DNA

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DNA는 영어의 deoxyribonucleic acid를 줄인 말로, 이에 해당하는 적당한 우리말은 따로 없어 ‘디옥시리보핵산’이라 부르기도 한다. DNA는 유전물질(genetic material)을 담고 있는 세포의 핵 속에서 발견되는 두 종류의 핵산(nucleic acid) 중 하나로서 핵산을 구성하는 기본 구조인 리보오스(ribose)의 2번 탄소에서 산소원자 하나가 제거된(deoxy-) 형태의 핵산을 의미한다. 핵산의 나머지 한 종류는 리보오스의 2번 탄소에 산소원자가 그대로 존재하는 형태인 RNA (ribonucleic acid)이다. 생명체의 종류에 따라 예외가 있으나 보통 DNA는 유전정보를 보관 및 보존하는 데 이용되며, RNA는 유전정보를 발현하여 단백질을 만드는 과정 등에서 이용된다. DNA는 거의 모든 생물체의 유전물질로 사용되나, 일부 바이러스는 유전물질로 RNA를 대신 사용한다.

DNA의 구조는 1953년 제임스 왓슨(James Watson)과 프란시스 크릭(Francis Crick)에 의해 이중나선으로 구성되어 있음이 발표되며 자세히 알려지기 시작했지만, DNA 분자 자체와 그 화학적 조성은 그보다 훨씬 이전에 발견되어 명명되었다. 1871년 스위스의 생리학자 요하네스 프리드리히 미셔(Johannes Friedrich Miescher)가 사람의 백혈구 세포핵 속에 단백질이 아닌 물질 중 인(phosphorus)을 포함한 물질을 발견하고 뉴클레인(nuclein)이라 명명했다. 이후 리처드 알트만(Richard Altmann)은 이것의 이름을 핵산(nucleic acid)로 정정하였다. 이는 이후 보다 정밀한 화학적 구성이 알려진 후에 DNA와 RNA로 구분되어 명명되었다. 이보다 먼저 1878년에 독일의 생물학자 발터 플레밍(Walther Flemming)은 호염기성 염료인 아닐린(aniline)으로 세포를 염색했더니 진하게 염색되는 핵 속의 실 모양 물질을 발견하고 이를 염색체(chromosome)라 명명했다. 후에 이것이 유전물질을 포함하고 있음이 알려지게 되었으나 정확히 말하자면 염색체는 DNA와 이에 결합한 단백질들의 혼합물에 해당한다. 20세기 초까지도 염색체를 구성하는 두 가지 요소, 즉 단백질과 DNA 중 단백질이 유전자를 구성하는 주요 물질일 것으로 추측되었다. 아데닌(Adenine, A), 구아닌(Guanine, G), 사이토신(Cytosine, C), 타이민(Thymine, T)의 네 가지 물질로만 구성된 DNA는 유전정보로 사용되기에는 너무 간단해 보였으나, 단백질은 20가지의 아미노산의 다양한 조합으로 복잡한 유전현상을 설명하기에 적합했기 때문이다. 그러나 1928년 영국의 미생물학자 프레데릭 그리피스(Frederick Griffith)와 1944년 미국의 미생물학자 오스왈드 에이버리(Oswald Avery)의 폐렴구균 형질전환 실험, 그리고 1952년 뉴욕 콜드스프링 하버 연구소(Cold Spring Harbor Laboratory)의 알프레드 허쉬(Alfred Hershey)와 마사 체이스(Martha Chase)의 박테리오파지(bacteriophage) 감염 실험을 통해 DNA가 유전물질을 포함하는 분자임이 증명되었다.

DNA와 RNA는 모두 뉴클레오타이드(nucleotide)를 기본 골격으로 하는 선형 중합체(polynucleotide)로 구성되어 있다. 뉴클레오타이드는 동량의 염기(base), 당(sugar), 인산(phosphate) 분자가 공유결합된 형태로 구성되어 있다 (그림 1). 여기서 당은 5탄당인 리보오스(ribose)이다. DNA와 RNA 모두 네 종류의 염기를 가지고 있는데, DNA는 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 타이민(T)을 가지고 있는 반면, RNA는 타이민 대신에 유라실(Uracil, U)을 가지고 있다. 아데닌과 구아닌은 퓨린(purine) 염기이며 사이토신과 타이민, 유라실은 피리미딘(pyrimidine) 염기에 해당한다 (그림 2). 뉴클레오타이드의 선형 중합체는 뉴클레오타이드의 당이 서로 인산디에스터(phosphodiester) 결합으로 연결되어 만들어진다. 한 뉴클레오타이드의 리보오스를 구성하는 3번 탄소의 수산화기(3’-OH)가 인산기(phosphate)에 연결되고, 이 인산기는 다음 뉴클레오타이드의 리보오스를 구성하는 5번 탄소의 수산화기(5’-OH)에 연결됨으로써 인산디에스터 결합을 구성한다. DNA는 두 가닥의 뉴클레오타이드 선형 중합체가 서로 반대 방향(antiparallel)으로 마주 놓인 채 염기 간 안정한 수소결합(hydrogen bond)을 형성함으로써 이중가닥의 나선 구조를 형성하게 된다.

