교정

DNA의 복제 과정에서 가장 핵심적인 기능을 수행하는 효소인 DNA 중합효소 (DNA polymerase)는 기본적으로 5′ 말단에서 3′ 말단 방향으로 염기쌍이 바르게 형성되도록 하면서 DNA를 합성해 나간다. 이와 더불어 반대로 3′ 말단에서 5′ 말단 방향으로의 핵산 말단 가수분해 효소 활성 (Exonuclease activity)도 가지고 있어 복제 중의 오류를 수정하는 기능도 수행한다. 보통 주형 DNA에 정확한 염기쌍을 형성하지 않은 염기가 복제 중의 DNA 가닥에 삽입된 경우, 그 염기가 제거되는데 이 때 이러한 3′ 말단에서 5′ 말단 방향으로의 핵산말단 가수분해 효소 활성이 작동을 하게 된다. 제거된 염기 부분에는 정확한 염기쌍이 형성되도록 적합한 염기가 새롭게 자리 잡게 된다. 이렇게 잘못된 염기를 수정하여 복제를 진행하는 DNA 중합효소의 기능을 교정 (proofreading) 기능이라고 한다.

목차

원핵생물인 박테리아에서는 총 3종류의 DNA 중합효소 (I, II, III)가 모두 3′ 말단에서 5′ 말단 방향으로 핵산말단 가수분해 효소 활성을 갖고 DNA 교정하는 기능을 할 수 있다. 반면 진핵생물의 경우, DNA 신장 (Elongation) 기능을 갖는 DNA 중합효소 δ (delta), ε (epsilon)만이 3′ 말단에서 5′ 말단 방향의 핵산말단 가수분해 효소 활성을 갖고 DNA 교정하는 기능을 할 수 있다.

교정 기능은 DNA 복제과정에서 뿐만 아니라 단백질을 새롭게 합성하는 과정인 mRNA의 번역 과정에서도 오차를 줄이기 위해서 나타난다. 이러한 과정은 DNA 복제과정에서의 교정과 유사하게 aminoacyl-tRNA의 잘못된 염기 서열이 나타나게 되면 이것이 펩타이드 결합을 형성하여 아미노산으로 형성되기 이전에 나타난다. 이를 통해서 잘못된 단백질의 합성을 막고 원래의 유전정보가 잘 전달될 수 있도록 한다.

DNA 중합효소가 DNA를 복제하는 과정에서 부정확한 염기가 새롭게 생성중인 사슬에 첨가되게 되면 5′ 말단에서 3′ 말단 방향의 복제 과정은 중단된다. 이러한 부정확한 염기를 인지한 복제 복합체 (Replication complex)는 핵산말단 가수분해 효소 활성을 갖는 단백질이 작용하여 3′ 말단에서 5′ 말단 방향으로 부정확한 염기 서열을 잘라내어 제거한다. 이렇게 부정확한 염기가 제거되면 다시 DNA 중합효소가 부정확한 염기가 들어갔던 자리에 상보적 결합에 부합하는 정확한 염기를 새롭게 첨가하고 5′ 말단에서 3′ 말단 방향으로 DNA를 복제 과정을 지속하게 된다 (그림 1).

그림 1. DNA 교정의 과정

DNA 복제 과정에서 생기는 잘못된 염기쌍의 대부분은 복제 복합체가 갖는 교정 기능에 의해 정확하게 회복되지만 DNA 복제 과정에서의 오류를 줄이기 위한 안전 장치로 일부 교정 후 남은 근소한 틀린 짝 DNA를 제거하고 회복하는 과정도 갖는데 이를 틀린 짝 회복 (mismatch repair)이라고 한다.

틀린 짝 회복의 과정은 우선 틀린 짝 DNA가 인지되고 그 주변 DNA사슬을 절단하는 것으로 시작된다. 틀린 짝을 포함한 DNA단편은 DNA 풀림효소 (helicase), 핵산말단 가수분해효소 (Exonuclease) 등의 작용으로 분해하여 제거된다. 그 후 복제과정에서 작용하였던 DNA 중합효소가 재차 제거한 부분을 올바른 결합짝이 형성되도록 복제한다. 이 과정을 통해서 올바른 짝을 가진 DNA 단편이 만들어 지면 DNA 연결효소 (Ligase)에 의해 제거되어 비어 있던 자리에 재결합시켜 수선을 완료시킨다 (그림 2). 이러한 안전 장치를 통하여 DNA 복제 과정에서 오차를 줄이고, 안정적으로 DNA의 복제가 이루어질 수 있게 된다.

그림 2. DNA 틀린 짝 회복

DNA 중합효소 (DNA polymerase), DNA 신장 (Elongation), 핵산말단 가수분해 효소활성 (Exonuclease activity), 복제 복합체 (Replication complex), 틀린 짝 회복 (mismatch repair), DNA 풀림효소 (helicase), 펩타이드말단 가수분해효소 (Exopeptidase), DNA 연결효소 (Ligase) 

생명과학대사전 (강영희, 개정판 2014., 도서출판 여초)

생명의 원리 (David M. Hills 외, 강해묵 옮김, 2012, 라이프사이언스)