DNA의 구조와 기능

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DNA의 구조와 기능

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1. DNA는 두 개의 상보적인 뉴클레오티드 사슬로 구성된다.

DNA가 이중나선으로 구성되었다는 발견은 1953년 DNA구조의 올바른 모델을 제시할 수 있는 중요한 실마리를 제공하였다. DNA구조에 대한 Watson-Crick의 모델이 제시되었을 때 DNA가 유전정보의 암호화 및 복제할 가능성이 분명해졌다. DNA를 구성하는 핵산의 경우, 당 분자는 탈산소화된 5탄당이 한 개의 인산기와 결합하고 있으며(그래서 디옥시리보핵산이라고 물리운다.), 염기는 아데닌(ademine, A), 시토신(cytosine, C), 구아닌(guanine, G), 티민(thumine, T)중 하나로 이루어진다. 뉴클레오티드는 당과 인산기 사이의 공유결합으로 연결된 사슬을 이루면, 이들 당-인산-당-인산기가 반복적으로 이어져 골격을 형성한다. DNA 이중나선(double helix)을 이루는 두 개의 폴리뉴클레오티드 사슬은 다른 가닥에 있는 염기들 사이의 수소결합으로 지탱되고 있다. 염기쌍은 무작위적으로 형성되지 않고, 반드시 아데닌(A)은 티민(T)과, 구아닌(G)는 시토신(C)과 결합한다. 이와같이 상보적인 염기쌍(complementary base-paring)으로 인해서, 염기쌍(base pairs)은 가장 적합한 배열을 이루고 이중나선의 내부에 위치하게 된다. 나선구조를 이루는 두 개의 사슬이 역평행(antiparallel)으로 배열될 때, 즉, 한 사슬의 극성방향이 다른 사슬의 극성방향과 반대로 놓여질 때에만 각 염기쌍이 이중나선구조의 내부에 맞아 들어가게 된다.

 

2. DNA 구조가 유전기작을 제공한다.

DNA는 각 사슬의 뉴클레오티드 서열의 형태로 정보를 암호화한다. 대부분의 유전자는 하나의 단백질을 암호화하고 있는 짧은 DNA조각이지만, 유전자를 구성하는 모든 DNA가 그들이 규정하고자 하는 단백질을 암호화하는데 사용되지는 않는다. 한 개체의 DNA에 존재하는 총체적 정보를 게놈(genome, 총체적 유전정보를 내장하는 DNA를 지칭하기도 한다)이라고 한다. 이러한 정보의 총량은 매우 놀라운 정도이다. 전형적인 사람의 세포는 약 1 미터 길이의 DNA(3 ×109 뉴클레오티드)를 갖고 있다.

 

3. DNA의 복제

DNA의 두 사슬은 서로의 뉴클레오티드 서열이 정확히 상보적이기 때문에 각 사슬은 새로운 상보적 사슬을 합성하는데 필요한 주형(template)으로 작용할 수 있다. 세포는 분열시기마다 수십억 새에 달하는 뉴클레오티드 쌍을 복제하는 엄청난 임무를 수행해야 하므로 복제과정은 신속하고도 정확하게 일어나야 한다. 8시간마다 분열하는 동물세포는 해당량을 복제하는 동시에 한두 개 이상의 오자를 만들어서는 단된다. 이러한 임무를 담당하는 단백질 군을 복제기구라 한다.

 

4. DNA 합성은 복제기점에서 시작된다.

DNA 복제과정은 개시단백질에 의해 시작되는데, 이들은 DNA에 결합하여 염기간의 수소결합을 끊어냄으로써 두 가닥을 분리시킨다. DNA가 가장 먼저 열리는 위치를 복제기점(replication origin)이라 하며, 이들은 특정 뉴클레오티드 서열로 구성된다. A-T염기쌍은 G-C염기쌍보다 적은 수의 수소결합으로 결합되어 있다. 그 결과 A-T염기쌍이 많은 DNA부위는 상대적으로 쉽게 분리되는데, 복제기점은 전형적으로 A-T 염기쌍이 많이 발견된다. 박테리아의 게놈은 7백만 개의 뉴클레오티드로 구성된 원형으로 되어 있으며, 단 한 개의 복제기점을 가지고 있다. 반면 인간의 게놈은 훨씬 커서, 약 10,000개의 복제기점을 가지고 있다. 인간의 경우에는 여러 군데에서 동시에 DNA복제를 개시하므로 세포는 상대적으로 신속하게 DNA를 복제할 수 있다.

