상보적 DNA

상보적 DNA(complementary DNA)는 역전사효소(reverse transcriptase, RNA-dependent DNA polymerase)가 RNA 템플레이트를 사용하며 합성하는 DNA이다. cDNA의 서열은 RNA 서열과 상보적이 된다. RNA에 비해 DNA가 클로닝(cloning)되기 쉬우므로 cDNA를 이중가닥으로 변환한 후 벡터 DNA(vector DNA)에 접합(ligation)한다. cDNA는 서열분석이 RNA보다 용이하기 때문에 cDNA를 합성하는 것이 RNA 분석(특히 진핵세포 mRNA 분석)에 있어서는 필수적이다.

진핵세포(eukaryotic cell)의 유전자는 게놈 DNA서열에서 엑손(exon)이 인트론(intron) 서열들에 의해 분절되어 있다. 따라서 유전자들이 발현될 때, 인트론(intron)을 포함한 유전자 전체가 전사되어 RNA로 합성된다. 그 후, 인트론이 제거되는 스플라이싱(splicing)을 거쳐 연속된 3개의 뉴클레오타이드(triplet)로 구성된 성숙한 전령 RNA(mRNA)를 만들게 되며 이러한 RNA는 번역과정(translation)을 거쳐 단백질 산물에 해당하는 아미노산 서열을 만들게 되는 주형(template)이 된다. 스플라이싱의 양상은 가변적이어서 동일한 유전자로부터라도 스플라이싱 양상에 따라 서로 다른 단백질을 생산한다. 이러한 정보는 주로 cDNA 분석을 통해 얻어질 수 있다. 또한 cDNA 클론은 박테리아, 효모, 동물세포 등 특정 단백질 발현 시스템을 이용하여 단백질 대량 생산에 이용 가능하다.

HIV(Human Immunodeficiency Virus)처럼 RNA를 유전 물질로가지고 있는 레트로바이러스(Retrovirus)들은 숙주의 효소와 재료들을 이용해 자신의 RNA를 전령 RNA(mRNA)로 만들고, 이를 이용해 바이러스 단백질들을 만든다. 이때, 전령 RNA를 만들기 전 먼저 자신의 RNA를 역전사효소를 이용하여 cDNA로 만들고 이를 바탕으로 전령 RNA를 만들게 된다 (바이러스 RNA→cDNA→mRNA)

목차

핵산(nucleic acids)은 base pair 상보성을 지니므로 한 가닥의 RNA 혹은 DNA로부터 상보적인 DNA가닥을 만들어낼 수가 있다. 특정 세포의 모든 유전적 정보가 전사체(transcript)로 만들어질 수는 있지만 실제로는 모든 DNA가 전사(transcription)되지는 않는다. 이러한 DNA의 부분이 번역정보를 지닌 엑손(exon)과 단백질번역정보를 지니지 않은 인트론(intron)들로 구성되어 있다. 기본적으로 유전정보는 DNA 분자의 가닥 속에 아데닌(adenine), 티아민(thymine), 구아닌(guanine), 시토신(cytosine) 이렇게 4개의 염기(bases)의 형태로 보관되어 있다(그림 1).

그림 1. 진핵세포(동물세포)와 원핵세포(세균)에서 DNA의 위치와 구조 (출처: gettyimages 481685009)

두 번째 상보적인 DNA 가닥은 DNA 중합효소(DNA polymerase)에 의해 합성된다. DNA 복제(DNA replication)와 RNA 전사(transcription)에 작용하는 중합효소들은 주형가닥(template strand)에 내재된 유전정보로부터 핵산을 합성한다. 이러한 중합 효소들은 반대쪽 DNA 혹은 RNA 주형 가닥의 지시를 받아 합성하는 고유의 특성을 갖는다. 두 번째 DNA 가닥이 형성될 때, 염기들은 왓슨-크릭(Watson-Crick) base paring 패턴에 따라 형성된다. 시토신은 구아닌으로 바뀌어 염기가 형성되고, 구아닌은 시토신으로, 아데닌은 티아민으로, 티아민은 아데닌으로 바뀌어 염기가 형성된다. 이러한 방식으로 DNA에 있는 유전정보가 RNA로 정확하게 전사된다.

염색체를 슈퍼코일상태로 꼬여 있고 전사가 가능한 DNA 지역(단백질을 만들 수 있는 정보를 포함한 특정한 DNA 영역)에 해당하는 수많은 유전자들을 포함하고 있는 일직선의 긴 DNA라고 정의한다면, 상보적 DNA(cDNA)는 전사가 일어날 수 있는 DNA 지역이며 유전자와 그로부터 전사(transcription)되고 스플라이싱이 일어난 mRNA(transcript)와 염기 상보성(base pair complementarity)을 보인다. 달리 표현하면, cDNA는 역전사효소(reverse transcriptase; RT)에 의해 생성된 mRNA의 상보적인 DNA이다. 게놈 DNA와 달리, 게놈 안에 전사되지 않는 DNA들은 이 과정에서 제거되는데 그 이유는 이 역전사효소가 RNA 주형(template)이 존재해야만 DNA를 합성하는 활성을 보이기 때문이다. 따라서 cDNA는 인간세포의 게놈 DNA를 예로 들면 전체 게놈 DNA의 3% 정도만 해당이 되고 이 부분이 전사가 가능한 유전자 부분에 해당한다. 따라서 cDNA를 만들어 분석하는 과정은 세포 특이적이거나 조직 특이적인 유전자 발현(gene expression)을 조사하는데 중요한 도구가 된다. 또한 cDNA는 mRNA로부터 전사 가능한 부분만 모아 역전사된 DNA 이중 가닥이기도 한데 이것은 mRNA 중에서 전사되지 않은 인트론(intron) 서열이 이미 제거된 mRNA 집단으로부터 만들어졌기 때문에 가능하다. 따라서 cDNA는 보통 유전자 산물을 코드화하는 엑손(exon)들로 이루어진 서열로 이루어진다. 따라서 cDNA는 발현 가능한 RNA서열과 유전자 산물(polypeptide 또는 단백질)의 정보를 나타낸다(그림 2).

그림 2. 게놈 DNA와 상보적 DNA의 비교 (제작: 이은진/고려대)

DNA는 전사(transcription)와 번역(translation)을 거쳐서 단백질을 만든다. 진핵세포에서 전사의 결과로 만든 mRNA는 전사 후 조절에 의해 변형되는데, 이 과정에서 전사되지 않는 인트론(intron)을 제거하고 5’ 말단에 CAP 구조를 붙이며 3’ 말단에 poly-A-tail을 붙인다. 이러한 가공된 mRNA는 핵으로부터 세포질(cytoplasm)로 이동한 후 리보솜(ribosome)에 의해 단백질로 번역된다. 세포에서 mRNA를 분리한 후 역전사효소(reverse transcriptase)를 사용하여 합성하면 상보적 DNA(complementary DNA)를 만들 수 있다. 이러한 상보적 DNA는 가공이 끝난 mRNA의 요소들을 포함하므로 엑손(exon)과 poly-A-tail 등을 가지고 있다.

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이은진/고려대학교

송미령/한국외국어대학교

한국미생물학회. 2017. Microbiology(미생물학): 기초에서 응용까지. 범문에듀케이션, 서울.