DNA 연결효소

DNA 연결효소(DNA ligase)는 ATP를 사용하여 DNA의 5’인산기(phosphate)와 3’ 히드록시기(hydroxy) 사이의 포스포디에스테르(phosphodiester) 결합을 매개하는 효소이다. 생명체의 DNA 단일가닥 사이의 절단을 복구하는 기능을 수행함으로써 DNA의 복제와 수리 과정에서 사용된다. DNA 연결효소는 또한 분자생물학 연구의 핵심 방법 중 하나인 클로닝 과정에서 잘라진 두 개의 DNA를 붙이는 DNA 접착제 (paste) 역할을 수행하기 때문에 분자생물학을 사용하는 실험실에서 널리 사용되는 효소이다.

그림 1. DNA 연결효소(DNA ligase)의 작동 모식도 (출처: 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_ligase#/media/File:Ligation.svg)

그림 2. DNA를 수리하고 있는 DNA 연결효소(DNA ligase)의 모식도(출처: 위키피디아 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_Repair.jpg)

목차

최초의 DNA 연결효소는 1967년에 겔러트 (Gellert), 레만 (Lehman), 리차드슨 (Richardson), 허위츠 (Hurwitz) 연구실의 과학자들이 정제하고 기능을 분석하였다. 웨이스 (Weiss) 및 리차드슨 (Richardson)은 정제를 위해서 여러 스텝의 크로마토그래피(chromatography) 분획 과정을 사용하였다. 특성을 분석하는 과정에서 효소의 활성의 최적화를 위해서는 ATP와 Mg²⁺ 이온이 필요하다는 발견이 이루어졌다. 상업적으로 대량생산되어 분자생물학 연구에서 널리 사용되는 DNA 연결효소는 박테리오파지(bacteriophage) T4에 감염된 대장균에서 발견되었고 T4 DNA 연결효소 (T4 DNA ligase)라고 불리운다.

DNA 연결효소의 촉매 반응은 ATP 사용을 통하여 생성되는 에너지를 이용하여 DNA 사이의 포스포디에스테르 결합이 생성되는 과정으로서 다음의 4 단계로 진행된다.

(1) DNA 조각 등에서 생성된 5’ 인산기와 3’ 히드록시기 사이의 틈(nick)에 DNA 연결효소의 활성 부위가 위치한다.

(2) 효소의 활성 부위에 존재하는 라이신(lysine) 아미노산에 ATP에서 생성된 AMP가 공유결합되며 피로포스페이트(pyrophosphate)가 방출된다.

(3) 활성 부위의 AMP는 DNA의 5 ' 인산기로 옮겨져 피로포스포이트 결합이 형성된다.

(4) AMP가 떨어져나가면서 5 ' 인산기와 3' 히드록시기 사이의 포스포디에스테르 결합이 형성된다.

박테리아의 바이러스인 박테리오파지(bacteriophage) T4의 DNA 연결효소가 생물학 연구실에서 가장 많이 사용되는 DNA 연결효소이다. 대장균의 DNA 연결효소보다 무딘 끝(blunt end)에 대한 효율이 좋고, 이중 가닥인 DNA, RNA, DNA-RNA 하이브리드에 모두 사용가능하다. 플라스미드(plasmid) 벡터에 원하는 이중 가닥 DNA를 삽입하는 전형적인 실험실에서의 연결 반응에서는 주로 16 °C의 온도를 사용한다.

분자생물학의 클로닝에서 DNA 연결효소를 사용할 때 고려해야할 점 중 하나는 붙여야 할 DNA의 두 조각의 끝이 점착성 (sticky ends)인지 무딘 성격(blunt ends)인지이다. 기본적으로 점착성 끝일 때보다 무딘 끝일 때 효소가 더 많이 필요하여 훨씬 많은 양의 T4 DNA 연결효소를 사용해야 한다. 또한 점착성의 경우 끝부분의 단일 가닥들이 서로 상보적 수소 결합을 이루는 것이 용이하도록 안정한 낮은 온도를 유지하는 것이 중요한 반면, 무딘 끝인 경우는 서로의 말단이 서로 만날 확률을 높이기 위하여 분자 운동성을 촉진하도록 약간 더 높은 상온 (25°C)에서 연결 반응을 수행하는 것이 유리하다.

인간의 DNA 연결효소의 유전적 결핍은 면역 결핍, 방사선 감수성, 발달 이상 등의 유전적 질환에 밀접한 관계가 있다. LIG4 증후군 (Ligase IV syndrome)은 DNA 연결효소 4의 돌연변이와 관련된 드문 질환으로 DNA 이중가닥 끊어짐의 수리 기전이 잘 일어나지 못하여 개인의 면역 결핍을 일으키며 일반적으로 소두증과 골수 저형성증과 관련이 있다. DNA 연결효소의 결핍이나 오작동으로 인하여 발생하는 유전적 질병은 이외에도 색소성 건피증(Xeroderma pigmentosum), 모세혈관확장성운동실조증(Ataxia-telangiectasia), 판코니 빈혈증 (Fanconi anemia, FA) 등이 있다.

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Molecular Biology of the Gene, Seventh Edition (Watson et al., Pearson)