DNA 복제
DNA 복제
김진국
DNA 복제는 1개의 DNA를 동일한 두 개의 DNA로 복제하는 과정으로 세포분열(체세포 분열, 감수분열) 중에 1회 일어난다.
DNA는 4종류의 데옥시뉴클레오타이드(A, T, G, C)로 구성된 2중 나선 구조이다. 2중이란 두 가닥이 상보적으로 수소 결합한 것이고 나선이란 나사선 모양으로 감겨 있다는 것이다. 여기서 결합된 두 가닥은 똑같은 것이 아니고 한쪽 가닥이 A이면 상대 가닥은 T이고, T이며 상대 가닥은 A이며, 또 한쪽 가닥이 G이면 상대 가닥은 C이고, C이면 상대 가닥은 G가 결합하는 구조로 되어있다. 이것을 상보적 결합이라 한다(A는 T만 결합하고 G는 C만 결합한다.). 이것은 아데닌(A)과 티민(T), 그리고 구아닌(T)과 사이토신(C)은 항상 같은 양을 가진다는 에르빈 샤가프(어윈 샤가프, Erwin Chargaff, 우크라이나 체르노비츠 출생 미국인, 1905 ~ 2002)의 샤가프의 법칙(Chargaff's rule, 염기 동량설, 1950)에 기초하여 크릭에 의해 밝혀진 것이다.
1953년 DNA 구조가 밝혀진 다음 프랜시스 크릭이 1956년에 센트럴 도그마(중심설) 설을 발표하였다. 센트럴 도그마(중심설) 설은 DNA는 복제(Replication)가 일어나고, 이때 복제된 DNA 중 하나를 틀로 삼아 전사(Transcription)하면 RNA가 되며, 다시 RNA를 번역(Translation)하면 단백질(protein)이 된다는 이론이다.
1958년 메셀슨(Matthew Stanley Meselson, 1930 ~ , 미국)과 스탈(Franklin Stahl, 1929, 미국)은 방사성동위원소 15N를 이용한 원심분리(15N와 14N의 밀도차)로 DNA 복제가 반보존적 복제(Semi-conservative replication)로 일어난다는 Meselson-Stahl 실험으로 증명하였다.
반보존적 DNA 복제는 수소 결합된 두 가닥이 먼저 지퍼가 열릴 때 모양으로 분리되고 각 가닥의 분리된 부분에 데옥시뉴클레오타이드를 가져와 상보적으로 결합시키는 것이다. 상보적 결합이란 한쪽 가닥이 A이면 데옥시뉴클레오타이드로 T를 가져와 붙이고 G이면 데옥시뉴클레오타이드로 C를 가져와 붙이는 것이다. 분리된 다른 쪽 가닥에는 A 대신에 T이므로 데옥시뉴클레오타이드로 A를 가져와 붙이고 G 대신에 C이므로 데옥시뉴클레오타이드로 G를 가져와 붙이는 것이다. 이렇게 붙이면 두 개의 똑같은 DNA로 복제되는 것이다. 이와 같이 DNA의 두 가닥은 각각 본래의 가닥으로 유지되고 반쪽을 보충해서 두 가닥의 DNA 2개로 복제되는 것이다.
1967년에 미국의 아서 콘버그(Arthur Kornberg, 1918~2007)가 처음으로 실험실에서 생물학적으로 활성화된 바이러스의 DNA를 합성하는 데 성공하였다.
1. DNA 복제 원점(origin of replication)
두 가닥으로 된 DNA을 북제하기 위해서는 두 가닥이 각각의 가닥으로 분리되어야 한다. DNA 복제를 위해 DNA가 분리되는 시발점을 복제 원점이라 한다. 복제 원점에는 수소 결합력이 약한 A-T 상보 결합 쌍이 많아 분리되기 쉬운 곳이다.
그런데 복제 원점이 1개만 있어 시발점에서 분리되면 이어서 끝까지 연속적으로 전체가 분리되는 것이 아니다.
진핵생물의 DNA에서는 DNA 상의 수 백~수천 지점에 복제 원점이 있어서 분리가 진행된다.
두 가닥이 결합하여 이중나선 구조로 된 DNA가 복제 원점에서부터 양 방향으로 두 가닥이 분리되는 것이다.
