이는 염색체 외부의 원형 DNA 분자입니다.

학습 목표 6.1.B: DNA가 유전 물질로 사용될 수 있게 하는 그 특성을 설명하십시오.

  • 6.1.B.1 염기산은 진화를 통해 보존된 특정 염기 서열 쌍을 나타냅니다.
    • 6.1.B.1.i 퓨린(구아닌 및 아데닌)은 이중 고리 구조를 가집니다.
    • 6.1.B.1.ii 피리미딘(시토신, 티민 및 우라실)은 단일 고리 구조를 가집니다.
    • 6.1.B.1.iii 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룹니다: 아데닌은 티민(또는 RNA에서는 우라실)과, 구아닌은 시토신과 쌍을 이룹니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

DNA carries genetic information as a double helix 双螺旋 of two strands. Its nucleotides 核苷酸 pair by rule – A with T, G with C (complementary base pairing 互补配对) – so one strand specifies the other. The strands run antiparallel 反平行. RNA is single-stranded, uses uracil (U) instead of thymine, and has ribose sugar.

How the DNA is packaged differs between the domains, and the CED asks for both.

  • Prokaryotic organisms typically have a single circular chromosome 环状染色体 in the cytoplasm, often with extra small circles called plasmids.
  • Eukaryotic organisms typically have multiple linear chromosomes 线性染色体, and each is condensed by wrapping around proteins called histones 组蛋白. That packing is what fits two metres of DNA into a nucleus a few micrometres across — and because a tightly wound region is hard for the transcription machinery to reach, the packing is itself a level of gene regulation.
한국어
세포 추출물에서 침전된 DNA를 스풀링하는 모습 — DNA는 실제 관찰 가능한 분자임
세포 추출물에서 침전된 DNA를 스풀링하는 모습 — DNA는 실제 관찰 가능한 분자임

DNA는 두 가닥으로 이루어진 이중 나선 형태로 유전 정보를 담고 있습니다. 뉴클레오티드는 규칙에 따라 쌍을 이룹니다(A-T, G-C). 이를 상보적 염기쌍 매칭이라 하며, 한 가닥이 다른 한 가닥을 지정합니다. 두 가닥은 반대 방향으로 배열됩니다. RNA는 단일 가닥이며, 타이민 대신 우라실(U)을 사용하고 리보스 당을 포함합니다.

상보적 염기쌍 매칭으로 연결된 두 개의 반대 방향 가닥을 가진 DNA
상보적 염기쌍 매칭으로 연결된 두 개의 반대 방향 가닥을 가진 DNA

DNA의 포장 방식은 도메인마다 다르며, CED는 두 경우 모두 요구합니다.

  • 원핵생물은 일반적으로 세포질 내에 단일 원형 염색체를 가지며, 종종 플라스미드라고 불리는 작은 추가 원형 DNA를 포함하기도 합니다.
  • 진핵생물은 일반적으로 여러 직선형 염색체를 가지며, 각 염색체는 히스톤이라고 하는 단백질 주위로 감겨 응축됩니다. 이러한 포장은 2미터 길이의 DNA를 몇 마이크로미터 크기의 핵 안에 들어오게 하는 데 기여하며, 조밀하게 감겨 있는 영역은 전사 기계가 접근하기 어렵기 때문에, 포장 자체도 하나의 유전자 조절 수준으로 작용합니다.
6.2

DNA Replication · ⁨DNA 복제⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 6.2.A: Describe the mechanisms by which genetic information is copied for transmission between generations.

  • 6.2.A.1 DNA replication ensures continuity of hereditary information.
    • 6.2.A.1.i DNA is synthesized in the 5' to 3' direction.
    • 6.2.A.1.ii Replication is a semiconservative process, meaning one strand of DNA serves as the template for a new strand of complementary DNA.
    • 6.2.A.1.iii Helicase unwinds the DNA strands.
    • 6.2.A.1.iv Topoisomerase relaxes supercoiling in front of the replication fork.
    • 6.2.A.1.v DNA polymerase requires RNA primers to initiate DNA synthesis.
    • 6.2.A.1.vi DNA polymerase synthesizes new strands of DNA continuously on the leading strand and discontinuously on the lagging strand.
    • 6.2.A.1.vii Ligase joins the fragments on the lagging strand.
    • Exclusion statement: The names of the steps and particular enzymes involved, excluding DNA polymerase, ligase, RNA polymerase, helicase, and topoisomerase, are beyond the scope of the AP Exam.
한국어

지속적 이해 (BIG IDEA 3 — 정보 저장 및 전송): 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 6.2.A: 유전 정보가 세대 간에 전달되도록 복사되는 메커니즘을 설명하십시오.

  • 6.2.A.1 DNA 복제는 유전 정보의 연속성을 보장합니다.
    • 6.2.A.1.i DNA는 5'에서 3' 방향으로 합성됩니다.
    • 6.2.A.1.ii 복제는 반보존적 과정으로, DNA의 한 가닥이 새로운 상보적 DNA 가닥의 템플릿 역할을 합니다.
    • 6.2.A.1.iii 헬리케이스는 DNA 가닥을 풀어서解开합니다.
    • 6.2.A.1.iv 토포이소메라제는 복제 포크 앞의 초나선(supercoiling)을 완화합니다.
    • 6.2.A.1.v DNA 중합효소는 DNA 합성을 시작하기 위해 RNA 프라이머가 필요합니다.
    • 6.2.A.1.vi DNA 중합효소는 리딩 가닥에서는 새로운 DNA 가닥을 연속적으로, 라깅 가닥에서는 불연속적으로 합성합니다.
    • 6.2.A.1.vii 라이게이스는 라깅 가닥의 조각들을 연결합니다.
    • 제외 사항: DNA 중합효소, 라이게이스, RNA 중합효소, 헬리케이스, 토포이소메라제를 제외한 단계의 명칭 및 관련 특정 효소에 대한 내용은 AP 시험 범위를 벗어납니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Before a cell divides, DNA is copied semiconservatively 半保留复制: the helix unwinds and each old strand templates a new one, so each daughter helix has one old and one new strand. DNA polymerase 聚合酶 adds nucleotides following base-pairing rules, building the new strand and proofreading as it goes.

