DNA 중합효소

DNA 중합효소는 DNA 구성요소(building block)인 4 가지의 뉴클레오타이드들(nucleotides)을 조합하여 DNA를 합성하는 과정에 관여하는 효소이다. 이 효소는 DNA 복제에 필수적이며 쌍을 이루어 하나의 모체 DNA로부터 두 개의 동일한 DNA 가닥을 합성한다. 이 과정에서 DNA 중합효소는 기존의 DNA 가닥을 읽고 이와 부합되는 새로운 두 가닥의 DNA를 합성한다.

DNA 복제(replication)는 단단히 꼬인 DNA 나선이 헬리케이스 효소에 의하여 부분적으로 풀림으로써 시작된다. 가닥이 분리되면 염기가 노출되고 새로운 뉴클레오타이드들이 각 가닥에 상보적으로 도입된다.¹⁾

이 합성 과정에서 DNA 중합효소는 기존 DNA 가닥의 3' 말단에만 새로운 뉴클레오타이드를 추가할 수 있으며, 이러한 이유로 5' → 3' 방향으로 DNA를 연장시켜 나간다. 세포가 나뉠 때마다 DNA 중합효소는 기존 DNA 복사에 참여하게 되고, 기존의 DNA 분자 복사본은 각각의 딸세포로 이동된다. 이러한 경로에 의하여 유전정보는 세대를 거쳐 물려준다.

DNA 중합효소의 작용이 비록 매우 정확할지라도 백만분의 일 정도는 염기쌍을 복사할 때 실수가 일어날 수 있다. 그러므로 복사 후에 DNA 중합효소는 복사한 DNA를 교정하는 과정을 갖게 되며 잘못된 염기 부분을 교체한다. 이 결과로 기존 DNA 가닥을 온전하게 딸세포로 전달한다.²⁾

컴퓨터로 재현한 DNA 중합효소 I과 DNA가 결합한 상태의 모습(출처:gettyimageskorea)

목차

DNA 중합효소가 촉매하는 반응의 핵심 단계는 한 뉴클레오타이드의 3'-OH 작용기가 다른 뉴클레오타이드의 트라이포스페이트(triphosphate)의 α-인 원자(데옥시리보오스에서 가장 가까운 인 원자)를 친핵 공격하여 인무수 (phosphoanhydride) 결합을 끊고 포스포에스터 (phosphoester) 결합을 형성하는 과정이다.³⁾

포스포에스터 결합형성 과정 (출처: 대한화학회)

새로운 DNA를 합성할 때, DNA 중합효소는 형성되고 있는 가닥의 3’ 위치에 새로운 뉴클레오타이드를 운반하여 인산다이에스터 결합을 이루어 연결한다. 그러므로 프라이머(primer)가 있어야 하며 이 프라이머는 프리메이스(primase) 효소에 의하여 합성된다. 이 합성 순서에 의하여 DNA 중합효소는 원래 DNA 가닥의 3’-5’ 방향으로 움직이며 이로 말미암아 새롭게 형성되는 DNA는 5’-3’ 방향으로 늘어난다.

DNA 중합효소의 움직임 방향 (3’-5’)과 DNA 합성 방향 (5'-3')(출처:gettyimageskorea)

새로운 DNA가 형성되는 과정은 먼저 토포아이소머레이스 II ( topoisomerase II) 효소에 의하여 DNA의 꼬인 두 가닥이 풀리게 되며 헬리케이스(helicase ) 효소에 의해 수소 결합이 제거되어 각 각 한 가닥으로 분리된다.

DNA 중합효소는 일반적으로 새로운 DNA 가닥 합성을 개시하지 못하고 다만 주형 가닥에 짝을 이루고 있는 이미 존재하고 있는 DNA 또는 RNA 가닥을 연장시킨다. 풀려진 가닥에서 합성이 시작되려면 우선 짧은 RNA 조각이 프리메이스(primase) 효소에 의하여 만들어져 주형 DNA 가닥에 짝을 이루게 된다. 이 조각을 프라이머(primer)라고 한다. 두 가닥 중 선도 가닥(leading strand)은 한 개의 RNA 프라이머를 받고 지체 가닥(lagging strand)은 몇 개의 프라이머를 받는다. 선도 가닥에서는 DNA 중합효소에 의하여 지속적으로 가닥이 연장되고, 지체 가닥에서는 각 프라이머에서 단속적으로 오카자키 단편(Okazaki fragment)을 합성한다. RNase는 RNA 프라이머를 제거한다.

DNA 중합효소의 작용은 정확성이 아주 높다. 하지만 107개 당 1개 정도의 오류를 유발한다 이러한 오류를 교정 (proofreading)하는 작업도 이 효소들 중 일부가 감당한다. DNA 중합효소는 오류 조합 (mismatch)의 뉴글레오타이드를 제거하고 바른 뉴클레오타이드를 재삽입하여 지속하여 복제가 일어나게 한다.

DNA 복제 과정 및 효소 작용 (출처: https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/)

1956년 아서 콘버그 (Arthur Kornberg) 팀이 E. coli에서 DNA 중합효소 I을 처음 발견하였으며 DNA 복제과정에서 이 효소가 주형 DNA 가닥을 복사한다고 설명하였다. 이 연구 공로로 콘버그는 1959년 노벨 생리학상을 수상하였다. 1970년 토마스 콘버그 (Thomas Kornberg, 아서 콘버그의 아들)와 말콤 게프터 (Malcolm E. Gefter)는 DNA 복제 과정에서의 DNA 중합효소 I 역할을 계속 연구하던 과정에서 DNA 중합효소 II를 발견하였다.

알려진 DNA 중합효소들은 매우 보존적인 구조를 가지고 있는데, 이는 전반적인 촉매 개체들이 종에 따라 별로 차이가 없으며 그들의 영역 (domain) 구조와는 무관하다는 의미이다. 보존적 구조는 세포의 절대적이며 중요한 기능들을 나타내며, 이 구조를 유지함으로써 진화적 이점을 갖게된다. 이 구조의 형태는 오른손과 유사한데 엄지, 손가락, 그리고 손바닥 영역을 가지고 있다. DNA가 이 효소의 손바닥 영역에 접근하여 묶여지면 효소는 활성을 나타내고 포스포 작용기가 전달되는 과정에 촉매 역할을 한다.⁴⁾

DNA 중합효소 입체구조 (출처: en.wikipedia.org/wiki/DNA_polymerase_I)

1. Bollum FJ, The Journal of Biological Chemistry. 1960, 235: 2399–403
2. Falaschi A, Kornberg A, The Journal of Biological Chemistry. 1966, 241 (7): 1478–82.
3. Lehman IR, Bessman MJ, Simms ES, Kornberg A, The Journal of Biological Chemistry. 1958, 233 (1): 163–70.
4. Steitz TA, The Journal of Biological Chemistry. 1999, 274 (25): 17395–8.