홀리데이 접합

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홀리데이 접합

[ Holliday junction ]

세포 분열 동안 일어나는 상동 재조합(homologous recombination) 과정에서 두 개의 이중 나선 DNA 사이에 교차가 일어나서 만들어지는 십자가 모양의 구조를 지칭하는 말. 1964년 영국의 유전학자인 로빈 홀리데이(Robin Holliday)가 최초로 이 구조를 제안했다. 이 홀리데이 접합은 여러 형태의 유전자의 재조합 과정과 양 가닥 절단 수선(double-strand break repair)에 중요한 중간 구조물이다.

목차

  1. 1.기본 설명
  2. 2.홀리데이 접합 모델의 단계
  3. 3.참고문헌

기본 설명

1964 년 영국의 존 인스 연구소 (John Innes Institute)에서 얼룩 균류인 Ustilago maydis 와 출아 효모인 Saccharomyces cerevisiae를 대상으로 DNA 손상 및 유전자 재조합 연구를 하고 있었던 로빈 홀리데이는 유전자 재조합 동안 이질 듀플렉스 (heteroduplex) 형성과 유전자 변환을 설명하는 모델을 제안했다. 그가 제안한 모델은 양 가닥 절단 모델 (double-strand break model)에 의해 대체되긴 했지만 (적어도 효모와 고등 생물에서의 재조합에 대해서는), 상동성 이중 가닥이 서로  쌍을 형성하는 과정, 이질 듀플렉스의 형성 과정, 재조합 조인트의 형성, 교차 시에 형성되는 가지 (branch) 이동 과정에서 중요한 정보를 제공한다.

홀리데이 접합 모델의 단계

홀리데이 접합의 형성 단계는 아래 그림 1과 같다.

  1. 두 개의 염색체 (파란색과 회색으로 표시되어 있음)가 서로 쌍을 이뤄서 정렬한다. 각 염색체는 두 가닥(이를 듀플렉스라고 부른다)으로 되어 있으며 정렬을 할 때 서로 유사한 서열을 가진 지역이 마주 보도록 정렬한다.
  2. 쌍을 이룬 듀플렉스에서 핵산 내부 가수분해 효소 (endonuclease)가 상동 가닥 (homologous strand) 중 하나의 가닥에 틈 (nick)을 만든다 (단계 2에서 빨간색 동그라미로 표시된 부분). 틈을 만든다는 것은 DNA의 가닥 내에 3′-하이드록시 기와 5’-인산기 사이에 있는 포스포디에스테르 결합을 끊는다는 것을 의미한다.
  3. 틈이 생긴 가닥의 끝이 자신의 상보적인 가닥으로부터 떨어져 나와서 마주 보며 정렬하고 있는 염색체의 듀플렉스로 침입한다. 이렇게 만들어진 듀플렉스를 이질 듀플렉스 (heteroduplex)라고 부른다 (단계 3에서 빨간 색 동그라미로 표시된 부분. 이 부분을 보면 파란색 가닥과 회색 가닥이 서로 듀플렉스를 이루고 있는 것을 알 수 있다. 가닥이 침입 (strand invasion) 하지 않은 부분은 파란색 가닥은 파란색 가닥끼리, 회색 가닥은 회색 가닥끼리  듀플렉스를 이루지만, 가닥이 침입한 부분만 파란색 가닥과 회색 가닥이 쌍을 이룬다. 그래서 이 부분을 이질 듀플렉스라고 부른다). 이런 침입은 양쪽 염색체(chromosome)에 모두 일어난다.
  4. 틈에 있는 3′-하이드록시 기와 5’-인산기를 DNA 리가아제(ligase)가 포스포디에스테르 결합시켜서 틈을 메꾼다 (단계 4에서 빨간색 동그라미로 표시된 부분)
  5. 이렇게 틈이 메꿔지면 하나의 듀플렉스에서 하나의 가닥이 다른 듀플렉스로 교차되어 X자 형태 (단계 5에서 *로 표시된 부분)로 연결된 안정적인 구조가 형성된다. 이렇게 두 개의 염색체가 X자 형태로 서로 연결된 구조물을 ‘홀리데이 접합 중간물질’ 혹은 ‘카이 구조 (Chi structure)’라고 한다.   
  6. 가닥 침입이 더 심해져서 이질 듀플렉스의 길이가 더 길어진다. 이 현상을 가지 이동 (branch migration)이라고 한다 (단계 4와 단계 6을 비교해보면 X자 형태의 교차된 부분이 오른쪽으로 더 이동해 있음을 알 수 있다).
  7. 단계 6에서 X자 형태로 되어 있던 부분을 곧게 펴면 단계 7에 표시한 형태가 된다.
  8. 단계 7에 있는 구조물에서 점선 아래의 부분만 회전시키면 마치 교차로 같은 모양으로 생긴  구조물이 된다.
  9. 이 구조물에서 어떤 방향으로 절단과 틈 메꿈이 일어나느냐에 따라 최종 결과물이 달라진다.
    1. 만약 (a) 방향으로 절단과 틈 메꿈이 일어나면 하나의 듀플렉스 안에 이질 듀플렉스의 일부가 포함된 구조물이 만들어진다. 예를 들어, 2개의 파란색 가닥으로 이뤄진 듀플렉스 (그림에서 위쪽)에 파란색 가닥-회색 가닥으로 이뤄진 이질 듀플렉스가 일부 포함되어 있다 (빨간색 사각형으로 표시된 부분). (a) 방향으로 절단과 틈 메꿈이 일어나면 염색체 수준에서 교차는 일어나지 않는다. 왜냐면 2개의 파란색 가닥으로 이뤄진 염색체를 예를 들어 보면 왼쪽 끝과 오른쪽 끝이 여전히 파란색이기 때문이다. 
    2. 만약 (b) 방향으로 절단과 틈 메꿈이 일어나면 두 개의 염색체가 서로 교차되는 결과가 만들어진다. (b)의 결과물 중 위의 듀플렉스를 보면 왼쪽은 2개의 파란색 가닥이지만, 오른쪽은 2개의 회색 가닥으로 되어 있다. 파란색 가닥-회색 가닥이 서로 쌍을 이루는 이질 듀플렉스 (빨간 점선 부분)가 일부분 형성되기는 하지만 염색체 전체 관점에서 보면 파란색 가닥으로 시작했던 염색체가 회색 가닥으로 바뀌는 현상(=교차)이 만들어진다.

그림 1. 홀리데이 접합의 단계 (출처: 한국분자·세포생물학회)

홀리데이 접합의 구조의 3차원적 구조는 아래 사진과 같다. Hargreaves 등은 1998년 Nature Structural Biology에 발표한 논문에서 RuvA 단백질이 결합한 홀리데이 접합의 구조를 밝혔다. 홀리데이 접합 부분에서는 약 3개의 뉴클레오티드(nucleotide)가 쌍을 이루지 못하고 있는 것을 알 수 있다.

그림 2. X-ray 결정학 방법으로 밝혀낸 RuvA-홀리데이 접합의 복합체에서 홀리데이 접합 부분만 보인 그림. 이 사진에서는 홀리데이 접합의 모양을 자세하게 보이기 위해 RuvA 단백질은 제거하고 두 개의 듀플렉스 (=4개의 가닥)의 포스포디에스터르 결합만 보여주고 있다. (출처: )

참고문헌

Hargreaves, David, et al. 'Crystal structure of E. coli RuvA with bound DNA Holliday junction at 6 Å resolution.' NatureStructural and Molecular Biology 5.6 (1998): 441.