한국어

세포가 분열하기 전에 DNA는 반보존적으로 복제됩니다: 이중 나선이 풀리고 각 원래 가닥이 새로운 가닥의 템플릿이 되어, 각 자손 이중 나선에 원래 가닥 하나와 새 가닥 하나가 포함됩니다. DNA 중합효소는 염기쌍 매칭 규칙에 따라 뉴클레오티드를 추가하여 새 가닥을 합성하면서 동시에 오류를 교정합니다.

복제 지점에서 일어나는 반보존적 DNA 복제
복제 지점에서 일어나는 반보존적 DNA 복제
6.3

Transcription and RNA Processing · ⁨전사 및 RNA 가공⁩

Syllabus
Big IdeaLearning ObjectiveEssential Knowledge

Big Idea 3 — Information Storage and Transmission
Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

6.3.A
Describe the mechanisms by which genetic information flows from DNA to RNA to protein.

  • 6.3.A.1 The sequence of the RNA bases, together with the structure of the RNA molecule, determines RNA function.
    • 6.3.A.1.i Messenger RNA (mRNA) molecules carry information from DNA in the nucleus to the ribosome in the cytoplasm.
    • 6.3.A.1.ii Distinct transfer RNA (tRNA) molecules bind specific amino acids and have anticodon sequences that base pair with the codons of mRNA. tRNA is recruited to the ribosome during translation to generate the primary peptide sequence based on the mRNA sequence.
    • 6.3.A.1.iii Ribosomal RNA (rRNA) molecules are functional building blocks of ribosomes.
  • 6.3.A.2 RNA polymerases use a single template strand of DNA to direct the inclusion of bases in the newly formed RNA molecule. This process is known as transcription.
  • 6.3.A.3 The enzyme RNA polymerase synthesizes mRNA molecules in the 5' to 3' direction by reading the template DNA strand in the 3' to 5' direction.
  • 6.3.A.4 In eukaryotic cells the mRNA transcript undergoes a series of enzyme-mediated modifications.
    • 6.3.A.4.i The addition of a poly-A tail makes mRNA more stable.
    • 6.3.A.4.ii The addition of a GTP cap helps with ribosomal recognition.
    • 6.3.A.4.iii The excision of introns, along with the splicing and retention of exons, generates different versions of the resulting mature mRNA molecule. This process is known as alternative splicing.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Transcription 转录 copies a gene's DNA into messenger RNA 信使RNA (mRNA). RNA polymerase reads the template strand and builds a complementary RNA. In eukaryotes the mRNA is then processed: a cap and tail are added, and introns 内含子 (non-coding parts) are spliced out, leaving the exons 外显子.

The 5′ cap added during processing is a modified guanine nucleotide — a GTP cap — and its job is recognition: it helps the ribosome recognise and bind the mRNA, as well as protecting the transcript from degradation as it leaves the nucleus.

한국어

전사는 유전자의 DNA를 메신저 RNA(mRNA)로 복사합니다. RNA 중합효소가 템플릿 가닥을 읽어서 상보적인 RNA를 합성합니다. 진핵생물에서 mRNA는 이후 가공됩니다: 캡과 꼬리가 추가되고, 인트론(비코딩 부분)이 제거되어 엑손만이 남습니다.

인트론이 제거되고 엑σον이 결합되어 성숙한 mRNA가 형성됨
인트론이 제거되고 엑ซอน이 결합되어 성숙한 mRNA가 형성됨

가공 과정에서 추가되는 5′ 캡은 변형된 구아닌 뉴클레오티드인 GTP 캡이며, 그 기능은 인식입니다: 이는 리보솜이 mRNA를 인식하고 결합하도록 돕는 동시에, 전사 산물이 핵을 빠져나갈 때 분해를 방지합니다.

Explore · ⁨탐색하기⁩

Transcribe DNA into messenger RNA · ⁨DNA를 메신저 RNA로 전사하기⁩

Transcription copies a DNA template into mRNA, pairing A→U, T→A, C→G, G→C. Step through to build the RNA strand base by base. · ⁨전사는 DNA 템플릿을 mRNA로 복사합니다(A→U, T→A, C→G, G→C). 단계를 따라 염기별로 RNA 가닥을 만들어 보세요.⁩

6.4

Translation · ⁨번역⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 6.4.A: Explain how the phenotype of an organism is determined by its genotype.

