초파리 spinster 유전자 기능 연구 및 초파리를 이용한 유전자 발현 조절에 관한 탐구활동의 개발

Abstract

국문초록

이 연구에서는 초파리 spinster (spin) 유전자가 초파리의 신경계 형성에 어떤 영향을 미치는지 알아보았고, 이 연구에서 나타나는 과학지식 생성과정을 분석하고 이를 적용한 유전자 발현 조절 탐구 활동을 개발하고 하였다. 이 연구의 첫 번째는 초파리의 신경계 형성에 관여하는 새로운 유전자의 기능을 밝히는 연구이다. spin은 초파리 배아 발생의 이른 시기부터 신경계의 중요한 세포 중에 하나인 교세포에서 발현되는 것이 확인 되었다. 배아 발생과정에서 spin의 기능을 확인하기 위해서 spin 기능이 상실된 돌연변이와 spin 유전자를 다른 장소에 발현시킨 기능 획득 돌연변이를 이용하였다. 이들 돌연변이에서 신경 발달에 미치는 영향을 확인한 결과, spin 기능 상실 돌연변이에서는 교세포의 수의 증가와 말초신경의 과도한 성장이 관찰되었다. 또한 spin 유전자를 교세포에서 과량 발현시키면 교세포에 싸여있는 신경축색돌기에 손상이 일어나는 것이 관찰되었다. 이를 결과를 바탕으로 우리는 spin이 초파리의 배아단계부터 발현하고, 신경계의 형성에 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째 연구에서는 과학자의 실제 과학 탐구에서 나타나는 과학지식 생성과정을 학교 과학 탐구에 적용하고자 하였다. 이를 위해 먼저 연구자가 수행한 초파리 spin 유전자의 기능 연구에 관한 프로토콜을 생성하고, 이를 분석하여 과학자의 실제 과학 탐구과정에서 나타나는 과학지식 생성과정을 조사하였다. 초파리 spin 유전자의 기능 연구에서 나타난 과학지식 생성과정은 귀납적 사고과정, 귀추적 사고과정, 연역적 사고과정이 반복적으로 나타났으며, 특히 귀추적 사고과정에서 생성된 인과적 의문을 검증하기위한 연역적 사고과정이 반복적으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 학교 과학 탐구에 적용하기 적합한 주제를 찾기 위해 제 7차 교육과정의 생물 교과서와 2009년 개정 교육과정의 생명과학 교과서에서 유전단원의 탐구활동 유형과 주제를 분석하였다. 그 결과 2009년 개정 교육과정의 생명과학Ⅱ 교과서에서는 이전 생물Ⅱ 교과서에서 다루지 않았던 진핵 생물의 유전자 발현조절 부분이 유전자와 유전공학 단원에 포함되어 있는 것을 알 수 있었다. 하지만 생명과학Ⅱ 교과서의 유전자 발현 조절에 대한 새로운 탐구활동은 대부분 제시된 실험결과를 바탕으로 자료를 해석하는 형태로 과학지식 생성과정을 충분히 담고 있지 못했다. 이에 연구 2에서는 과학지식 생성과정을 기반으로 초파리를 활용한 유전자의 발현 조절에 관한 탐구활동을 개발하고자 하였다. 개발된 탐구활동은 유전자 발현 조절을 통해 초파리 eyeless 유전자의 기능을 확인하는 실험으로 전체 3차시로 구성되어 있다. 개발된 탐구활동을 고등학교 과학반 학생 15명에게 시험 적용한 결과 학교 과학 탐구활동으로 적용 가능한 것으로 나타났다.

ABSTRACT

This study evaluated Drosophila spinster (spin) expression in detail and its possible roles during embryogenesis and developed experimental inquiry activities on the regulation of gene expression in Drosophila. These inquiry activities are based on process of scientist science knowledge generation. The first part of this study aims to examine the functions of spin during embryogenesis. Spin is known as a gene encoding a lysosomal membrane protein, which is required for cell death in forming a nervous system or neuro-muscular junction synapse during post-embryogenesis. However, the roles of spin during embryogenesis has not been investigated yet. The double staining of spin and repo showed that spin is expressed in surface glia including subperineurial glia, channel glia, and exit glia while not in neuron. Mutation in spin caused the increased number of surface glia. Over- or ectopic expression of spin led to progressive degeneration of exit glia and peripheral nerve. The ectopic expression of spin in the CNS also caused the degeneration of fasciclin axons. Taken together, these results indicate that spin functions in regulating embryonic neurogenesis via the regulation of neural degradation. The second part of the study tried to adapt the process of scientist science knowledge generation which scientists use in an authentic science inquiry to school science inquiry. To do this, first, a protocol for A Study on Roles of Spin during the Embryogenesis of Drosophila was created and performed in a scientists laboratory. And then with the analysis of that, the process of scientist science knowledge generation was investigated. The process of scientist science knowledge generation shown in the Study on Roles of Spin during the Embryogenesis of Drosophila contained repeated inductive thinking, abduction thinking and deductive thinking. Especially, the deductive thinking repeatedly showed to verify causal questions which had been formed in the abduction thinking. And to search for an appropriate topic to adapt to the school science inquiry, the types and topics of genetics in highschool Biology textbooks I and II in accordance to the Koreas 7th Curriculum and highschool Life Science textbooks I and II in accordance to the Curriculum revised in 2009. As a result, it was found that the regulation of gene expression in eukaryote was included in the Highschool Life Science Textbooks I and II in accordance to the Curriculum revised in 2009, which had not been included in the former highschool Biology textbooks. However, the new experimental inquiry activities about regulation of gene expression in the highschool Life Science textbooks I and II in accordance to the Curriculum revised in 2009 required only the interpretation of the given scientific results and did not ask for the process of scientist science knowledge generation. Thus, this study tried to develop the experimental inquiry activities about the regulation of gene expression using Drosophila. The newly developed experimental inquiry activities that consist of 3 steps are an experiment to ascertain the functions of eyeless gene of Drosophila through the gene expression regulation. We applied the experimental inquiry activities to fifteen high school students, which were proven to be applicable as school science inquiry activities.