 

5. 새로운 DNA 합성은 복제분기점에서 진행된다.

전자현미경으로 복제 중에 있는 DNA분자를 관찰하면, Y자 모양을 나타내는 부위를 볼 수 있는데, 이를 복제분기점(replication forks)이라 한다. 이들은 복제기점에서 서로 반대방향으로 진행하면서 DNA를 풀어 나간다. 따라서, 박테리아나 진핵세포 염색체에서 진행되는 DNA복제를 양방향성이라 한다. 박테리아는 초당 1,000뉴클레오티드 사람은 초당 100뉴클레오티드가 합성된다. 복제기계의 중앙에는 DNA중합효소(polymerase)가 있다. 이들은 모사슬을 주형으로 하여 새로운 DNA를 합성한다. DNA중합효소는 합성되고 있는 사슬에 새로운 뉴클레오티드를 첨가할 때마다 DNA로부터 분리되지 않고, 오히려 DNA와 연결되어서 중합반응이 여러번 반복되는 동안 일정한 순서와 형태를 가지고 DNA를 따라 움직인다.

 

6. 복제분기점은 비대칭형이다.

5’~> 3′ 방향으로 진행되는 DNA 중합반응 기작은 당 분자간의 연결형태로 인해 DNA이중나선을 이루는 각 사슬의 당-인산 골격은 독특한 화학적 방향성, 혹은 극성을 갖게 된다. 그러나, DNA중합효소는 오직 한 방향으로만 DNA합성반응을 촉매할 수 있다. 즉, 합성되는 가닥의 3′ 말단에만 새로운 소단위체를 첨가할 수 있다. 그 결과, DNA중합효소에 의해 합성되는 새로운 DNA가닥은 5’~>3′ 방향으로만 성장한다. 5′ 말단이 성장하는 DNA 가닥은, 5’~>3′ 방향의 복제분기점과는 반대방향으로 움직이는 DNA중합효소의 기능으로, 여러 개의 작은 조각이 불연속적으로 만들어진다. 이 조각들은 나중에 “짜깁기”과정을 거쳐 연속적인 사슬이 된다. 이와 같이 불연속적으로 합성된 DNA사슬을 지연사슬(lagging strand)이라고 하고 연속적으로 합성된 사슬을 선도사슬(leading strand)이라고 한다. 모든 세포의 복제분기점에는 선도사슬과 지연사슬이 있다. 공통점은 DNA복제를 담당하는 DNA방향으로만 첨가반응을 촉매한다는 사실이다.

 

7. DNA 중합효소는 자체수정기능을 갖고 있다.

DNA중합효소의 기능은 매우 정확해서 1,000만 쌍의 뉴클레오티드를 합성하는 동안 한 개의 오류만이 발생한다. DNA중합효소의 오류수정 기능을 교정(proofreading)이라고 한다. DNA중합효소는 5’~>3’방향의 중합기능뿐만 아니라 3’~>5’방향으로 작용하는 핵산분해효소의 기능도 갖고 있다. 이와 같은 교정기작(proofreading mechanism)을 살펴보면, DNA중합효소가 복제분기점에서 힘든 짜깁기를 수행해야 함에도 불구하고 5’~>3′ 방향으로만 DNA를 합성하는 이유를 알 수 있다. DNA중합효소가 DNA선 위를 따라 움직이는 동시에 자신의 중합반응 오류를 제거하는 자체수정 기능을 수행하기 위해서는 필연적으로 5’~>3′ 방향으로 진행해야 한다.

 

8. 짧은 RNA가 DNA 합성의 프라이머로 작용한다.