  • 6.4.A.1 Translation of the mRNA to generate a polypeptide occurs on ribosomes that are present in the cytoplasm of both prokaryotic and eukaryotic cells, as well as the cytoplasmic surface of the rough ER of eukaryotic cells.
  • 6.4.A.2 In prokaryotic organisms, translation of the mRNA molecule occurs while it is being transcribed.
  • 6.4.A.3 Translation involves many sequential steps, including initiation, elongation, and termination. The salient features of translation include:
    • 6.4.A.3.i Translation is initiated when the rRNA in the ribosome interacts with the mRNA at the start codon (AUG, coding for the amino acid methionine).
    • 6.4.A.3.ii The sequence of nucleotides on the mRNA is read in triplets, called codons.
    • 6.4.A.3.iii Each codon encodes a specific amino acid, which can be deduced by using a genetic code chart. Many amino acids are encoded by more than one codon.
    • 6.4.A.3.iv Nearly all living organisms use the same genetic code, which is evidence for the common ancestry of all living organisms.
    • 6.4.A.3.v tRNA brings the correct amino acid to the place specified by the codon on the mRNA.
    • 6.4.A.3.vi The amino acid is transferred to the growing polypeptide chain.
    • 6.4.A.3.vii The process continues along the mRNA until a stop codon is reached.
    • 6.4.A.3.viii Translation terminates with the release of the newly synthesized protein.
    • Exclusion statement: The details and names of the enzymes and factors involved in each of these steps are beyond the scope of the AP Exam.
    • Exclusion statement: Memorization of the genetic code, with the exception of the start codon AUG, is beyond the scope of the AP Exam.
  • 6.4.A.4 Genetic information in retroviruses is a special case and has an alternate flow of information: from RNA to DNA, made possible by reverse transcriptase, an enzyme that copies the viral RNA genome into DNA. This DNA integrates into the host genome and is transcribed and translated for the assembly of new viral progeny.
한국어

지속적 이해 (BIG IDEA 3 — 정보 저장 및 전송): 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 6.4.A: 생물의 표현형이 유전자형에 의해 어떻게 결정되는지 설명하십시오.

  • 6.4.A.1 mRNA의 번역을 통한 폴리펩타이드 생성은 원핵생물 및 진핵생물 세포 모두의 세포질에 존재하는 리보솜, 그리고 진핵생물 세포의 거친 ER 세포질 표면에서 이루어집니다.
  • 6.4.A.2 원핵생물에서 mRNA 분자의 번역은 전사가 진행되는 동안 동시에 일어납니다.
  • 6.4.A.3 번역은 initiation, elongation, termination을 포함한 여러 순차적 단계를 거칩니다. 번역의 주요 특징은 다음과 같습니다:
    • 6.4.A.3.i 리보솜의 rRNA가 시작 코돈(AUG, 아미노산 메티오닌을 코딩)에서 mRNA와 상호작용할 때 번역이 시작됩니다.
    • 6.4.A.3.ii mRNA上の 뉴클레오티드 서열은 코돈이라는 삼중체로 읽힙니다.
    • 6.4.A.3.iii 각 코돈은 특정 아미노산을 코딩하며, 유전 코드 표를 사용하여 이를 알 수 있습니다. 많은 아미노산은 하나의 코돈보다 더 많은 코돈에 의해 코딩됩니다.
    • 6.4.A.3.iv 거의 모든 생물은 동일한 유전 코드를 사용하므로, 이는 모든 생물이 공통 조상을 가졌음을 보여주는 증거입니다.
    • 6.4.A.3.v tRNA는 mRNA상의 코돈이 지시하는 위치에 정확한 아미노산을 가져옵니다.
    • 6.4.A.3.vi 아미노산은 성장 중인 폴리펩타이드 사슬로 전달됩니다.
    • 6.4.A.3.vii 이 과정은 mRNA를 따라 진행되어 정지 코돈에 도달할 때까지 계속됩니다.
    • 6.4.A.3.viii 번역은 새로 합성된 단백질이 방출됨으로써 종료됩니다.
    • 배제 문구: 이러한 각 단계에 관여하는 효소 및 인자의 세부 사항과 명칭은 AP 시험의 범위를 벗어납니다.
    • 배제 문구: 시작 코돈 AUG를 제외하고 유전 코드의 암기는 AP 시험의 범위를 벗어납니다.
  • 6.4.A.4 역전사 바이러스의 유전 정보는 특수한 사례로서, 역전사효소라는 효소에 의해 바이러스 RNA 게놈이 DNA로 복제되어 RNA에서 DNA로의 정보 흐름이 가능합니다. 이 DNA는 숙주 게놈에 통합되며, 새로운 바이러스 자손의 조립을 위해 전사되고 번역됩니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Translation 翻译 builds a protein from the mRNA at the ribosome 核糖体. The mRNA is read in three-base codons 密码子, each specifying one amino acid (the genetic code). Transfer RNA 转运RNA brings the matching amino acid, and the ribosome links them into a polypeptide until a stop codon ends it. This is the "central dogma": DNA → RNA → protein.

한국어

번역은 리보솜에서 mRNA를 사용하여 단백질을 합성합니다. mRNA는 3개의 염기로 구성된 코돈 단위로 읽히며, 각 코돈은 하나의 아미노산을 지정합니다(유전 코드). tRNA는 해당 아미노산을 가져와 리보솜이它們을 폴리펩타이드 사슬로 연결합니다. stop codon이 도달할 때까지这个过程 continues. 이것이 "중심 도마"입니다: DNA → RNA → 단백질.

리보솜이 mRNA를 읽어 아미노산으로부터 단백질을 합성하는 모습
리보솜이 mRNA를 읽어 아미노산으로부터 단백질을 합성하는 모습
6.5

Regulation of Gene Expression · ⁨유전자 발현 조절⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 6.5.A: Describe the types of interactions that regulate gene expression.

