지연 가닥

요약 DNA 복제 과정에서 복제 분기점(replication fork)이 진행하는 방향과 반대 방향으로 합성이 일어나는 가닥을 말한다.

DNA를 복제하여 2개의 새로운 이중 가닥 DNA를 만들어 내는 DNA 복제(DNA replication)는 복제 원점(replication origin)에서부터 시작된다. 복제 원점은 주형 사슬이 되는 이중 가닥 DNA가 풀려서 단일 가닥을 형성하는 복제의 시작점이다. 복제가 시작될 때 복제 원점에 DNA 복제를 일으키는 개시전 복합체(pre-initiation complex, pre-replication complex)가 형성되는데, 개시전 복합체를 구성하는 2개의 헬리케이즈(helicase)가 복제 원점에서 양끝 쪽으로 각각 멀어지면서 이중 가닥 DNA를 단일 가닥으로 만들게 된다. 이때 헬리케이스에 의해서 이중 가닥 DNA가 2개의 단일 가닥 DNA로 바뀌는 지점을 복제 분기점(replication fork)이라고 한다.

복제 분기점에서 생성된 2개의 단일 가닥 DNA는 복제의 틀(주형, template)로 사용된다. 각각의 단일 가닥 DNA(주형)에 DNA 중합 효소(DNA polymerase)가 하나씩 결합하여 상호 보완적인 이중 가닥 DNA를 만들어 낸다. 이때 DNA 중합 효소는 5’ → 3’ 방향으로만 새로운 뉴클레오타이드를 연결할 수 있기 때문에, 복제 분기점을 기준으로 생성된 2개의 주형 가닥에서 복제가 일어나는 양상이 달라지게 된다. 복제 분기점의 진행 방향이 DNA 중합 효소의 진행 방향과 일치하기 때문에 빠르게 복제가 일어나는 가닥을 선도 가닥(leading strand)이라고 하며, 복제 분기점의 진행 방향이 DNA 중합 효소의 진행 방향과 반대이기 때문에 상대적으로 느리게 복제가 진행되는 가닥을 지연 가닥(lagging strand)이라고 한다.

오카자키 절편

지연 가닥에서는 복제 분기점의 진행 방향과 중합 효소의 합성 방향이 반대이기 때문에 헬리케이즈에 의해서 풀어져 생성된 주형 사슬이 한동안 단일 가닥 상태로 노출된다. 단일 가닥 주형 DNA의 길이가 충분히 길어지면 프리메이즈(primase)가 주형 가닥에 결합하여 RNA 프라이머(RNA primer)가 생성되고, RNA 프라이머에 DNA 중합 효소가 결합하여 새로운 이중 가닥 DNA 단편이 만들어지게 된다. 이처럼 지연 가닥에서의 DNA 합성은 하나의 DNA 중합 효소에 의해서 연속적으로 일어나는 것이 아니라, 여러 개의 RNA 프라이머에 의해서 단편적으로 일어나게 된다. 이와 같이 지연 가닥에서 일시적으로 생성되는 짧은 DNA 단편들이 전자 현미경을 통해서 발견되었는데, 이를 발견자의 이름을 따서 오카자키 절편(Okzaki fragment)라고 한다. 오카자키 절편은 지연 가닥에서만 발견되며, 세포에 따라서 그 길이가 다르다. 세균은 약 1000~2000개의 염기로 구성된 오카자키 절편을 가지며, 진핵생물은 100~400개의 염기로 구성된 오카자키 절편을 형성한다. 

DNA 복제가 계속되어 DNA 중합 효소가 다음 오카자키 절편을 만나게 되면 DNA 합성이 완료되며, 오카자키 절편과 절편 사이의 틈(neak)만 남게 된다. 이 틈은 DNA 연결효소(DNA ligase)에 의해서 이인산에스테르 결합(phosphodiester bond)이 형성되면서 DNA 복제가 완료되어 새로운 이중 가닥 DNA가 형성된다.