프리메이즈

DNA 합성과정에는 DNA 중합효소(DNA polymerase), DNA 헬리케이즈(DNA helicase), SSB(Single strand binding protein), DNA 연결효소(DNA ligase) 등 많은 효소가 관여한다. 그러나 이러한 효소가 모두 정상적인 기능을 가지고 있다고 하더라도 DNA 중합효소는 자체적으로 처음부터 DNA 합성을 개시할 수 없고 3-하이드록실기(3’-OH)가 제공된 경우에 합성을 시작하게 된다. 복제기점(Origin of replication)에서 이중가닥 DNA가 단일가닥으로 분리되면 또 다른 효소인 프리메이즈(Primase)가 가장 먼저 짧은 RNA 프라이머(RNA primer)를 합성하게 되고 이 프라이머의 3‘ 말단에 제공된 하이드록실기를 이용하여 DNA 중합효소가 DNA 합성을 시작하게 된다 (그림 1).               

그림 1. 프리메이즈에 의한 RNA 프라이머 합성 ()

목차

프리메이즈(Primase)는 DNA 복제에 관여하는 효소로 특화된 RNA 중합효소 중 하나이다. 이 효소는 단일가닥 DNA를 주형으로 하여 약 5 ~ 10개 뉴클레오티드로 구성된 짧은 RNA 프라이머를 합성하여 DNA 중합효소가 DNA 복제를 시작할 수 있도록 도와준다 (그림 1). 따라서 프리메이즈(Primase)에 의해 합성된 RNA 프라이머가 없으면 DNA 합성을 시작할 수 없기 때문에 이 효소는 DNA 복제에서 매우 중요한 역할을 한다.

DNA는 이중나선으로 구성되어 있으며, 역평행(antiparallel)의 특성을 나타낸다. 이러한 구조 때문에 두 가닥의 DNA는 각각 다른 방식으로 합성되어야 한다. 선도가닥(leading strand)의 합성은 연속적으로 일어나는 반면, 반대쪽의 지연가닥(lagging strand)의 합성은 불연속적으로 일어나게 된다. 따라서 지연가닥의 경우 오카자키 절편(Okazaki fragment)이라는 상대적으로 짧은 길이의 DNA조각으로 불연속적으로 합성된다. 선도가닥의 경우 연속적으로 DNA 합성이 일어나기 때문에 RNA 프라이머가 한번만 합성되면 되지만, 지연가닥의 경우 오카자키 절편의 수만큼 RNA 프라이머가 합성되어야 한다.

대장균에서 프리메이즈(Primase)는 DNA 헬리케이즈(DNA helicase)와 결합하여 프라이모솜(Primosome) 복합체를 형성하게 되며, 이 결합에 의해 프리메이즈(Primase)가 활성화되는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 DNA 헬리케이즈(DNA helicase)는 지연가닥(lagging strand)을 따라 움직이며 이중가닥 DNA를 단일가닥으로 분리하게 된다. 이렇게 형성된 단일가닥 DNA는 DNA 헬리케이즈와 결합되어 있는 프리메이즈(Primase)가 RNA 프라이머를 합성할 수 있는 장소가 된다. 실제로 대장균의 경우 프리메이즈(Primase)는 주로 GTA 염기서열을 포함하고 있는 부위에 RNA 프라이머를 합성하는 것으로 알려져 있는데, 이 염기서열은 주로 지연가닥(lagging strand)이 합성되는 DNA 가닥에서 많이 발견된다.

프리메이즈(Primase)는 DNA 합성에 매우 중요하지만 과도하게 활성화될 경우 또 다른 문제점을 야기시킨다. 예를 들면 프리메이즈(Primase)의 활성이 매우 높은 경우 그 만큼 많은 RNA 프라이머가 합성되며 이로 인해 오카자키 절편(Okazaki fragment)의 길이가 짧아지고 대신 그 수가 늘어나게 된다.

따라서 프리메이즈(Primase)와 DNA 헬리케이즈와의 결합을 적절히 조절하여 불필요한 RNA 프라이머의 합성을 억제할 수 있다.

프리메이즈(Primase)에 의해 합성되는 RNA 프라이머는 DNA의 구성성분이 아니기 때문에 DNA 합성을 완료하기 위해서는 RNA 프라이머가 반드시 제거되어야 하며 그 자리를 DNA 중합효소가 다시 DNA로 채워야 한다.

프라이머의 제거과정에는 RNase H, 5‘-핵산말단가수분해효소(5’ exonuclease), DNA 중합효소, DNA 연결효소(DNA ligase) 등이 필요하다. 가장 먼저 RNase H가 RNA 프라이머를 5‘ ⟶ 3’ 방향으로 제거한다. 그러나 이 효소는 DNA와 직접 연결되어 있는 마지막 리보뉴클레오티드는 제거하지 못한다. 대신 5’-핵산말단가수분해효소가 마지막 남아있는 리보뉴클레오티드를 제거하면 RNA 프라이머는 완전히 제거된다.

RNA 프라이머가 완전히 제거되면 이 부분은 단일가닥 DNA로 남게 되며 DNA 중합효소가 다시 상보적인 DNA 염기서열을 합성하고, 마지막으로 DNA 연결효소가 틈(nick)을 연결시켜주면 모든 과정이 마무리 된다.

프리메이즈는 DNA 복제를 위해 RNA 프라이머를 합성하는 것 외에 DNA나 RNA의 합성, 손상통과합성(Translesion synthesis), NHEJ (non-homologous end joining 등에도 직접 관여하는 것으로 보고되었다.

선도가닥(leading strand), 지연가닥(lagging strand), DNA 헬리케이즈(DNA helicase), DNA 연결효소(DNA ligase), DNA 중합효소(DNA polymerase), RNA 프라이머(RNA primer), 오카자키 절편(Okazaki fragment)

Molecular Biology of the Gene (7 판),