  • 6.5.A.1 Regulatory sequences are stretches of DNA that interact with regulatory proteins to control transcription. Some genes are constitutively expressed, and others are inducible.
  • 6.5.A.2 Epigenetic changes can affect gene expression through reversible modifications of DNA or histones.
  • 6.5.A.3 The phenotype of a cell or an organism is determined by the combination of genes that are expressed and the levels at which they are expressed.
    • 6.5.A.3.i Observable cell differentiation results from the expression of genes for tissue-specific proteins.
    • 6.5.A.3.ii Induction of transcription factors during development results in sequential gene expression.
    • 6.5.A.3.iii The function and amount of gene products determine the phenotype of organisms.

Learning Objective 6.5.B: Explain how the location of regulatory sequences relates to their function.

  • 6.5.B.1 Both prokaryotes and eukaryotes have groups of genes that are coordinately regulated.
    • 6.5.B.1.i Prokaryotes regulate operons in an inducible or repressible system.
    • 6.5.B.1.ii In eukaryotes, groups of genes may be influenced by the same transcription factors to coordinately regulate expression.
한국어

지속적 이해 (BIG IDEA 3 — 정보 저장 및 전송): 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 6.5.A: 유전자 발현을 조절하는 상호작용의 유형을 설명하시오.

  • 6.5.A.1 조절 서열은 전사를 조절하기 위해 조절 단백질과 상호작용하는 DNA의 일부분입니다. 어떤 유전자는 상시 발현되고, 다른 유전자는 유도될 수 있습니다.
  • 6.5.A.2 엠퍼리젯틱 변화는 DNA나 히스톤의 가역적 수정을 통해 유전자 발현에 영향을 미칠 수 있습니다.
  • 6.5.A.3 세포 또는 생물의 표현형은 발현되는 유전의 조합과 그 발현 수준에 의해 결정됩니다.
    • 6.5.A.3.i 관찰 가능한 세포 분화는 조직 특이적 단백질에 대한 유전자의 발현에 의해 발생합니다.
    • 6.5.A.3.ii 발달 과정에서 전사 인자의 유도는 sequential gene expression(순차적 유전자 발현)를 유발합니다.
    • 6.5.A.3.iii 유전자 산물의 기능과 양은 생물의 표현형을 결정합니다.

학습 목표 6.5.B: 조절 서열의 위치가 기능과 어떻게 관련되는지 설명하시오.

  • 6.5.B.1 원핵생물과 진핵생물 모두 co-ordinatedly regulated(조율적으로 조절되는) 유전자 그룹을 가지고 있습니다.
    • 6.5.B.1.i 원핵생물은 inducible or repressible system(유도 시스템 또는 억제 시스템)에서 operons(オペ론)를 조절합니다.
    • 6.5.B.1.ii 진핵생물에서 유전자 그룹은 동일한 전사 인자에 의해 영향을 받아 expression(발현)을 co-ordinatedly regulate(조율적으로 조절)할 수 있습니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Cells control which genes are expressed and when. In prokaryotes, operons 操纵子 switch groups of genes on or off. In eukaryotes, regulation happens at many levels – which genes are transcribed (transcription factors, promoters, enhancers), RNA processing, and after translation. This lets a cell respond to its environment without changing its DNA.

한국어

세포는 어떤 유전자가 발현되고 언제 발현될지를 제어합니다. 원핵생물에서는 오페론이 일련의 유전자를 켜거나 끕니다. 진핵생물에서는 여러 수준에서 조절이 이루어집니다: 어떤 유전자가 전사되는지(전사 인자, 프로모터, 엔핸서), RNA 가공, 그리고 번역 후 단계. 이로 인해 세포는 DNA를 변경하지 않고도 환경에 반응할 수 있습니다.

락 오페론은 락토스가 존재할 때만 유전자를 켭니다
락 오페론은 락토스가 존재할 때만 유전자를 켭니다
6.6

Gene Expression and Cell Specialization · ⁨유전자 발현 및 세포 특화⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 6.6.A: Explain how the binding of transcription factors to promoter regions affects gene expression and the phenotype of the organism.

  • 6.6.A.1 RNA polymerase and transcription factors bind to promoter or enhancer DNA sequences to initiate transcription. These sequences can be upstream or downstream of the transcription start site.
  • 6.6.A.2 Negative regulatory molecules inhibit gene expression by binding to DNA and blocking transcription.

Learning Objective 6.6.B: Explain the connection between the regulation of gene expression and phenotypic differences in cells and organisms.

  • 6.6.B.1 Gene regulation results in differential gene expression and influences cell products and functions.
  • 6.6.B.2 Certain small RNA molecules have roles in regulating gene expression.
한국어

지속적 이해 (BIG IDEA 3 — 정보 저장 및 전송): 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 6.6.A: transcription factors(전사 인자)가 promoter regions(프로모터 영역)에 결합하는 것이 유전자 발현과 생물의 표현형에 미치는 영향을 설명하시오.

  • 6.6.A.1 RNA 중합효소와 transcription factors(전사 인자)는 promoter 또는 enhancer DNA 서열에 결합하여 transcription(전사)을 시작합니다. 이러한 서열은 transcription start site(전사 시작 부위)의 upstream 또는 downstream에 있을 수 있습니다.
  • 6.6.A.2 부정적 조절 분자는 DNA에 결합하여 transcription(전사)을 차단함으로써 유전자 발현을 억제합니다.

