DNA 나선효소

DNA 나선효소는 이중나선의 DNA를 단가닥의 DNA로 풀어주는 것으로 DNA의 복제 및 유전자의 발현에 중요한 작용을 한다.

목차

DNA의 복제, 재조합, 수선 등의 과정에서 DNA 이중가닥이 단가닥으로 풀려서 작용해야 한다. 하지만 DNA 이중가닥이 단가닥에 비해 열역학적으로 안정하기 때문에 에너지를 이용하여 이중가닥을 풀어주어야 한다. DNA 헬리카아제는 ATP를 에너지로 이용하여 DNA의 이중가닥을 풀어준다. 이중가닥을 풀어주는 헬리카아제는 그 기질에 따라 DNA 헬리카아제, 혹은 RNA 헬리카아제로 나뉜다. 어떤 헬리카아제의 경우 DNA와 RNA를 모두 풀어주는 기능을 가지기도 한다. DNA 헬리카아제도 이중나선 DNA의 특이적 구조를 인식하기도 한다. 예를 들어 어떤 DNA 헬리카아제는 DNA의 단면절단(blunt duplex)과 결합하기도 하고, 어떤 경우에는 단가닥 DNA가 나와 있는 오버행(Overhang) 구조를 인식하기도 한다. 헬리카아제는 DNA/RNA를 따라 움직이는데, 움직이는 속도는 각 나선효소에 따라 다르다.

나선효소 염기서열의 보존도, 생화학적 특성, 3차원 구조에 따라 5개의 초가족(SF, superfamily)으로 분류된다. SF1과 SF2가 가장 많으며 다양한 세포 내 기능을 담당한다. SF3는 RNA 바이러스에서 발견되며, SF4와 SF5는 6개의 단위체가 하나의 헬리카아제를 만들고, DNA의 복제나 유전자의 전사 종료 등에 작용하는 DNA 헬리카아제가 여기에 속한다. SF6는 AAA+(ATPase associated with various cellular activity)에 속하는 단백질로 세포 내 다양한 기능을 담당한다.

SF1이나 SF2의 경우 7개의 모티브를 (I, Ia, II-VI) 가지고 있는데, 이들의 모티브가 ATP 결합, 기질은 핵산과 결합, 핵산을 이동시키는 데 중요하다. 모티브 1과 II는 매우 잘 보존되어 있으며 ATP 가수분해를 담당한다. 특히 모티브 I의 경우 ATP의 세 번째 인산 그룹과 결합한다. 모티브 II는 활성에 중요한 마그네슘 이온과 결합한다. 모티브 Ia, III-VI는 ATP와 결합, 핵산과 결합 그리고 ATP의 분해와 핵산의 이동을 매개한다. SF1이나 SF2의 결정구조를 보면 헬리카에제는 2개의 서브도메인으로 구성되고, 아미노 말단 도메인은 모티브 I, Ia, II, III로 이루어져 있고, 카복실 말단 도메인은 IV-VI 모티브를 가지고 있다. 이러한 서브도메인 사이에 ATP가 결합하게 된다. 따라서 ATP가 ADP로 가수분해되는 것과 동시에 서브도메인 간의 간격을 움직이는 구조적 변화를 유발하고 이러한 구조적 변화가 기질인 핵산을 한쪽으로 이동시킨다.

그림 1. DNA 헬리카아제 (출처: 한국분자세포생물학회, PDB ID: 1QHG)

DNA 나선효소는 DNA의 복제, 수선, 재조합, 전사등 DNA 2중나선구조가 풀려야 하는 세포 내 현상에 관여한다. DNA의 2중 나선 구조가 풀리면 단가닥 DNA 결합단백질(single strand DNA-binding protein), RNA 중합효소, 프라이메이즈(primase) 등이 작용한다.

DNA가 복제될 때, DNA 나선효소의 작용이 필수적이다. DNA 나선효소는 DNA의 이중나선을 분리해 DNA 복제 포크를 만든다. 이때 복제 DNA 나선효소는 복제 포크의 중앙에 위치하여 DNA 두 가닥을 분리하고, 분리된 단가닥 DNA에 DNA 중합효소, 단가닥 DNA 결합 단백질(SSBP) 등이 결합한다.

DNA에 손상이 일어나면 DNA가 수선과정을 거쳐 수선되는데, 손상된 DNA에 가장 먼저 결합하는 단백질이 수선 DNA 나선효소이다. 손상된 DNA가 수선되기 위해서는 DNA 두 가닥이 풀리고, DNA 수선 효소들이 단가닥 DNA에 결합한다. 대장균에서는 UvrAB 복합체와 UvrD가 수선 DNA 나선효소로 작용한다. 

유전자에서 전사가 일어날 때, RNA 중합효소는 단가닥의 주형 DNA로부터 RNA를 전사한다. 이때, DNA 나선효소가 전사복합체의 단위체로 유전자의 전사에 중요한 역할을 한다. 예를 들어 전사의 활성화에 TFIIH 나선효소, 전사의 시작에 TFIIH, SNF2 헬리카아제, 전사의 유지에 SW1 나선효소 등이 작용한다.