복제원점

복제원점은 chromosome상의 특정 DNA sequence로서 DNA 복제가 시작되는 곳이다. 원핵생물의 경우에는 DNA 복제가 단 하나의 복제원점으로부터 시작되어 양방향(bidirectionally)으로 진행된다. 대부분 A와 T nucleotide가 반복적으로 나타나는 특징을 가지고 있으며 A와 T의 함량이 높으므로 DNA의 다른 지역보다 이중나선구조가 풀리기 쉽다.

목차

대장균(Escherichia coli)의 genome은 단 하나의 염색체로 구성되어 있고 단 하나의 복제 원점에서 복제가 시작된다. 대장균의 복제 원점은 oriC라고 불리며 3개의 A-T가 많은 13 mer의 repeat와 4개의 9-mer repeat로 구성되어 있다. DNA initiator protein인 DnaA 단백질은 세포 성장 상태에 따라 양이 증가하고 세포가 충분히 성장하여 DnaA 단백질의 양이 충분해지면 10~20개의 DNA initiator protein인 DnaA 단백질이 9-mer repeat에 결합한다. 결합 후 DNA가 DnaA 단백질 결합체(DnaA protein complex) 주변을 감싸기 시작하면 core가 형성되고, 이러한 DNA의 coiling이 13-mer의 A-T rich region의 DNA 두 가닥의 분리를 촉진시킨다. 두 가닥이 분리되면 helicase loader인 DnaC 단백질이 helicase인 DnaB 단백질을 풀어진 각각의 단일 DNA 가닥에 결합하도록 도와준다. Helicase DnaB의 결합이 primosome이라고 불리는 단백질의 복합체가 결합할수 있는 기반이 되어 primosome을 구성하는 단백질들이 와서 각각의 풀린 단일 DNA 가닥에 와서 결합하고, 그 이후에 DNA 중합효소(DNA polymerase III)가 결합하여 DNA 복제가 시작된다.

복제 원점의 갯수는 염색체의 크기에 따라 다르다. 세균(bacteria)이나 고균(archaea)의 경우는 대부분 하나의 원형 염색체(circular chromosome)를 가지므로 주로 하나의 복제 원점을 갖는다. 이와는 반대로 진핵생물은 주로 선형의 염색체(linear chromosome)를 가지고, 이러한 크기가 큰 선형염색체는 생명 현상을 유지할 수 있는 속도로 DNA 복제를 하기 위해 많은 복제 원점을 가지고 있다. Genome크기에 비례하여 효모(yeast)의 경우 400개, 사람의 경우는 30,000~50,000개의 복제 원점을 갖는다.

oriC 시퀀스는 원형 염색체의 특정 위치에 존재하며 주로 bacterial initiator protein인 DnaA에 해당하는 유전자와 인접하여 위치한다. oriC 시퀀스는 길이가 100부터 1,000 bp까지 다양하며 시퀀스 자체도 다양하다. 공통적인 특징으로는 DNA 두 가닥의 분리를 도와주는 A-T-rich DNA unwinding element (DUE)와 DnaA 단백질에 의해 인식되는 9-bp motif (DnaA box)가 존재한다는 점이다. DnaA box의 수와 배열은 세균 종류에 따라 다르지만, 주로 oriC 시퀀스 영역 안에 모여있는 특징을 가진다. 대장균에서 5’-TTATC/ACACA-3’ 시퀀스가 존재하여 높은 친화력(Kd, 4-100 nM)으로 활성 형태의 DnaA-ATP에 의해 결합된다. 그러나, 낮은 친화력의 DnaA box도 비활성 DnaA-ADP에 비해 활성형태의 DnaA-ATP가 강하게 결합하므로 이러한 특징이 세포의 성장 상태와 복제전 복합체(pre-RC) 형성을 연결하는데 중요한 특징이 된다.

대장균뿐 아니라 다른 박테리아들도 복제원점에 DnaA와 oriC 시퀀스의 결합을 조절하는 인식 부위를 지닌다. 이런 조절 부위들은 여러가지 방식을 통해 세포 분열 주기동안 복제원점이 적절하게 활성화되거나 비활성화되도록 도와준다. Origin DNA를 적절히 구부려서 DnaA 단백질의 oligomerization을 도와주거나 방해하기도 하고, 직접적으로 DnaA 단백질이 low-affinity 인식부위로 접근하는 것을 막기도 한다. 대장균에서는 DNA bending을 도와주는 Fis와 IHF 단백질이 초기 시작 단계에서 각각 repressor와 stimulator로 작용해서 oriC DNA 형태의 DnaA 단백질의 접근을 조절하는 스위치로 작동한다. 이러한 DNA bending 단백질들이 세포의 생존에 영향을 미치지는 않지만 pre-RC 형성의 시기에 영향을 미친다.

그림. 생명의 모든 도메인의 복제원점. 공통적으로 복제를 시작하는 initiator 단백질이 복제원점을 인식하고 폴리머(polymer)를 이루어 DNA를 풀고 DNA helicase가 접근할 수 있는 복제전 콤플렉스(prereplicative complex: pre-RC)를 만든다. 진핵생물에서는 initiator 단백질이 6개로 이루어진 복제원점인식복합체(hexameric origin recognition complex: ORC)를 먼저 형성한 후에 DNA에 결합한다. 원핵생물에서는 단일 initiator 단백질(archaea는 Orc1/Cdc6, 박테리아는 DnaA 단백질)이 복제원점의 인식부위에 결합하고 DNA상에서 복합체를 만든다. 모든 경우에 DNA helicase (MCM 또는 DnaB)이 그 이후에 복제원점에 와서 DNA중 한가닥에 결합한다. 박테리아에서는 DNA를 휘게 도와주는 단백질들(Fis 또는 IHF)이 DNA origin을 휘게 도와서 복제전 복합체(pre-RC) 형성을 돕기도 한다. DnaA 단백질은 두가지 활성을 지니는데 1) 복제 원점을 인식해서 결합하고(큰 녹색 원) 2) DnaC 단백질을 도와 DnaB helicase가 단일가닥 DNA에 결합하는 것을 돕는다 (작은 녹색원). (그림: 이은진/고려대)

이은진/고려대학교

이정신/강원대학교