학습 목표 6.6.B: 유전자 발현 조절과 세포 및 생물의 표현형 차이 간의 연결성을 설명하시오.

  • 6.6.B.1 유전자 조절은 differential gene expression(상이 유전자 발현)을 유발하고 세포 산물 및 기능에 영향을 미칩니다.
  • 6.6.B.2 특정 small RNA molecules(소형 RNA 분자)는 유전자 발현 조절에 역할을 합니다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Every cell in a body has the same DNA, yet cells differ because they express different genes – differential gene expression 差异表达. This is how one fertilized egg produces many specialized cell types (muscle, nerve, skin); signals during development turn specific genes on and off.

한국어

몸의 모든 세포는 같은 DNA를 가지고 있지만, 서로 다른 유전자를 발현하기 때문에 세포는 서로 다릅니다. 이를 차별적 유전자 발현이라고 합니다. 이것이 한 개체란이 근육, 신경, 피부와 같은 다양한 특수화된 세포 유형을 생성하는 방법입니다. 발달 과정에서 신호가 특정 유전자를 켜고 끄는 역할을 합니다.

줄기세포가 특수화된 세포 유형으로 분화하는 모습
줄기세포가 특수화된 세포 유형으로 분화하는 모습
6.7

Mutations · ⁨돌연변이⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 6.7.A: Describe the various types of mutation.

  • 6.7.A.1 Alterations in a DNA sequence are mutations that can cause changes in the type or amount of the protein produced and the consequent phenotype. DNA mutations can be beneficial, detrimental, or neutral based on the effect or the lack of effect they have on the resulting nucleic acid or protein and the phenotypes that are conferred by the protein.
    • 6.7.A.1.i Point mutations occur when one nucleotide has been substituted for a different nucleotide.
    • 6.7.A.1.ii Frameshift mutations occur when one or more nucleotides are inserted or deleted, causing the reading frame to be shifted.
    • 6.7.A.1.iii Nonsense mutations occur when there is a point mutation that causes a premature stop.
    • 6.7.A.1.iv Silent mutations occur when the change in the nucleotide sequence has no effect on the amino acid sequence.
    • Illustrative examples for 6.7.A.1:
      • Mutations in the CFTR gene disrupt ion transport and result in cystic fibrosis.
      • Mutations in the MC1R gene give adaptive melanism in pocket mice.
    • Exclusion statement: Knowledge of specific mutations and their effects is beyond the scope of the AP Exam.

Learning Objective 6.7.B: Explain how changes in genotype may result in changes in phenotype.

  • 6.7.B.1 Errors in DNA replication or DNA repair mechanisms as well as external factors, including radiation and reactive chemicals, can cause random mutations in the DNA.
    • 6.7.B.1.i Whether a mutation is beneficial, detrimental, or neutral depends on the environmental context.
    • 6.7.B.1.ii Mutations are a source of genetic variation.
  • 6.7.B.2 Errors in mitosis or meiosis can result in changes in phenotype.
    • 6.7.B.2.i Changes in chromosome number resulting from nondisjunction often result in new phenotypes caused by triploidy (aneuploidy).
    • 6.7.B.2.ii Changes in chromosome number often result in disorders with developmental limitations.
    • 6.7.B.2.iii Alterations in chromosome structure lead to genetic disorders.
    • Exclusion statement: Knowledge of specific disorders related to changes in chromosome number is beyond the scope of the AP Exam.

Learning Objective 6.7.C: Explain how alterations in DNA sequences contribute to variation that can be subject to natural selection.

  • 6.7.C.1 Changes in genotype may affect phenotypes that are subject to natural selection. Genetic changes that enhance survival and reproduction can be selected for by environmental conditions.
    • 6.7.C.1.i The horizontal acquisitions of genetic information in prokaryotes via transformation (uptake of DNA), transduction (viral transmission of genetic information), conjugation (cell-to-cell transfer of DNA), and transposition (movement of DNA segments within and between DNA molecules) increase genetic variation.
    • 6.7.C.1.ii Related viruses can recombine genetic information if they infect the same host cell.
    • 6.7.C.1.iii Reproductive processes that increase genetic variation are evolutionarily conserved and are shared by various organisms.
    • Illustrative examples for 6.7.C.1: Sickle cell anemia
한국어

지속적 이해 (BIG IDEA 3 — 정보 저장 및 전송): 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 6.7.A: 다양한 유형의 돌연변이를 기술하시오.

  • 6.7.A.1 DNA 서열의 변화는 돌연변이이며, 생성되는 단백질의 종류 또는 양과 그에 따른 표현형의 변화를 초래할 수 있습니다. DNA 돌연변이는 resultant nucleic acid or protein( resulting 핵산이나 단백질)과 해당 단백질이 부여하는 표현형에 미치는 효과 또는 효과 부재에基于하여 유익하거나, 해롭거나, 중립적일 수 있습니다.
    • 6.7.A.1.i point mutations(점 돌연변이)는 하나의 뉴클레오티드가 다른 서로 다른 뉴클레오티드로 치환될 때 발생합니다.
    • 6.7.A.1.ii frameshift mutations(독독 프레임-shift 돌연변이)는 하나 이상의 뉴클레오티드가 삽입되거나 결실되어 reading frame(읽기 프레임)이 이동할 때 발생합니다.
    • 6.7.A.1.iii nonsense mutations(무의미 돌연변이)는 premature stop(조기 정지)을 유발하는 점 돌연변이가 있을 때 발생합니다.
    • 6.7.A.1.iv silent mutations(침묵 돌연변이)는 뉴클레오티드 서열의 변화가 아미노산 서열에 영향을 주지 않을 때 발생합니다.
    • 6.7.A.1을 위한 예시:
      • CFTR 유전자의 돌연변이는 이온 운송을 방해하여 cystic fibrosis(낭포성 섬유증)을 유발합니다.
      • MC1R 유전자의 돌연변이는 pocket mice(주머니 쥐)에서 adaptive melanism(적응적 멜라닌 증식)을 나타냅니다.
    • 배제 문구: 특정 돌연변이와 그 효과에 대한 지식은 AP 시험의 범위를 벗어납니다.

