핵산 - 시보드위키

핵산

[ Nucleic acid ]

핵산은 뉴클레오티드(nucleotide)를 단량체로 갖는 선형 중합체를 의미하며, 뉴클레오티드는 DNA 혹은 RNA로 구성되어있다. DNA 혹은 RNA가 중합체 형태로 존재하는 것을 보통 염기서열(Nucleic acid sequence)라고 부르며, 염색체도 결국 DNA 서열이 선형 혹은 구형으로 매우 길게 존재하는 것을 의미한다. 대부분의 생명체들이 갖는 공통적인 성분으로 세포 내외의 환경에 따라 변형되기도 한다.

초록색의 -OH기가 존재하는 것은 RNA (ribonucleic acid)를 의미하며 -H기가 존재하는 것은 DNA(deoxyribonucleic acid)를 의미한다.

핵산은 1869년 처음 프리드리히 미셔에 의한 그 존재가 발견되었으며, 이후 1889년 리하르트 알트만이 핵산이라는 용어를 처음 사용하였다. 이런 발견에도 불구하고 당시에는 핵산이 유전물질이라고는 생각하지 못하고 대다수의 연구자들은 단백질이 유전물질일 가능성이 높다고 생각했다. 그 이유는 DNA에는 총 4가지 염기 밖에 가지지 않는 반면, 아미노산은 20가지 종류를 가지기에 단백질이 훨씬 복잡하고 다양한 서열을 만들어낼 수 있기 때문이었다. 그러나 1928년 프레드릭 그리피스(Frederick Griffith)가 폐렴균(Streptococcus pneumoniae) 의 병원성/비병원성 균주를 가지고 실험한 결과 유전물질이 존재함을 알아내고, 알프레드 허시(Alfred Hershey)가 박테리오파지(bacteriophage)를 이용한 실험을 통해 외피 단백질은 세포 내로 들어가지 않고 DNA만 세포 내로 들어가고, 이 DNA는 새로운 박테리오파지에 포함된다는 사실을 알아냄으로써 DNA가 유전물질이라는 것을 알아냈다. 그 후 제임스 왓슨(James Watson)과 프란시스 크릭(Francis Crick)에 의해서 DNA 이중나선(DNA double helix) 모델이 제안되고 이것이 DNA 복제(DNA replication) 등 다양한 현상을 설명할 수 있게 됨으로써 DNA가 유전물질이라는 것을 확인하게 되었다. 그러나 RNA를 유전물질로 가지는 바이러스도 많이 존재하므로 넓은 의미로 핵산이 유전물질이라고 볼 수 있다.

핵산의 종류

앞서 설명하였듯 핵산은 DNA 혹은 RNA를 단량체로 가지는 중합체이다. 보통 DNA라는 용어를 DNA 중합체 용어와 혼용하여 사용하기도 하는데, 엄밀히 구분하면 DNA는 단량체(그림 1은 RNA 구조임)를 의미하며 핵산은 DNA 혹은 RNA의 거대한 중합체를 의미한다. DNA는 총 4개의 종류로 나뉘는데, 염기의 구조에 따라 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 티민(thymine), 사이토신(cytosine)이다. RNA의 경우 티민 대신 우라실(uracil)이 존재한다. 핵산의 크기는 짧게는 단일 가닥으로 되어있는 small RNA로부터 이중나선 형태의 DNA 염색체까지 다양하다. 일반적으로 DNA 혹은 RNA 중합체를 서열이라고 부르며(그림 2), 이들 서열의 구성순서에 따라 다양한 역할이 결정된다. 일반적으로 염색체는 유전자 서열, 반복구간 서열 등 다양한 기능의 서열이 있다. 유전자 서열은 전사를 통해 RNA 서열을 만드는데, 어떤 것은 다른 유전자의 전사/해독을 조절하는 조절 RNA(regulatory RNA) 역할을 하고, 어떤 RNA 서열은 mRNA 역할을 하여 단백질을 만드는 정보를 포함하기도 하는 등 다양하다. 그리고 대부분의 생명체는 DNA 핵산을 유전물질로 사용하며, 이는 진핵생물(eukaryotes), 원핵생물(prokaryote), 미토콘드리아(mitochondria), 엽록체(chloroplast) 등 다양하다. 그러나 바이러스는 RNA 혹은 DNA를 유전물질로 사용하고 있다.

그림 2. DNA 서열 (출처: )


A-D	DNA 염기
1-3	염기를 구성하는 당, 염기 결합(base pair), 염기를 뜻함

핵산과 생명공학

핵산서열분석 기술은 생명공학의 발전에 있어서 매우 큰 역할을 하고 있다. 특히 DNA 서열이 생명체의 청사진을 품고 있는 것이 알려지면서 DNA의 서열을 밝히고자 하는 연구가 진행었다. 프레드릭 생어(Frederick Sanger)의 DNA 시퀀싱 기술을 시작으로 최근 차세대 염기서열 분석(Next Generation Sequencing; NGS) 기술까지 발전하였으며, 예전에 짧은 서열을 확인하는 수준에서 현재는 유전체 전체의 서열을 확인할 수 있는 수준에 이르렀다. 유전체 서열을 확인하면 다양한 생물정보학 기술을 활용해 유전자를 찾아서 분석하고 이들 관계로부터 생리적 특징까지 알아낼 수 있다.

그 외에도 유전자 서열을 알게 됨으로써 새로운 기능의 단백질을 설계하거나, 유전자의 회로를 인위적으로 설계하여 새로운 생리적 특성을 부여하거나, 세포의 대사 관련 효소 유전자를 조작하여 고부가가치 화합물을 생산하는 분야까지 다양하게 활용이 되고 있다. 또한, RNA sequencing을 통한 전사체 분석은 세포 내에서의 유전자 발현조절과 세포 특성에 대한 많은 정보를 활용할 수 있게 해주었고, 같은 유전자로부터 발현된 여러 형태의 RNA 전사체도 구분할 수 있게 되었다. 앞으로도 핵산의 정보는 밝혀야 할 것들이 많고, 이로부터 다양한 생명공학(Biotechnology)분야에의 응용이 기대되고 있기에 관련 연구분야는 지속적으로 발전하고 있다.

집필

나도균/중앙대학교

감수

김근필/중앙대학교

핵산

핵산

목차

핵산의 역사

핵산의 종류

핵산과 생명공학

관련용어

집필

감수