오카자키 절편

모든 생명체의 DNA는 이중나선으로 구성되어 있으며, 역평행(antiparallel)의 특성을 나타낸다. 이러한 구조 때문에 두 가닥의 DNA는 동시에 같은 방식으로 합성될 수 없는 것으로 잘 알려져 있다. 선도가닥(leading strand)의 합성은 연속적으로 일어나는 반면, 반대쪽의 지연가닥(lagging strand)의 합성은 불연속적으로 일어나게 된다. 오카자키 절편(Okazaki fragment)은 DNA 복제가 불연속적으로 일어나는 지연가닥(lagging strand)에서 합성되는 상대적으로 짧은 길이의 DNA조각을 말한다. 1968년 일본의 과학자 오카자키 레이지(Reiji Okazaki), 오카자키 쓰네코(Tsuneko Okazaki)와 동료들이 DNA의 복제를 연구하던 중에 이 짧은 DNA 조각을 발견하여 이를 ‘오카자키 절편’이라는 명명하게 되었다. 오카자키 절편의 크기는 원핵생물의 경우 1000 ~ 2000 뉴클레오타이드 정도이고 이와 달리 진핵생물에서는 약 100 ~ 200 뉴클레오타이드로 알려져 있다. 

목차

기존에 DNA 복제에 대한 생각은 3‘ → 5’ 방향이나, 5‘ → 3’ 방향이나 모두 연속적으로 이루어진다는 것이었다. 그러다 1967년, 오카자키와 동료들은 5‘ → 3’ 방향은 DNA 중합효소(DNA polymerase)에 의해 이루어지지만, 3‘ → 5’ 방향으로의 복제에 대한 기작은 발견되지 않아 불연속적으로 이루어질 수도 있다는 가설을 제시하였다. 이러한 가설을 증명하기 위하여 대장균(E. coli)의 염색체에 새로 복제된 부분에 표지(pulse-label)하고, 변성(denaturation)시킨 후 DNA를 추출하여 관찰한 결과 방사성 동위원소로 표지된 많은 짧은 길이의 DNA가 검출되었다. 이와 더불어 짧은 DNA 가닥을 연결시켜주는 효소인 DNA 연결효소(DNA ligase)의 발견으로 복제가 불연속적으로 이루어진 후에 DNA 연결효소에 의해 연결될 수 있다는 것이 제시되었다.

1968년, 오카자키와 동료들은 DNA 연결효소가 온도에 민감하다면 그 조건에서 새롭게 생성된 짧은 가닥이 세포 안에 축적될 것이라는 가설을 세우고 이를 실험을 통해 증명하였다. 따라서 세포내에서 DNA 합성은 불연속적으로 이루어질 수 있고 DNA 연결효소에 의해 연결된다는 것을 증명하였으며 불연속적으로 생성되는 짧은 가닥을 오카자키 절편이라 하였다.

DNA 중합효소(DNA polymerase)에 의한 DNA의 합성은 항상 5‘ → 3’ 방향으로 일어나게 된다. 선도가닥(leading strand)은 상보적인 DNA가닥을 합성해나갈 때, 주형DNA(template DNA)의 3`에서 5`방향으로 읽어나가게 된다. 이 때, 복제 분기점(replication fork)의 진행방향과 동일하게 새롭게 합성되는 선도가닥은 5` → 3`방향으로 합성된다. 반면 지연가닥(lagging strand)의 상보적인 DNA가닥이 합성될 때는, 먼저 프라이메이즈(primase)를 이용하여 RNA 프라이머(RNA primers)를 합성하고 이를 이용하여 DNA 중합효소가 뉴클레오티드(nucleotide)를 붙이면서 5` → 3` 방향의 짧고 불연속적인 오카자키 절편을 형성한다 (그림 1).

그림 1. 오카자키 절편의 합성과정 (출처: 위키피디아, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6916971)

DNA 합성을 완료하기 위해서는 핵산내부가수분해효소(endonuclease)에 의해 프라이머가 제거되고, 이 자리를 DNA 중합효소가 다시 DNA를 합성하게 된다. 최종적으로 인접한 오카자키 절편들은 DNA 연결효소(DNA ligase)에 의해 연결되어 연속적인 DNA 가닥이 형성된다(그림 1).

지연 가닥(lagging strand)에 RNA 프라이머(primers)를 합성하여 DNA 중합효소가 5‘ → 3’ 방향으로 오카자키 절편이 합성할 수 있도록 하는 효소이다. 모든 DNA 중합효소는 DNA 합성을 위해 3‘ 하이드록실기(3’ hydroxyl group)가 반드시 있어야 한다. 그러나 프라이메이즈는 다른 RNA 중합효소와 마찬가지로 3’ 하이드록실기가 없는 상태에서 RNA 프라이머 합성을 시작할 수 있기 때문에 세포내의 DNA 합성과정에서 RNA 프라이머를 사용하게 된 것이다. 일반적으로 5 ~ 10개의 RNA 프라이머를 합성하게 된다.

지연가닥(lagging strand)에서 프라이메이즈(Primase)에 의해 생성된 RNA 프라이머(primers)를 이용하여 오카자키 절편을 합성하는 효소이다. 이 효소는 DNA 합성뿐만 아니라, 3' → 5'방향으로 DNA를 제거하는 핵산말단가수분해(exonuclease)기능도 가지고 있다. 따라서 DNA 복제 동안 새롭게 합성된 DNA에서 오류가 발생하면 이를 제거하고 다시 재합성한다.

대장균에서는 DNA 중합효소 III와 DNA 중합효소 I이 오카자키 절편의 합성 및 연결에 매우 중요한 역할을 한다. DNA 중합효소 III는 오카자키 절편의 합성에 관여하며, DNA 중합효소 I은 RNA 프라이머의 제거 및 이 빈자리를 채우는 역할을 하게 된다. 진핵세포의 DNA 중합효소 δ가 오카자키 절편을 포함하는 지연가닥을 합성하는 것으로 알려져 있다.

지연가닥에서 오카자키 절편의 합성이 끝나고 난 다음, DNA 중합효소 (DNA polymerase)에 의해 RNA 프라이머가 제거된다. 이 빈자리에 새로운 DNA가 합성된 이후에 서로 인접한 오카자키 절편들을 이어주는 역할을 하는 효소이다. 

선도가닥(leading strand), 지연가닥(lagging strand), DNA 중합효소(DNA polymerase), 프라이메이즈(Primase)

Molecular Biology of the Gene (7판)