학습 목표 6.7.B: genotype(유전자형)의 변화가 phenotype(표현형)의 변화로 이어질 수 있는 이유를 설명하시오.

  • 6.7.B.1 DNA 복제 오류, DNA 수리 기작, 그리고 방사선 및 반응성 화학 물질과 같은 외부 요인은 DNA에 무작위 돌연변이를 유발할 수 있습니다.
    • 6.7.B.1.i 돌연변이가 유익하거나, 해롭거나, 중립적인지는 환경적 맥락에 따라 달라집니다.
    • 6.7.B.1.ii 돌연변이는 유전적 변이의 원천이다.
  • 6.7.B.2 분열분열 또는 감수분열의 오류는 표현형 변화로 이어질 수 있다.
    • 6.7.B.2.i 비분리(non-disjunction)로 인한 염색체 수의 변화는 삼배체(비상염색체성, aneuploidy)로 인해 새로운 표현형이 나타나는 경우가 많다.
    • 6.7.B.2.ii 염색체 수의 변화는 종종 발달 제한이 있는 장애를 유발한다.
    • 6.7.B.2.iii 염색체 구조의 변화는 유전 장애를 초래한다.
    • 제외 사항: 염색체 수 변화와 관련된 특정 장애에 대한 지식은 AP 시험 범위를 벗어난다.

학습 목표 6.7.C: DNA 서열의 변화가 자연선택의 대상이 될 수 있는 변이에 어떻게 기여하는지 설명하시오.

  • 6.7.C.1 유전형의 변화는 자연선택의 대상이 되는 표현형에 영향을 미칠 수 있다. 생존과 번식을 향상시키는 유전적 변화는 환경 조건에 의해 선택될 수 있다.
    • 6.7.C.1.i 전세균에서의 수평 유전 정보 획득(변환: DNA 흡수, 전도: 바이러스에 의한 유전 정보 전달, 접합: 세포 간 DNA 전달, 전이: DNA 내 및 DNA 간 DNA 절편 이동)은 유전적 다양성을 증가시킨다.
    • 6.7.C.1.ii 관련 바이러스는 동일한 숙주 세포에 감염될 경우 유전 정보를 재조합할 수 있다.
    • 6.7.C.1.iii 유전적 다양성을 증가시키는 생식 과정은 진화적으로 보존되어 있으며 다양한 생물체에 공유된다.
    • 6.7.C.1의 illustrative examples: sickle cell anemia

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A mutation 突变 is a change in the DNA sequence. Point mutations change one base (silent, missense, or nonsense); insertions/deletions can cause a frameshift 移码 that garbles everything downstream. Mutations in gametes are heritable; they may be harmful, neutral, or beneficial – and beneficial ones supply the variation for natural selection.

Whole-chromosome errors change the phenotype too. Mutation is not only a change of base: errors in mitosis or meiosis can result in changes in phenotype. If chromosomes fail to separate — nondisjunction 不分离 — a gamete receives an extra copy or none, and the resulting zygote has an abnormal chromosome number (aneuploidy 非整倍性). Trisomy 21 is the familiar example. Because a whole chromosome carries hundreds of genes, the phenotypic effect is far broader than a point mutation's.

한국어

돌연변이는 DNA 서열의 변화를 의미합니다. 점 돌연변이는 하나의 염기를 변경하며(침묵 돌연변이, 미스센스 돌연변이, 논센스 돌연변이), 삽입/삭제는下游의 모든 것을 망가뜨리는 프레임시프트를 유발할 수 있습니다. 배우자에서의 돌연변이는 유전되며, 해롭거나 중립적이거나 유익할 수 있으며, 유익한 돌연변이는 자연선택을 위한 변이를 제공합니다.

대체, 결실 및 삽입 돌연변이
대체, 결실 및 삽입 돌연변이

염색체 전체의 오류도 표현형에 영향을 미칩니다. 돌연변이는 염기 변화뿐만 아니라 유사분열이나 감수분열 중 발생한 오류가 표현형의 변화를 초래할 수 있습니다. 염색체가 분리되지 않아 **비분리(nondisjunction)**가 발생하면, 배자(게메트)는 추가된 염색체를 받거나 전혀 받지 못하며, 이로 인해 형성된 합자(지고트)는 비정상적인 염색체 수를 가지게 됩니다(비배수성, aneuploidy). 21번 삼염색체증은 이를 잘 보여주는 예입니다. 한 개의 염색체는 수백 개의 유전자를 포함하므로, 전체 염색체의 오류로 인한 표현형적 영향은 점 돌연변이의影響보다 훨씬 넓습니다.