DNA중합효소는 DNA이중나선상에서 염기가 쌍으로 결합된 뉴클레오티드에만 새로운 뉴클레오티드를 첨가할 수 있기 때문에, 새로운 DNA사슬로부터 DNA 복제를 전혀 시작할 수 없다. 따라서 새로운 DNA사슬에서 DNA합성을 시작하기 위해서는 또 다른 효소가 필요하다. 이 효소가 합성하는 것은 DNA가 아니다. 이는 DNA 사슬을 주형으로 사용하여 짧은 길이의 리보핵산(ribonucleotide acid, RNA)을 합성한다. 함성된 RNA는 대략 10 뉴클레오티드이며, 주형사슬과 염기쌍을 이루고 있어서, DNA중합효소가 작용할 수 있는 3’말단을 제공할 수 있다. 따라서 합성된 RNA는 DNA합성의 프라이머로 작용하기 때문에, RNA를 합성한 효소를 프리마아제(primase)라 한다. RNA사슬은 당이 탈산소화되지 않은 5탄당으로 구성된 리보뉴클레오티드인 것을 제외하면, 화학적으로 DNA단일가닥과 매우 유사하다. 한편, RNA는 티민(T) 대신에 우라실(U)염기를 갖고 있다는 차이점이다. 그러나, U는 A와 염기쌍을 이룰 수 있기 때문에 RNA 프라이머는 DNA합성이 상보적 염기쌍을 근거로 진행되는 것과 마찬가지이며, DNA사슬을 주형으로 사용하여 합성된다. 선도사슬은 복제기점에서 복제를 시작할 대 단 한 개의 RNA 프라이머를 필요로 한다. 지연사슬은 DNA합성이 불연속적이기 때문에, 새로운 RNA 프라이머가 계속 필요하게 된다. 지연사슬을 구성하고 있는 여러 개의 DNA조각[발견한 생화학자의 이름을 따서 오카자키 절편이라고 부른다.]을 연결하기 위해서, 세 가지 다른 효소가 개입한다. 이들 효소는 RNA 프라이머를 제거하고, 그 자리에 DNA를 합성한 후, 그 DNA조각들을 연결시킨다. 핵산분해효소(nuclease)는 RNA 프라이머를 분해해 내고, 회복중합효소(repair pilymerase)라 불리는 DNA중합효소는 RNA가 제거된 자리에 DNA를 채워 넣으며, DNA 연결효소(ligase)는 새로 합성된 DNA의 5′-인산기와 인접해 있는 새로운 DNA조각의 3′-수산기를 결합시킨다.

 

9. 복제분기점에 위치한 단백질이 복제기구를 형성한다.

복제기구의 앞부분에 헬리카제(helicase)가 위치하며, 이는 ATP가수분해로 생기는 에너지를 사용하여 이중나선을 풀면서 DNA를 따라 이동한다. 복제기구의 또 다른 구성성분은 단일가닥결합단백질(single-single binding peotein)인데, 이는 헬리카제에 의해 풀려서 생성된 단일가닥에 결합하여 염기쌍의 재형성을 일시적으로 방지하는 기능을 한다. 활주캠프(sliding clamp)라 불리는 이 단백질은 DNA중합효소를 DNA주형에 단단히 부착시키는 한편, 지연사슬에서는 오카자키 절편이 완성될 때마다 중합효소를 DNA에서 방출시키는 기능을 담당한다.

 

10. DNA 회복

생물의 다양성과 비표의 거의 모든 지역에서의 서식은 몇 백만 년 동안 꾸준히 축적되어온 유전적 변화에 의존한다. 이 유전적 변화는 생물로 하여금 변화하는 조건들에 적응하고 새로운 서식지를 개척할 수 있도록 돕는다.DNA내의 변화는 돌연변이의 원인이다. 세포가 DNA복제와 회복과정에 실패하여 DNA상에 영구적인 변화를 허용하는 일은 매우 드물다. 이러한 영구적인 변화를 돌연변이(mutation)라 하는데 이로 인해 심각한 결과가 초래될 수 있다. 겸형적혈구빈혈증(sick-cell anemia)이라는 질병은 하나의 뉴클레오티드쌍에 일어난 돌연변이에 의해 유발된다. 유전병인 겸형적혈구빈혈증에서 볼 수 있듯이 생식세포를 돌연변이로부터 보호하는 것은 매우 중요하다. 생식세포(germ cells)에서 생긴 돌연변이는 이 세포에서 발생되는 다세포생물의 모든 세포에 전달되기 때문이다. 그러나 개체의 건강과 행복을 유지하기 위해서는 체세포(somatic cells)도 돌연변이로부터 보호되어야 한다. 체세포에서 일어나는 뉴클레오티드의 변화는 변형세포를 만들 수 있는데 이들 중 다른 세포는 다른 세포들을 희생시키면서 통제되지 않는 성장을 한다. 극단적인 경우에는 암이라는 통제되지 않는 세포증식이 초래되기도 한다.

