DNA 복제

DNA 복제 (DNA replication)는 원본 DNA 분자 하나로부터 두 개의 동일한 DNA 복제본을 생산하는 생물학적 과정이다. DNA 복제는 생명체의 근본 특징으로서 세포 분열의 간기 합성 단계 (synthesis phase: S phase)에 매우 정확하게 조절되어 일어난다. DNA 복제가 정확하게 일어나지 않는 경우 돌연변이의 원인이되어 심각한 문제를 발생시키기도 한다. 이는 체세포의 경우 암 발생의 원인이 될 수 있고, 생식세포의 경우엔 유전병을 일으킬 수 있다. 실제로 DNA 복제 시의 에러는 대략 십억분의 일의 확률로 일어나며 그조차도 DNA수선 (DNA repair)기능으로 대부분 고칠 수 있다.

DNA를 구성하는 상보적 가닥의 이중 나선이 복제 과정 동안 분리되어 각 가닥이 복제본 생산을 위한 주형 (template)으로 사용된다. 이러한 과정을 반보존적 복제 (semi-conservative replication)라고 부른다. DNA 복제는 게놈상의 복제 기원 (origin of replication)이라는 부분에서 시작된다. 먼저 DNA의 이중가닥이 풀리고, 새로운 복사본 가닥의 합성이 양방향으로 Y자 모양의 복제 포크 (replication fork) 형태로 진행된다 (그림 1). DNA 합성을 위해 많은 단백질이 관여하는데 가장 중요한 DNA 중합효소 (DNA polymerase)는 각각의 주형을 원본으로 복제본 가닥을 구성하는 디옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide)를 추가한다.

그림 1. 복제포크에서의 DNA의 반보존적 복제(출처: 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_replication#/media/File:DNA_replication_split.svg )

DNA 복제 과정은 개시 (initiation), 신장 (elongation), 종료 (termination)의 세 과정으로 구성되며 그 각각의 과정에 다양한 요소들을 필요로 한다.

목차

개시 (initiation) 단백질이 게놈 상의 복제기원에 부착됨으로써 시작된다. 개시 단백질은 원핵생물 (prokaryote)인 대장균의 경우 DnaA이며 진핵생물 (eukaryote)인 효모의 경우 복제기원 인식 복합체 (origin recognition complex: ORC)라고 하는 여러 단백질의 복합체이다. 이들 단백질은 복제 기원으로부터 이중 가닥을 풀어서 각각의 단일 가닥들이 주형 가닥으로 사용될 수 있게 한다.

DNA 중합효소는 신장 과정에서 DNA 복제를 수행하는 핵심효소이다. 하지만 일반적인 DNA 중합효소는 새로운 가닥의 합성을 바로 시작할 수 없기 때문에 DNA 합성의 시작에는 프라이머 (primer)라 불리는 RNA 단편을 필요로 하며 이의 합성을 위해 일종의 RNA중합효소(RNA polymerase)인 프리메이즈(primase)가 필요하다. DNA 중합효소는 DNA의 주형 가닥(template strand)에 상보적으로 수소 결합 (hydrogen bonding)하는 DNA의 구성 염기를 가지는 뉴클리오티드를, 복제되는 새로운 가닥 (new strand)의 3' 말단에 추가한다. 즉, DNA의 합성은 언제나 5’에서 3’ 방향으로 일어나며, 주형 가닥과 새로운 가닥 사이에는 아데닌 (adenine: A)과 티민(thymine: T), 구아닌(guanine: G)과 시토신(cytosine: C) 사이의 결합을 유지하게 된다. DNA 중합 과정의 에너지는 결합되기 전의 뉴클레오티드에 존재하는 3개의 인산염 (tri-phosphate)이 지니고 있는 에너지 결합의 가수 분해로부터 생성된다. 그 결과 성장하는 새로운 가닥의 뉴클레오티드의 인접한 인산기 (phosphate) 사이에 인산다이에스터 (phosphodiester) 결합이 일어나며 이로써 DNA 가닥이 지속적으로 중합하여 복제될 수 있다.

DNA의 중합은 복제포크 상의 두 가닥 모두에서 일어나는데 DNA 중합이 5’에서 3’ 방향으로만 일어나기 때문에 이 방향이 자연스러운 선두가닥 (leading strand)과 방향의 역행으로 인해 불연속적으로 진행되는 지연가닥 (lagging strand)으로 나뉘게 된다 (그림 2). 즉, 선두 가닥은 포크가 열리면서 하나의 프라이머로부터 지속적으로 포크 쪽 방향으로 DNA 중합 효소에 의해 5’에서 3’으로 DNA의 중합이 형성된다. 반면, 지연가닥은 5’에서 3’으로의 중합의 진행을 위해 복제 포크가 어느 정도 열린 후 포크로부터 멀어지는 방향으로 오카자키 단편 (Okazaki fragment)이라고 불리는 새로운 가닥의 연장이 불연속적으로 형성된다.

이후 RNase가 프라이머 RNA 단편을 제거하고 DNA 중합 효소가 이 빈 부분을 채우게되며, DNA 단편들 사이의 중합이 일어나지 않은 닉 (nick) 부분을 DNA 연결효소 (DNA Ligase)가 채우게 된다.

DNA의 중합의 신장을 위해서 이외에도 3차원의 꼬임을 풀어주는 토포아이소머레이즈 (topoisomerase), 복제 포크에서의 이중가닥을 풀어주는 DNA 헬리케이즈 (DNA helicase), 복제 포크에서 노출된 단일가닥 DNA에 부착되어 안정화시키는 단일가닥부착단백질(single-strand binding (SSB) protein), 신장 과정에서 DNA 중합효소가 DNA로부터 떨어지는 것을 막아주는 DNA 클램프 (DNA clamp) 등이 필요하다.

그림 2. DNA 복제 포크. DNA 복제 중에 필요한 여러가지 효소와 단백질이 표시되어 있다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ADNA_replication_en.svg

원핵생물의 염색체는 원형으로 되어 있으므로 두 개의 복제 포크가 부모염색체 (parental chromosome)의 반대편에서 만날 때 복제가 종결된다. 진핵 생물은 염색체의 여러 지점에 DNA 복제 기원이 존재하므로 복제 포크는 염색체의 여러 부분에서 만나 종결된다. 진핵 생물의 염색체는 선형이기 때문에 프라이머가 제거되더라도 DNA 중합효소가 작용할 수 없는 염색체의 맨 끝 부분에는 DNA를 채워 넣을 수 없다. 이를 "말단 복제 문제(end-replication problem)"라고 하여 이의 해결이 없이는 복제가 지속될 때 DNA의 끝 부분을 계속 잃게 된다. 이의 해결책으로 진핵생물은 텔로미어 (telomere)라고 하는 특정한 반복적인 서열을 지니는 DNA를 끝부분에 지니고 있으며, 이는 텔로머레이즈(telomerase)라는 일종의 역전사효소(reverse-transcriptase)에 의해서 생성이 된다.

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Genetics 5/E: From Genes to Genomes (Hartwell et al., McGraw-Hill)