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
mutation/mjuːˈteɪʃn/ 변이
frameshift/ˈfreɪmʃɪft/ 프레임 시프트(frameshift)
nondisjunction/ˌnɒndɪsˈdʒʌŋkʃn/ 비분리 현상
aneuploidy/ˈeɪnəplɔɪdi/ 비정배수
Biotechnology/ˌbaɪəʊtekˈnɒlədʒi/ 바이오기술(Biotechnology)
6.8

Biotechnology · ⁨생명공학⁩

Syllabus
English

Enduring Understanding (BIG IDEA 3 — Information Storage and Transmission): Living systems store, retrieve, transmit, and respond to information essential to life processes.

Learning Objective 6.8.A: Explain the use of genetic engineering techniques in analyzing or manipulating DNA.

  • 6.8.A.1 Genetic engineering techniques can be used to analyze and manipulate DNA and RNA.
    • 6.8.A.1.i Gel electrophoresis is a process that separates DNA fragments by size and charge.
    • 6.8.A.1.ii During polymerase chain reaction (PCR), DNA fragments are amplified by denaturing DNA, annealing primers to the original strand, and extending the new DNA molecule.
    • 6.8.A.1.iii Bacterial transformation introduces foreign DNA into bacterial cells.
    • 6.8.A.1.iv DNA sequencing technology determines the order of nucleotides in a DNA molecule. Typically, these techniques result in a DNA fingerprint that allows for the comparison of DNA sequences from various samples.
    • Illustrative examples for 6.8.A.1:
      • Amplified DNA fragments can be used to identify organisms and perform phylogenetic analysis.
      • Analysis of DNA can be used for forensic identification.
      • Genetically modified organisms include transgenic animals.
      • Gene cloning allows propagation of DNA fragments.
    • Exclusion statement: Knowledge of the details of each of these genetic engineering techniques is beyond the scope of the AP Exam.
한국어

지속적 이해 (BIG IDEA 3 — 정보 저장 및 전송): 생명 체계는 생명 과정에 필수적인 정보를 저장하고,检索하고, 전송하며, 반응한다.

학습 목표 6.8.A: DNA를 분석하거나 조작하기 위한 유전자 공학 기법의 활용을 설명하시오.

  • 6.8.A.1 유전자 공학 기법은 DNA와 RNA를 분석하고 조작하는 데 사용될 수 있다.
    • 6.8.A.1.i 겔 전기영동은 크기와 전하에 따라 DNA 조각을 분리하는 과정이다.
    • 6.8.A.1.ii 중합효소 연쇄 반응(PCR) 동안 DNA 조각은 DNA의变性(denaturing), 프라이머를 원본 가닥에 결합(annealing), 새로운 DNA 분자를 연장(extending)함으로써 증폭된다.
    • 6.8.A.1.iii 세균 변환(bacterial transformation)은 외源性 DNA를 세균 세포에 주입한다.
    • 6.8.A.1.iv DNA 서열 분석 기술은 DNA 분자의 뉴클레타이드 순서를 결정한다. 일반적으로 이러한 기술은 다양한 샘플의 DNA 서열을 비교할 수 있게 하는 DNA 지문(DNA fingerprint)을 산출한다.
    • 6.8.A.1의 illustrative examples:
      • 증폭된 DNA 조각은 생물 식별 및 계통 발생 분석에 사용될 수 있다.
      • DNA 분석은 법의학적 식별에 사용될 수 있다.
      • 유전자 수정 생물(GMO)에는 transgenic 동물이 포함된다.
      • 유전자 클로닝은 DNA 조각의 증식(전파)을 가능하게 한다.
    • 제외 사항: 이러한 각 유전자 공학 기법에 대한 상세 지식은 AP 시험 범위를 벗어난다.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨출처: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

Biotechnology 生物技术 tools manipulate genetic material: PCR 聚合酶链反应 copies DNA, gel electrophoresis 凝胶电泳 separates DNA fragments by size, restriction enzymes and cloning move genes between organisms, and CRISPR edits sequences. These techniques enable genetic testing, engineered organisms, and medical treatments.

Worked example. A template DNA strand 3'-TAC GGA TTC-5' is transcribed into mRNA 5'-AUG CCU AAG-3'. A ribosome reads three codons: AUG = Met (start), CCU = Pro, AAG = Lys — coding for Met–Pro–Lys. Changing the third base of a codon often gives the same amino acid, because the genetic code is degenerate, which softens the effect of many mutations.

Reading DNA identifies individuals. Because the number of repeats at certain non-coding loci varies from person to person, analysis of DNA can be used for forensic identification: amplify those regions by PCR, separate the fragments by gel electrophoresis, and compare the pattern of band positions with a reference sample. A match is a statement about probability rather than certainty, which is why several loci are tested rather than one.

한국어
열 순환기는 DNA를 증폭하기 위해(PCR) 시료를 반복적으로 가열하고 냉각함
열 순환기(PCR)가 시료를 반복적으로 가열하고 냉각하여 DNA를 증폭하는 모습
UV 광선 아래 아가로스 겔: 밝은 밴드로 크기에 따라 DNA 조각이 분리됨
UV 광선 아래 아가로스 겔: 밝은 밴드 형태로 크기에 따라 DNA 조각이 분리됨

생명공학 도구는 유전 물질을 조작합니다: PCR은 DNA를 복제하고, **겔 전동分离(gel electrophoresis)**는 크기에 따라 DNA 조각을 분리하며, **제한 효소(restriction enzymes)**와 클로닝은 생물 간에 유전자를 이동시키고, CRISPR은 서열을 편집합니다. 이러한 기술들은 유전자 검사, 공생 생물 제작 및 의학적 치료에 기여합니다.

