프라이머

DNA 합성시, 주형에 상보적인 또 하나의 중합체 가닥이 만들어지는 개시점이 되는 짧은 유전자 서열이다. 즉, 중합체 합성의 초기에 필요한 짧은 절편을 프라이머(Primer)라 한다. 프라이머는 DNA 합성을 위한 시작점으로 RNA 또는 DNA이며 일반적으로 약 18-22개의 염기서열을 갖는다. DNA 복제 시에 프라이머가 필요한 이유는 이 과정을 촉매하는 DNA 중합효소가 이미 존재하는 유전자 절편에 새로운 뉴클레오티드를 붙이는 역할만 하기 때문이다. DNA 중합효소는 프라이머의 3' 말단을 개시점으로 반대편 가닥을 복제한다.

DNA 복제 과정 중 꼭 필요한 짧은 절편의 RNA는 RNA 프라이머라고 불리며 DNA 합성을 개시하는데 중요하다. DNA 프라이머는 인체 내에서는 발견되지 않으며 주로 실험실에서 DNA 중합효소를 이용한 실험기법들(DNA 시퀀싱과 중합효소 연쇄반응 등)을 수행할 때 합성하여 사용하는 경우가 많다.

목차

DNA가 합성될 때, 새로운 DNA는 프라이머가 만들어지지 않으면 합성되지 않는다. DNA를 합성하는 DNA 중합효소는 3‘-OH기를 가진 프라이머를 필요로 한다. 프라이머 형성에 대한 근본적인 질문에 대해 새로운 DNA 가닥은 RNA 중합효소에 의해 만들어 질 수 있다는 사실에 기초하여 RNA가 DNA 합성을 촉진할 수 있다고 생각하였다. 이후 콘버그(Kornberg)는 새롭게 형성되는 DNA 가닥에 짧은 RNA 절편이 결합되어 있음을 발견하였다. 프리메이즈(Primase)라 불리는 RNA 중합효소는 목표 위치에서 주형 DNA에 상보적인 짧은 RNA 절편(5개 뉴클레오타이드 미만)을 합성한다 (그림 1). 이 RNA 프라이머는 새로운 DNA 가닥 합성을 촉진하고 반응 종결시에 DNA 중합효소에 의해 제거된다. 이는 DNA가닥에 대한 RNA 프라이머의 일시적 결합에 의해 DNA 사슬을 정확하게 합성하게 되고 이후 RNA 프라이머는 제거되고 정확한 상보적인 DNA 염기들로 치환됨으로 새로운 DNA 가닥이 완성되는 것이다 (그림 1).

그림 1. RNA 프라이머와 DNA 합성. (출처: 한국분자·세포생물학회)

DNA 프라이머는 중합효소 연쇄반응을 통한 DNA 합성에서 꼭 필요한 역할을 한다. DNA 합성시 프라이머는 증폭시킬 유전자에 대해서 각 나선의 바깥쪽에 상보적으로 결합되는 짧은 뉴클레오티드이다. 이들의 길이는 18에서 24개 정도의 뉴클레오디드이고 대개 30개는 넘지 않는다 (그림 2).

프라이머는 DNA 주형의 정확한 위치에 잘 결합해야 하고 5'→3’ 방향으로 DNA 합성이 상보적으로 진행되기 위한 시발점이 된다. 이는 양방향에서 동시에 일어나게 되는 데 한 반응이 끝나면 원래의 DNA 양은 2배로 증폭되고 이들 DNA는 모두 다음 순환반응에서 동일한 프라이머에 대한 주형이 된다(그림 2). 따라서 사이클 수(n)의 증가에 따라 DNA양은 2ⁿ 으로 기하 급수적으로 증폭된다.

그림 2. PCR 반응에서 첫 번째 순환. (출처: 한국분자·세포생물학회)

중합효소연쇄반응에 이용되는 프라이머 짝은 PCR 반응 동안 양쪽 DNA 주형에 대해 동시에 복원(annealing) 반응이 일어나야 하므로 유사한 녹는 점(T_m; melting temperature)을 지녀야 한다. T_m 값이 PCR 반응의 복원온도(annealing temperature) 보다 지나치게 높은 프라이머의 경우 DNA 합성 과정 중에 잘못된 염기간 잡종화를 유발할 수 있고 잘못된 위치에서의 DNA 신장반응이 진행될 위험이 있다. 반면 T_m값이 복원온도에 비해 지나치게 낮은 경우 PCR 반응 중 복원에 실패하게 되고 DNA 신장은 일어나지 않는다.

프라이머 염기서열은 표적 DNA의 염기서열의 반복성 정도에 따라서 매우 주의깊게 선택되어야 하는데, 그 이유는 목표 DNA 내의 유사한 다른 염기서열에서 잘못된 결합이 일어나는 것을 방지하기 위해서이다. 적절한 프라이머 디자인을 위해 자주 사용되는 방법은 BLAST 검색법이며 프라이머 자체 뿐 아니라 뉴클레오티드 서열이 모두 BLAST에 의해 검색될 수 있다. NCBI 웹도구인 Primer-BLAST 역시 프라이머 디자인에 자주 이용된다. 기타 상업적인 소프트웨어 도구들이 프라이머 디자인에 이용될 수 있다.

생화학과 분자생물학의 많은 연구분야에서 DNA 시퀀싱, 중합효소 연쇄반응(PCR) 등 DNA 중합효소에 의한 각종 실험 과정에 프라이머가 이용된다. 이들 프라이머들은 화학적으로 합성된 올리고뉴클레오티드로 주로 20-30 염기쌍의 길이이다.

뉴클레오티드(nucleotide), 오카자키 절편(Okazaki fragment)

Biochemistry (Lubert Stryer저, 4판)