1972년 노르만 살즈만(Norman Post Salzman, 1926~1997, 미국), 대니얼 네이선스(Daniel Nathans, 1928~1999, 미국)이 SV 40(Simian Virus 40, 원숭이의 발암 바이러스)에서 복제 원점을 동정하고 DNA 복제가 복제 원점을 중심으로 양방향으로 진행한다는 것을 밝혔다.
2. DNA 가닥의 분리
DNA는 이중 나선으로 꼬여 있으므로, DNA 복제 과정에서는 이 꼬임을 풀었다가 다시 꼬아주는 과정이 필요하다.
이는 DNA 복제 복합체(replication complex)에 포함된 헬리케이스(Helicase)라는 효소가 맡는다.
복제 복합체는 복제 과정에 관련된 효소들과 그 밖의 여러 단백질로 이루어진 물질이다. 복제 복합체는 복제 원점에서 헬리케이스(Helicase) 효소 두 개가 서로 반대 방향으로 움직이면서 나선을 풀어간다. 헬리케이스(Helicase)에 의해 이중나선이 풀어져 나가면 그 앞부분은 더욱 꼬여 양성 초 나선(Superhelix)이 된다.
이 양성 초 나선(Superhelix)을 topoisomerase로 분해하여 꼬임을 풀어서 다시 붙이는 과정이 있다.
복제 복합체에는 분리된 두 가닥의 사슬이 다시 결합되지 않게 하는 양전하를 띤 SSB 단백질(단일 가닥 결합 단백질, single-strandded binding protein)이 작용한다.
3. DNA 중합 효소
1956년에 미국의 아서 콘버그(Arthur Kornberg, 1918~2007)가 DNA 중합효소 I을 분리하였다. 복제 복합체에는 DNA 중합 효소(DNA polymerase, DNA 폴리머레이즈)가 포함되어 있다.
DNA 중합 효소는 이미 존재하는 사슬의 3'-OH에 새로운 뉴클레오타이드의 5'에 있는 인산기를 붙이는 작용을 한다(새로 합성되는 가닥은 5'→3'방향으로 중합된다.).
DNA를 구성하고 있는 데옥시뉴클레오타이드는 데옥시뉴클레오시드 1인산(dNMP ; dAMP, dGMP, dTMP, dCMP)이다.
그런데 새로운 DNA 가닥을 만들기 위해서는 데옥시뉴클레오시드 3인산(dNTP ; dATP, dGTP, dTTP, dCTP)이 이용된다.
데옥시뉴클레오시드 3인산(dNTP)은 중합 과정에서 먼저 2개의 인산이 분해되며 이때 발생한 에너지로 dNMP(데옥시뉴클레오시드 1인산)의 인산이 전에 결합된 디옥시리보오스 3`-OH에 약하게 중합 반응을 한다. dNTP(데옥시뉴클레오시드 3인산)에서 분해된 2개의 인산 결합을 피로인산이라 하며 이들이 다시 각각의 인산으로 분해되는데 이때 발생하는 에너지로 중합 반응을 완성한다.
이처럼 2 개의 인산을 분해시키고 상보적으로 데옥시 뉴클레오타이드(dNMP)의 인산기를 3`-OH 기에 결합시키는 역할을 하는 것이 DNA 중합 효소(DNA polymerase, DNA 폴리머레이즈)의 작용이다(400개/초). 그 외에 프라이머를 제거하고 그 자리에 데옥시 뉴클레오타이드를 중합시킨다. 잘못된 염기쌍이 연결되면 중합 효소 활성이 정지되며 DNA를 수선하는 기능도 있다.
dNMP, dNDP, dNTP 세 가지 모두를 통칭하여 데옥시뉴클레오타이드라 한다.
