프라이모솜

프라이모솜은 DNA를 복제하는 동안 단일 가닥 DNA 상에 RNA 프라이머(primer)를 형성하는 단백질 복합체이다. ATP의 에너지에 의존하여 DNA 분자 상에서 이동한다. 프라이모솜은 RNA 프라이머를 합성하는 DnaG 프리마아제(DnaG primase)와 DNA의 이중가닥을 풀어주는 DnaB 헬리카제 (DnaB helicase)를 포함하여 핵 내에 존재하는 일곱 개의 단백질로 구성되어 있다. 프라이모솜은 염색체 근원(chromosomal origin)이나 정지된 DNA의 복제 분기점을 활성화시킨다. 

목차

프라이모솜 복합체는 DnaG 프리마아제, DnaB 헬리카제, DnaC 헬리카제 보조인자, DnaT, PriA, PriB, 그리고 PriC로 이뤄져 있다. 처음에 PriA, PriB, PriC가 DNA에 결합하면서 복합체가 형성되기 시작한다. 그 다음 DnaB-DnaC 헬리카제 복합체가 DnaT와 함께 기존 복합체에 결합한다. 최종적으로 DnaG가 결합하면서 완전한 프라이모솜을 형성한다.

PriA는 박테리아(bacteria)에서 보존되어있지만 그것의 프라이모솜에서 함께 결합하는 단백질들은 보존되어있지 않다. 고초균(Bacillus subtilis)에서 밝혀진 세 개의 프라이모솜 단백질에는 DnaB, DnaD, 그리고 DnaI가 있으며 이들은 대장균(Escherichia Coli)에 동족체(homologue)가 존재하지 않는다. DnaB와 DnaD 단백질은 프라이모솜 조합에서 어떤 역할을 하는지 뚜렷이 밝혀지지 않았다. 둘 다 다합체(multimer) 단백질이며 개별적으로 DNA에 결합한다는 특징이 있다. 뿐만 아니라 DnaD는 DnaB의 결합 활성을 올려준다. 고초균에서 DnaD는 단독으로 또는 DnaB와 쌍을 이루어 PriA와 결합하여 여러 DNA 기질에서 특이적으로 상호작용한다. 이는 핵단백질들이 조합하는 것에 있어 PriA, DnaD, DnaB가 순서적으로 요구된다는 것을 의미한다. 

그림 1. DNA 복제분기점 (출처 : https://www.sciencephoto.com/media/395178/view)

프라이모솜은 DNA 복제분기점을 활성화하는 역할을 한다. DNA 중합효소 Ⅲ(DNA polymerase Ⅲ)의 두 촉매 중심(catalytic core) 영역이 선도가닥(leading strand)과 지체가닥(lagging strand)를 합성하기 위해선 프라이모솜이 부모 DNA 가닥을 풀어 RNA 프라이머를 합성해야 한다. 또한 지체가닥은 프라이모솜부터 DNA 중합효소 Ⅲ의 두번째 촉매 중심까지 고리를 형성하여야 합성될 수 있다. 각각의 복제분기점에서 헬리카제는 이중가닥 DNA 사슬을 풀어주는 역할을 하며, 프라이모솜은 그 결과 생성된 단일 가닥 DNA에 1-10개의 RNA 뉴클레오티드(nucleotide)를 붙여 DNA-RNA 잡종(hybrid)을 생성한다. DNA의 선도가닥에는 프라이모솜이 한 번 사용되고, DNA의 지체가닥에서는 각각의 오카자키 절편(Okazaki fragment)을 개시하기 위해 반복해서 사용된다. RNA 프라이머(RNA primer)는 DNA 복제를 개시하기 위한 프라이머로 사용되며 RNA 염기는 궁극적으로 DNA 염기로 대체된다. 그렇기에 프라이모솜은 DNA 복제의 시작과 유전체 안정성 유지에 영향을 미친다.

프라이모솜의 프리마아제에 의한 RNA 프라이머 합성은 개시, 신장, 그리고 종결 이렇게 세 단계로 이뤄진다. 율속단계(rate limiting step)인 개시 단계에서 프리마아제는 DNA 주형가닥에 결합하여 두 개의 리보뉴클레오티드삼인산(ribonucleotide triphosphates, NTPs)의 형성을 촉매한다. 이후 RNA 프라이머의 형성은 가속화되지만 프라이머의 길이를 헤아리는 프리마아제의 내재적 기능으로 인해 더욱 제한된다. 8-10개의 뉴클레오티드가 합성된 이후 프라이머의 합성은 종결된다. 단위 길이를 충족시키는 성숙한 RNA 프라이머는 이후 뉴클레오시드삼인산(nucleoside triphosphates, dNTPs)에 의해 신장될 수 있도록 DNA polymeraseα (Polα) 분자 내로 옮겨진다. 프리마아제는 아직 밝혀지지 않은 기작에 의해 기능이 억제된다. 프라이모솜 형성에 있어 이 단계들의 통합적인 변화와 조정이 필수적이다.

프리마아제(primase), 헬리카제(helicase), DNA 복제분기점(DNA replication fork), DNA 중합효소(DNA polymerase), 리보뉴클라아제 H(RNaseH), DNA 리가아제(DNA ligase)

1) Allen, GC. Kornberg, A (1993). 'Assembly of the primosome of DNA replication in Escherichia coli'. J. Biol. Chem. 268: 19204–19209.

2) Andrey G. Baranovskiy, Nigar D. Babayeva, Yinbo Zhang,§, Jianyou Gu, Yoshiaki Suwa, Youri I. Pavlov, Tahir H. Tahirov. (2016). 'Mechanism of Concerted RNA-DNA Primer Synthesis by the Human Primosome'. J. Biol. Chem. 291: 10006-10020.

3) D. Peter Snustad, Michael J. Simmons. (2015). Principles of Genetics. 7th ed. John Wiley & Sons, Inc. pp. 238-239.