일반생물학, 생물학의 기본 - DNA 복제

1. DNA 복제 과정

우리는 일반적으로 단순한 원핵세포에서의 DNA 복제 과정에 대해 알아볼 것이다. DNA는 퓨린 염기와 피리미딘 염기로 구성되어 있다. 퓨린염기는 고리가 2개인 구조로 아데닌과 구아닌으로 구성된다. 피리미딘 염기는 고리가 한 개인 구조로 사이토신, 티민으로 구성되어 있다. 아데닌은 티민과 구아닌은 사이토신과 서로 수소결합을 이룬다. DNA의 두 가닥은 서로 역평행한 구조로 이루어져 있고 반보존적으로 복제된다. 

(1) 과정

1. DNA 헬리케이스가 이중나선을 풀어 두 가닥으로 분리한다. 

헬리케이스는 지연가닥 쪽 주형 DNA에 결합하여 이중 나선의 DNA를 풀어 두 가닥으로 분리한다. 헬리케이스에 의해 분리된 단일 가닥은 상보적인 결합으로 인해 다시 이중결합을 형성하게 된다. 재결합을 막기 위해 단일 가닥 결합 단백질이(single strand binding protein, SSBP)가 결합하여 이들이 다시 이중가닥을 형성하는 것을 막는다.

 

2. DNA 복제는 프라이머와 함께 시작된다.

DNA 중합효소는 이미 존재하는 가닥에 새로운 뉴클레오타이드를 연결하면서 DNA 가닥을 신장시킨다. 그러나 DNA 중합효소는 프라이머(primer)라는 짧은 시발체(starter)가 있어야만 시작될 수 있다. 프라이머는 프리메이스(primase)라는 효소에 의해 짧은 RNA 가닥이 형성된다. 그 후 DNA 중합효소는 프라이머의 3' 말단 부위에 뉴클레오타이드를 첨가하면서 DNA 복제를 시작하게 된다.

 

3. DNA는 5'에서 3' 방향으로 복제된다.

두 DNA 가닥은 복제분기점에서 서로 다르게 복제되면서 신장한다. DNA 가닥은 서로 역평행 구조를 이룬다. 그러나 DNA 중합은 5'에서 3' 방향으로 이루어진다. 결과적으로 진행방향이 달라지게 되면서 서로 다른 복제방식을 통해 DNA가 중합된다. 

선도 가닥은 분기점에서 DNA 중합효소 III에 의해 5'에서 3' 방향으로 계속해서 신장 될 수 있다. 반면 새롭게 합성되는 다른 가닥인 지연가닥은 DNA가 복제되면서 분기점에서 점점 멀어지게 된다. 이 문제를 극복하기 위해 오카자키 절편(Okazaki fragment)이라는 새로운 DNA 단편을 통해 DNA를 중합하게 된다. 

DNA 중합효소 III이 DNA 중합을 계속하다 RNA 프라이머를 만나게 되면 DNA 중합효소 III이 탈락하고 DNA 중합효소 I 이 결합하게 된다. DNA 중합효소 I은 5'에서 3' 방향의 exonuclease 활성이 있다. 이 기능으로 인해 RNA 프라이머를 제거하고 프라이머의 빈 부분을 DNA로 합성해 나갈 수 있다. 이후 DNA와 DNA 가닥의 틈은 DNA 연결효소(DNA ligase)라는 효소에 의해 ATP를 사용하면서 연결된다.

 

(2) 텔로미어

원핵세포는 환형의 DNA를 가지고 있다. 그렇기 때문에 복제 과정 중 DNA의 결손을 걱정하지 않아도 된다. 하지만 진핵세포는 선형의 DNA를 갖고 있기 때문에 염색체 말단 부위는 복제 과정 중 프라이머로 인해 계속해서 결실이 일어나게 된다. 계속된 DNA 결실은 돌연변이를 일으키게 되면서 유전체에게 재앙을 일으키게 될 것이다. 

진핵세포는 이러한 문제를 해결하기 위해 텔로미어라는 반복서열이 존재한다. 사람의 텔로미어 서열은 5'-TTAGGG-3' 이고 이 서열이 각 염색체 말단에 약 2,500회 반복된다. DNA 복제 과정 중 텔로미어는 계속해서 짧아지게 되고 점점 노화하게 된다. 결국 염색체를 소실하게 되면 세포는 죽는다. 하지만 골수 줄기세포와 생식세포처럼 지속적으로 분열하는 세포들은 텔로미어를 복원할 수 있는 텔로머레이스(telomerase)라는 효소를 갖고 있다. 텔로머레이스는 DNA 반복서열 합성 시 주형으로 작용하는 RNA 서열을 갖고 있다. 즉, 역전사효소의 활성을 통해 RNA를 주형으로 DNA를 합성한다. 텔로머레이스는 사람 암의 90% 이상에서 발현되며 지속적으로 분열하는 암세포의 능력에 중요한 요인일 수 있다.

 

2. DNA 복제 오류와 수선

DNA 복제 과정 중 통상 100,000 염기를 복제할 때 1개 정도의 오류를 나타낸다. 이는 사람의 세포가 한 번 분열할 때마다 약 60,000개 정도 잘못된 염기를 생성하는 오류를 발생하게 된다. DNA 오류는 돌연변이를 일으키고 암과 같은 질병을 일으키기 때문에 치명적일 수 있다.

 

1. DNA 교정

 

진핵세포는 DNA 복제 과정 중 오류가 발생하면 이를 판독하고 교정하는 기능을 갖고 있다. 일반적으로 DNA 중합효소 III은 3'에서 5' 방향의 exonuclease 활성을 갖고 있다. DNA 복제 과정 중 오류가 발생하게 되면 다시 뒤로 돌아가 잘못된 염기를 제거하고 올바른 염기를 삽입한다. 

 

2. 불일치 수선

불일치 수선은 DNA가 복제된 후 DNA를 조사하여 염기쌍의 불일치를 교정한다. DNA복제 과정 중 뉴클레오타이드가 잘못된 짝을 형성하였는데 교정 과정 중 이를 인식하지 못하게 되면 단백질이 틀린 짝염기와 일부 주변 염기들을 잘라낸다. 이후 DNA 중합효소 I이 올바른 뉴클레오타이드를 첨가하고 DNA 연결효소가 남겨진 틈을 연결한다.

 

3. 절제 수선

DNA가 화학적인 손상에 의해 비정상적인 염기를 형성하고 제 기능을 하지 못하게 되면 절제 수선 과정이 일어나게 된다. 단백질은 비정상적으로 형성된 염기와 그 주변 염기들을 절제한다. 이후 DNA 중합효소 I이 주형가닥에 상보적인 뉴클레오타이드를 첨가하고 DNA 연결효소가 남겨진 틈을 수선한다.