4. RNA 프라이머 생성
DNA 중합 효소는 크기가 작아서 먼저 상보적으로 수소 결합시킨 데옥시뉴클레오타이드를 그대로 유지하고 여기에 데옥시뉴클레오타이드를 중합할 수없다. 그래서 DNA 중합 효소는 앞에 견고히 결합된 분자에 3`-OH 가 있을 때만 데옥시뉴클레오타이드를 결합시킬 수가 있다. 즉 기존의 데옥시뉴클레오타이드가 있어야만 새 데옥시뉴클레오타이드를 결합시킬 수 있는 것이다. 복제를 위해 DNA가 두 가닥으로 분리된 곳에는 새 데옥시뉴클레오타이드의 5` 의 인산이 결합할 기존의 디옥시리보스 3` -OH 기가 없으므로 시발점에 3`-OH 기를 먼저 만들어 붙여야 한다. 그래서 복제 기점에 견고히 결합된 분자를 있게 해야 하는 것이다. 이를 위해 RNA 프리마아제(RNA primase, 프라이메이스, RNA 프라이머 합성 효소)라는 효소의 작용으로 RNA 프라이머(뉴클레오타이드 12개 정도)를 합성하여 먼저 시발점에 결합시켜 3`-OH 기를 제공한다. 시발점에 최초로 결합한 RNA 프라이머에 DNA 중합효소로 데옥시뉴클레오타이드를 결합시켜 중합을 시작함으로써 연속적인 결합이 진행될 수 있는 것이다.
DNA 이중나선의 복제 원점에서 DNA 가닥의 분리가 일어나 1가닥이 되면 이 부위의 DNA를 주형으로 프라이머 합성효소(primase, 프리메이스)에 의해 상보적인 12개 정도의 뉴클레오타이드가 중합되어 RNA 프라이머가 만들어진다. RNA 프리메이스(primase, 프리마아제)는 특별해서 첫 번째 뉴클레오타이드를 앞쪽에 3`-OH 기가 없어도 상보적인 수소결합을 하게 하고 다음 뉴클레오타이드를 중합할 수 있도록 3`-OH 기를 제공 한다. RNA 프라이머는 뉴클레오타이드 12개 정도 이므로 염기 수가 많아 약한 수소결합이지만 숫자가 많으므로 떨어지지 않고 견딜 수 있다.
그런데 DNA 프라이머(데옥시뉴클레오타이드로 구성)를 사용하지 않고 RNA 프라이머(뉴클레오타이드로 구성)를 사용하는 이유는 반응의 시작이 불안정하므로 정확하게 하기 위하여 RNA 프라이머를 써서 중합을 안전하게 진행시킨 후 RNA 프라이머를 제거하는 것으로 볼 수 있다.
5. DNA 복제 방향
하나의 복제 원점에서 전체를 보면 좌우 2곳의 분기점이 생성된다. 한 가닥의 좌와 우의 방향으로 그리고 상보 가닥에서도 좌와 우의 방향으로 분지가 진행되고 각각 복제가 진행되므로 4곳에서 복제가 진행된다. 즉 DNA가 두 가닥이라고 해서 각 가닥 한 곳씩만 복제가 일어나는 것이 아니고 두 가닥 각각에서 복제 원점을 중심으로 양쪽 방향으로 복제가 일어난다.
북제가 시작되는 지점에 먼저 RNA 프라이머가 결합하면 RNA 프라이머 3`-OH에 데옥시뉴클레오타이드의 5` 가 결합한다.
복제 결합은 언제나 기존의 3` 에 새 데옥시뉴클레오타이드의 5`가 결합한다. 그러므로 새로운 결합이 기존 데옥시뉴클레오타이드의 3` 에서 일어나므로 새 가닥의 결합되는 방향은 언제나 5` →3` 방향이다. 그런데 이중 나선의 한쪽은 5`→3` 방향이고 다른 쪽은 3`→5` 로 연결되어 있다.
그런데 풀리는 방향과 관계없이 복제되는 방향은 언제나 5→3` 방향이다.
연속 복제는 DNA주형가닥이 풀리는 방향 쪽으로 3'→5'가닥인 경우, 복제되는 가닥은 5'→3'로 연속으로 복제가 진행된다. 이때 생성된 가닥을 선도 가닥(leading strand)이라고 한다.
불연속 복제는 연속 복제의 주형가닥과 상보적인 가닥 즉, DNA 가닥이 풀리는 방향 쪽으로 5'→3'로 진행되는 경우에 일어난다. 복제되는 새 가닥은 항상 5'→3'방향으로 복제되기 때문에 풀어지는 방향으로 복제가 될 수 없다. 그래서 어느 정도 풀어지면 풀어지는 반대 방향으로 일어난다. 그 결과 불연속 복제는 조각, 조각으로 복제되어 연결되므로 복제 속도가 느려 이를 지연 가닥(lagging strand)이라고 한다.