그림 1. 뉴클레오타이드의 화학적 구조. DNA는 동량의 염기, 당, 인산 분자가 공유결합으로 연결되어 형성된 뉴클레오타이드를 기본 골격으로 하는 선형 중합체로 구성되어 있다. (A) 뉴클레오사이드인 아데노신의 구조. 당과 아데닌 염기가 베타-글리코시드 결합으로 연결되어 있다. (B) 뉴클레오타이드인 아데노신 삼인산(ATP)의 구조. (출처: 한국미생물학회)

그림 2. DNA와 RNA 모두 네 종류의 염기를 가지고 있는데, DNA는 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 타이민(T)을 가지고 있는 반면, RNA는 타이민 대신에 유라실(Uracil, U)을 가지고 있다. 아데닌과 구아닌은 퓨린(purine) 염기이며 사이토신과 타이민, 유라실은 피리미딘(pyrimidine) 염기에 해당한다. (출처: 한국미생물학회)

DNA는 두 뉴클레오타이드 선형 중합체 사슬이 서로 반대 방향으로 뻗어 나가면서 공통의 축 둘레를 오른쪽으로 감으면서 이중나선 구조를 형성한다. 이 이중나선에서 염기는 나선의 안쪽에 있고, 인산과 디옥시리보오스는 바깥쪽에 있으며 나선의 지름은 20 Å이다. 염기들은 평면상에서 염기 쌍(base pair)을 형성할 수 있는데 A는 T와, G는 C와 각각 염기 쌍을 만든다. A-T 염기 쌍은 두 개의 수소결합으로, G-C 염기 쌍은 세 개의 수소결합으로 결합해 있다 (그림 3). 이중나선에서 회전은 약 10개의 염기 쌍마다 한 번씩 일어난다. 염기 쌍들은 서로 3.4 Å 만큼 떨어져 있고, 나선 축을 따라 36° 회전하고 있다. 또한 염기 쌍의 평면은 나선 축에 수직이다. 이중나선 DNA 구조에서 큰 고랑(major groove)과 작은 고랑(minor groove)을 볼 수 있는데, 이 두 종류의 고량이 생기는 이유는 염기 쌍을 형성하는 두 글리코시드 결합이 대각선상에 있지 않기 때문이다. 말 그대로 큰 고랑은 작은 고랑보다 더 넓고 더 깊다. 큰 고랑의 너비는 12 Å이고, 작은 고랑의 너비는 6 Å이다. 또한 큰 고랑의 깊이는 8.5 Å, 작은 고랑의 깊이는 7.5 Å이다. 이 고랑에는 추가적으로 수소결합을 할 수 있는 염기 쌍의 원자들이 위치해 있으므로, 특정한 DNA 염기서열을 인식하는 단백질들이 이 고랑에서 염기 쌍과 수소결합을 함으로써 특정 염기서열과 상호작용할 수 있다. 특히 큰 고랑은 크기가 더 크기 때문에 다양한 단백질들과 상호작용하는데 주로 사용된다.

그림 3. DNA의 물리적 구조. (A) 염기들은 평면상에서 염기 쌍(base pair)을 형성할 수 있는데 A는 T와, G는 C와 각각 염기 쌍을 만든다. A-T 염기 쌍은 두 개의 수소결합으로, G-C 염기 쌍은 세 개의 수소결합으로 결합해 있다. (B) DNA는 두 뉴클레오타이드 선형 중합체 사슬이 서로 반대 방향으로 뻗어 나가면서 공통의 축 둘레를 오른쪽으로 감으면서 이중나선 구조를 형성한다. 이중나선 구조는 큰 고랑(major groove)과 작은 고랑(minor groove)을 생성한다. (출처: 한국미생물학회)

정우현/덕성여자대학교

이정신/강원대학교