겔 전기영동은 길이에 따라 DNA 조각을 분리함
겔 전동分离(gel electrophoresis)가 길이에 따라 DNA 조각을 분리함
폴리메라아프화합반응은 각 주기가 마다 DNA를 두 배로 늘림
중합효소 연쇄 반응(PCR)은 각 주기가 끝날 때마다 DNA 양을 두 배로 증가시킵니다

작은 예제. 템플릿 DNA 가닥 3'-TAC GGA TTC-5'이 mRNA 5'-AUG CCU AAG-3'로 전사됩니다. 리보솜은 세 개의 코돈을 읽습니다: AUG = Met (시작), CCU = Pro, AAG = Lys — 즉 Met–Pro–Lys를 코딩합니다. 코돈의 제3 염기를 변경하더라도 동일한 아미노산이 생성되는 경우가 많는데, 이는 유전 부호가 **중복(degenerate)**되어 있어 많은 돌연변이의 효과를 완화하기 때문입니다.

DNA를 읽으면 개인을 식별할 수 있습니다. 특정 비코딩 부위의 반복 횟수가 사람마다 다르므로, DNA 분석은 법의학적 신원 확인에 사용될 수 있습니다: PCR로 해당 부위를 증폭한 뒤, 겔 전동分离(gel electrophoresis)로 조각을 분리하고 밴드 위치 패턴을 기준 샘플과 비교합니다. 일치 여부는 확률에 대한 진술이지 확실성이 아니므로, 단일 부위가 아닌 여러 부위를 테스트하는 것입니다.

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
PCR/ˌpiː siː ˈɑː/ PCR
gel electrophoresis/dʒel ɪˌlektrəʊfɔːˈriːsɪs/ 겔 전기영동
6.8

Exam tips · ⁨시험 팁⁩

English
  • Know the central dogma DNA → RNA → protein: transcription makes mRNA, translation reads it in three-base codons at the ribosome.
  • Remember RNA is single-stranded and uses U instead of T; replication is semiconservative.
  • Every cell has the same DNA — cells differ because they express different genes (differential gene expression).
  • A mutation is a change in the DNA sequence and may be harmful, neutral, or beneficial (the raw material for selection).
  • Link biotech tools to their jobs: PCR copies DNA; gel electrophoresis separates fragments by size.
한국어
  • 중심 명제(central dogma) DNA → RNA → 단백질을 알고 있어야 합니다: 전사는 mRNA를 만들고, 번역은 리보솜에서 3염기 코돈(codons) 단위로 이를 읽습니다.
  • RNA는 단일 가닥이며 T 대신 U를 사용합니다; 복제는 반보존(semiconservative) 방식입니다.
  • 모든 세포는 같은 DNA를 가지고 있습니다: 세포들이 다른 것은 **서로 다른 유전자를 발현(differential gene expression)**하기 때문입니다.
  • **돌연변이(mutation)**는 DNA 서열의 변화이며 해롭거나, 중립적이거나, 유리할 수 있습니다(선택의 원료입니다).
  • 생명공학 도구와 그 기능을 연결해 주세요: PCR은 DNA를 복제하고, 겔 전동分离(gel electrophoresis)는 크기에 따라 조각을 분리합니다.
Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
double helix/ˈdʌbl ˈhiːlɪks/ 이중 나사선 구조
nucleotides/ˈnjuːklɪɒtaɪdz/ 핵산
complementary base pairing/ˌkɒmplɪˈmentəri beɪs ˈpeərɪŋ/ 상보적 염기쌍
antiparallel/ˌæntɪˈpærəlel/ 반평행
single circular chromosome/ˈsɪŋɡl ˈsɜːkjʊlə ˈkrəʊməsəʊm/ 단일 원형 염색체
multiple linear chromosomes/ˈmʌltɪpl ˈlɪnɪə ˈkrəʊməsəʊmz/ 다중 선형 염색체
condensed by wrapping around proteins called histones/kənˈdenst baɪ ˈræpɪŋ əˈraʊnd ˈprəʊtiːnz kɔːld ˈhɪstəʊnz/ 히스톤이라는 단백질에 감겨서 응축됨
semiconservatively/ˌsemɪkənˈsɜːvətɪvli/ 반보존적으로
DNA polymerase/ˌdiː en ˈeɪ ˌpɒlɪməˈreɪz/ DNA 중합효소
Transcription/trænˈskrɪpʃn/ 전사
messenger RNA/ˈmesɪndʒə ˌɑː en ˈeɪ/ 전사RNA
introns/ɪnˈtrɒnz/ 인트론
exons/eɡˈzɒnz/ 엑손
Translation/trænˈsleɪʃn/ 번역
ribosome/ˈriːbəʊsəʊm/ 리보솜
codons/ˈkəʊdɒnz/ 코돈들
Transfer RNA/ˈtrænsfɜː ˌɑː en ˈeɪ/ 전달 RNA
operons/ˈɒpərənz/ 오페론
differential gene expression/ˌdɪfəˈrenʃl dʒiːn ekˈspreʃn/ 차별 유전자 발현

Interactive lessons on this topic · ⁨이 주제에 대한 인터랙티브 수업⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨즉시 체크 기능 exercises를 통해 단계별로 진행하세요.⁩

Past Papers · ⁨과거 시험지⁩

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