지연 가닥에서의 복제는 일단 일부 복제에 충분한 길이가 될 때까지 풀어지면 RNA 프라이머가 결합하고 이곳을 시발점으로 하여 5`→3` 방향으로 복제 원점까지 복제가 일어나고 또 일부가 풀어지면 RNA 프라이머가 결합하여 먼저 복제가 끝난 RNA 프라이머까지 복제한다. 이렇게 만들어진 DNA 조각을 연결 효소(DNA 리게이스, Ligase)로 결합하면 지연 가닥이 완성된다. 이때 만들어진 DNA 조각을 오카자키 절편(진핵세포 100~200개의 뉴클레오타이드 길이, 원핵 1000~2000)이라 한다. 오카자키 절편은 1968년 일본의 과학자 레이지 오카자키(Reiji Okazaki), 츠네코 오카자기(Tsuneko Okazaki) 부부가 발견하였다.
좀 더 넓게 DNA는 복제를 보면 DNA는 복제 원점에서 두 개의 분지점이 각각 양쪽 방향으로 이동하면서 두 가닥이 분리된다. 그러므로 복제 원점(origin of replication)을 중심으로 두 분지점을 따라 양 방향으로 복제가 이루어진다.
합성은 5'→3'방향으로만 이루어지기 때문에 한 가닥에서 복제 원점의 오른쪽으로 분지점이 진행한다고 할 때 주형가닥이 5'→3'방향이라면 새 복제 가닥은 오카자키 절편을 복제하여 연결하는 지연 가닥이 되고, 나머지 한쪽 즉 복제 원점의 왼쪽으로 분지점이 진행하는 주형가닥은 3'→5'방향이 되고 새 복제 가닥은 5'→3'방향으로 복제되는 선도 가닥이 된다. 상보 가닥은 이와 반대로 오른쪽이 3'→5'방향의 주형가닥으로 5'→3'방향으로 새 가닥이 복제되는 선도 가닥이 되고, 반대쪽인 왼쪽은 주형가닥이 5'→3'방향이므로 새 복제 가닥은 오카자키 절편을 복제하여 이들 절편을 연결 효소(DNA 리게이스, Ligase)로 결합하면 지연 가닥이 된다.
6. DNA의 복제 과정
풀리는 주형 가닥의 방향이 3`→5` 이면 결합은 반대로 일어나서 5`→3` 방향으로 연속적인 복제 결합이 일어난다. 복제 기점에 DNA helicase(나선 풀림 효소)가 작용하여 수소결합을 분해한다.
DNA 이중나선의 두 가닥이 분리되어 데옥시리보뉴클레오타이드의 염기를 노출시키게 되면 세포 속에 풍부하게 존재하는 데옥시리보뉴클레오타이드 분자들이 노출된 염기들과 쌍을 이루어 DNA 중합 효소 III (DNA polymerase III, DNA 폴리머레이즈III)에 의해 디옥시 리보스 3` -OH 기에 공유결합을 하게 된다. 각각의 母 가닥들은 원래대로 보존되고 그들을 주형으로 샤가프의 법칙에 따라 새로 생긴 가닥들이 결합하여 두 개의 이중나선구조가 만들어진다. 이를 반보존적 복제라고 한다. 1958년 메셀손(Matthew Meselson), 스탈(Franklin Stahl)은 방사성동위원소를 이용하여 DNA 복제가 반보존적 복제(Semi-conservative replication)로 일어난다는 것을 증명하였다.
각 母 가닥과 새로 만들어진 가닥은 염기를 볼 때 서로 상보적이게 된다.
상보적 결합이란 분리된 가닥(주형가닥)에 떨어져 나간 가닥의 데옥시뉴클레오타이드와 똑같은 데옥시뉴클레오타이드를 가져와 수소결합으로 붙이는 것이다. 즉 주형이 A이면 T를 가져와 A에 2중 수소결합을 하고, C이면 G을 가져와 3중 수소결합을 한다. 반대로 주형이 T이면 A를 가져와 T에 2중 수소결합을 하고, G이면 C을 가져와 G에 3중 수소결합을 하는 것이다. 먼저 결합된 데옥시뉴클레오타이드에 중합 반응으로 연결해서 분리되기 전과 같은 2가닥으로 만드는 것이다. 상보적 결합은 아데닌(A)과 티민(T), 그리고 구아닌(T)과 사이토신(C)은 항상 같은 양을 가진다는 어윈 샤가프(Erwin Chargaff, 우크라이나, 1905~2002)의 염기 동량설에 기초하여 크릭에 의해 밝혀진 것이다.