 

11. DNA 미스매치회복 시스템은 복제기구의 복제실수를 제거한다.

세포는 실수를 교정하기 위한 체계를 갖추고 있는데 이를 미스매치회복(mismatch repair)이라 한다. 복제기구는 약 107 뉴클레오티드를 복제할 때 한 개의 실수를 범한다. DNA 미스매치회복은 이러한 실수의 99%를 교정함으로써 전체적으로 109 뉴클레오티드 복제시 한 개의 실수만을 허용한다. 진핵세포에서는 미스매치회복 기계가 어떻게 이 두 개의 가닥을 구분하는지 명확히 알려지지 않고 있다. 그러나 선도사슬 또는 지연사슬에 관계없이 새로 복제된 DNA가닥이 선택적으로 절단된다는 증거가 있다. 이 단사절단(single-stranded breaks)은 미스매치회복 기계가 적절한 가닥에 위치하도록 하는 신호를 제공하는 것으로 보인다.

 

12. DNA는 세포내에서 끊임없이 손상을 입는다.

세포의 어느 분자들이나 마찬가지로 DNA는 항상 다른 분자들과 충돌을 일으킨다. 이러한 충돌은 가끔 DNA에 중요한 화학적 변화를 유발한다. 예를 들면 이 문장을 읽는 동안에도 1조 개의 퓨린염기(A와 G)가 탈퓨린화(depurination)라는 자연적인 반응에 의해 제거된다. 다른 주요 변화는 DNA의 시토신으로부터 아미노기가 자연적으로 제거되어 우라실로 변화되는 탈아민화(deamination)반응이다. 화학적으로 반응성이 높은 대사산물이 DNA의 염기와 반응하여 염기쌍을 형성하는 성질이 변화되기도 한다. 태양의 자외선 또한 DNA에 손상을 일으키는데 자외선은 두 대의 인접한 피리미딘 염기 사이에 공유결합을 촉진하여 티민 이량체를 형성한다.

 

13. 유전자의 안정성은 DNA 회복에 의존한다.

대부분의 회복기작은 DNA이중나선의 두 가닥에 각 각 하나씩 두 개의 유전정보 복사물이 있다는 사실에 의존한다. DNA손상을 회복하기 위한 기본적인 경로는 다음과 같은 3단계에 따른다.

1. 손상된 DNA는 여러 핵산분해효소 중 한 가지에 의해 인지되어, 제거된다.

2. DNA회복중합효소는 잘려진 DNA 가닥의 3′-수산기에 결합한 후, 손상되지 않은 가닥의 저장된 정보에 상보적인 복사물을 만들어 간격을 채운다.

3. DNA회복중합효소가 간격을 메꾸고 나면 회복된 가닥의 당-인산 골격에 절단이 남는다. 이 절단은 DNA복제동안 지연사슬을 연결하는 DNA연결효소에 의해 봉합된다.

세포가 DNA회복효소를 만들기 위해 상당한 투자를 하고 있음을 보면 이러한 회복과정들의 중요성을 알 수 있다. 효모와 같은 단세포생물도 DNA회복을 위해 50이상의 단백질을 만들어 내는데, 인간의 DNA 회복경로는 효모보다 더 복잡하다. 이러한 DNA회복과정이 중요하다는 것은 그 과정이 결손되었을 대의 결과에 의해 잘 알 수 있다.

 

 

DNA가 정확히 유지되는 것은 근연인 종이 매우 비슷한 단백질 서열을 갖는 것을 뜻한다

유전정보는 수천만 년 이상 충실히 보존되어 오고 있다 따라서 인간과 침팬지가 약 500만년 이상의 서로 다른 과정의 진화후에도 아직 98%가 동일한 DNA서열을 갖고 있다. 위의 경우보다 10배 내지 20배의 진화기간을 갖는 사람과 고래는 매우 유사한 서열을 갖는 염색체와 거의 동일한 아미노산 서열을 갖는 많은 단백질을 공유한다. 따라서 우리와 우리의 진화적 친척들은 매우 오랜 과거에 어떤 책보다도 길고 자세한 정보를 게놈 내에 받은 것이다. DNA 복제와 회복의 충실성 덕분에 1억년의 세월도 그 중요한 내용을 거의 변화시키지 못하였다.

조상환

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