복제기점

세포분열 과정에서 가장 중요한 것은 유전정보를 포함하고 있는 유전체(genome)가 정확하게 복제되어 딸세포로 전달되는 것이다. 세포분열을 위해 유전체내에서 DNA 복제가 시작되는 부분의 염기서열을 복제기점(Origin of replication)이라 한다. 일반적으로 원핵생물(prokaryotes)의 경우는 원형(Circular)형태의 DNA를 가지고 있으며, 전체 유전체 내에 한 개의 복제기점(Origin of replication)이 있는 것으로 알려져 있다. 이와 달리 진핵생물(eukaryotes)은 주로 선형(linear)형태의 DNA를 가지고 있으며 하나의 선형 DNA에 여러 개의 복제기점(Origin of replication)이 포함되어있다. 복제 기점(Origin of replication)은 종마다 차이가 있지만 공통적으로 복제기점 서열에 A(아데닌) 과 T(티민)이 많아 쉽게 단일가닥으로 분리될 수 있다는 특징을 가지고 있다. 

목차

대부분의 원핵세포는 하나의 원형 DNA를 가지고 있고 하나의 복제기점을 시작점으로 하여 복제가 시작된다. 그 구조가 잘 알려진 대장균의 복제기점은 약 245 염기쌍(base pairs)으로 이루어져 있으며 두 개의 중요한 염기서열이 있다 (그림 1).

1) 13개의 염기서열(13-mer) : 총 3개가 인접해 있음

2) 9개의 염기서열(9-mer) : 총 5개가 존재함

이중 13개의 염기 서열은 A와 T가 많은 것이 특징이며, 9개의 염기서열은 DnaA라는 복제 개시 단백질의 결합부위이다. DNA에 복제에 관여하는 모든 단백질들은 염기서열에 상관없이 DNA에 결합하지만, 유일하게 DnaA 단백질은 9개의 염기서열(9-mer)을 인식하고 특이적으로 결합한다(그림 1).

그림 1. 대장균과 효모의 복제기점 (출처: 한국분자·세포생물학회)

DnaA가 결합하게 되면 DNA가 고리모양으로 감기게 되는데 이러한 구조에 의해 단일가닥으로 쉽게 분리되도록 주로 A와 T 염기서열을 가진 13개의 염기서열(13-mer)이 풀리게 된다. 이로 인해 이중가닥을 단일가닥으로 풀어주는 DnaB 헬리케이즈(helicase)가 결합하고, 결국 형성된 단일가닥에 DNA 중합효소(DNA polymerase)가 결합하여 복제를 시작한다.

플라스미드(Plasmid)는 많은 세균에서 발견되는 원형의 DNA로 세균 내에서 자체적으로 복제가 가능하도록 스스로의 복제기점을 가지고 있다. 세균의 유전체는 세포가 분열할 때 정확히 한번 복제되는 반면 플라스미드의 경우 복제기점에 따라 복제되는 정도가 다른 것으로 알려져 있다. 대표적인 예로 pBR322라는 플라스미드는 세포 당 3~40개가 존재하지만 pUC 플라스미드는 세포 당 약 500개까지 존재하는 것으로 알려져 있다. 특히 pUC의 경우 많은 양의 DNA를 손쉽게 얻을 수 있기 때문에 유전자 클로닝에 많이 활용된다.

진핵생물에서는 출아효모(budding yeast, Saccharomyces cerevisiae)에서 처음으로 복제기점이 발견이 되었다. 효모의 복제기점에는 대장균의 13개의 염기서열(13-mer)과 유사한 B2 서열이 하나 존재하며, 9개의 염기서열(9-mer)와 유사한 B1과 A 서열이 존재한다. A와 B1 서열에는 복제 개시 단백질인 ORC가 결합하고, B2 서열에는 DNA 헬리케이즈(helicase)가 결합하여 이중가닥 DNA를 단일가닥으로 풀어주게 된다 (그림 1). 

모든 진핵생물은 다양한 서열의 복제기점을 가지고 있지만, 서열은 달라도 공통적으로 사전 복제 복합체(pre-replication complex, pre-RC)를 형성되고 복제가 시작된다. 먼저 ORC(origin recognition complex)가 복제기점에 결합하면 Cdc6과 Cdt1이라는 단백질이 상호작용을 통해 MCM(mini chromosome maintenance) 단백질을 불러들이게 된다. 이렇게 형성된 단백질 복합체를 사전 복제 복합체라고 한다. 사전 복제 복합체(pre-replication complex, pre-RC)가 형성되면 복제기점을 시작점으로 하여 DNA 복제가 진행된다(그림 2).

그림 2. 복제기점에서 복제의 시작(출처: 위키피디아, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17537769 )

DNA 복제(DNA replication), 헬리카제(helicase), DNA polymerase(DNA 중합효소), 복제 개시 단백질(Initiator, DnaA), 사전 복제 복합체(pre-replication complex, pre-RC), ORC(origin recognition complex) 

Molecular Biology of the Gene (7판)