이때 3'→5'방향인 주형 가닥에서는 5'→3'방향으로 연속 복제 결합이 일어나고 반대쪽 5'→3'방향의 주형가닥에서는 불연속 복제 결합이 일어난다. 불연속 복제 결합이 일어나는 과정을 보면 먼저 일정 구간까지 계속 풀리다가 어느 순간 RNA 프라이머가 만들어져서 결합하고 그로부터 중합 반응으로 복제가 계속되어 이전에 결합된 RNA 프라이머까지 오카자키 절편을 완성하면 중합 효소는 떨어져 나간다. 그리고 중합 효소 I (DNA polymerase I, DNA 폴리머레이즈)는 앞에 결합되어 있는 RNA 프라이머를 절단하고 그 자리를 데옥시뉴클레오타이드로 채운다.
이후 이들 DNA 조각(오카자키 절편)들은 DNA 연결 효소(DNA 리게이스, Ligase)에 의해 하나의 긴 가닥으로 연결된다.
이렇듯이 불연속적으로 복제되기 때문에 선도 가닥에 비해 복제 속도가 늦다. 그러나 DNA 복제는 두 가닥이 동시에 시작해서 동시에 끝난다. 지연 가닥 쪽에는 DNA 합성효소가 두 개 달라붙어 복제를 빨리 진행하기 때문에 선도 가닥의 복제 시간과 같아지는 것이다.
DNA 복제 과정은 매우 정확하여 10억 개중 하나 정도의 오류만 있을 정도이다.
DNA 중합 효소(DNA polymerase, DNA 폴리머레이즈)는 데옥시뉴크레오타이드를 중합하는 기능뿐만이 아니라 잘못된 염기 결합을 제거하는 교정 기능도 갖고 있기 때문이다.
7. 중합 효소 연쇄반응(PCR: Polymerase Chain Reaction)
1983년 미국의 캐리 멀리스(Kary B. Mullis, 1944~)는 프레더릭 생어의 염기서열 결정 방법에서 힌트를 얻어 DNA를 획기적으로 증폭시킬 수 있는 중합 효소 연쇄반응(PCR: Polymerase Chain Reaction)을 개발하였다. 이로 인해 적은 양의 짧은 DNA를 순식간에 수많은 양으로 복제할 수 있게 되었다.
8. 텔로미어(telomere)
DNA 복제가 끝났을 때 DNA 새 가닥의 5' 쪽 말단에 RNA 프라이머가 결합되었던 부분은 복제가 안 된다. DNA 중합효소는 5'→3'방향으로 만 중합하기 때문이다. 그 결과 복제된 DNA의 길이는 주형 DNA보다 약간 짧다. 이 때문에 복제를 거듭할수록 DNA는 점점 짧아지고 어느 수준 이상 복제하면 더 이상 DNA는 복제가 되지 않으므로 새 세포를 생성할 수 없다. 이 말단 부분을 텔로미어(telomere)라고 한다. 예외적으로 생식세포, 줄기세포, 암세포에는 텔로미어(telomere)를 합성하는 효소인 텔로머레이스(telomerase)가 있어 무한정으로 DNA를 복제할 수 있으므로 계속해서 세포분열을 할 수 있다.
1961년 Leonard Hayflick 박사는 세포의 노화를 연구하여 생물과 장기에 따라서 세포의 분열 횟수가 정해져 있다는 것을 밝혔다.
그 후 1990년대 초에 세포 노화에 관계하는 텔로미어가 염색체의 말단에 위치함이 밝혀졌다. 캘리포니아 대학(UCSF)의 엘리자베스 블랙번(Elizabeth blackburn), 존스홉킨스 의대 캐럴 그리더(Carol Greider)와 하버드 의대 잭 쇼스택(Jack Szostak)에 의해 텔로미어에 의한 세포의 노화 메커니즘이 규명되었으며 이들은 2009년 노벨 생의학상을 수상하였다.
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