DNA 복제에 관한 모든것!!! 쉽게 이해해 보자

DNA 복제

 

 

어버이의 유전 정보는 DNA의 정확한 복제로 자손에게 전달될 수가 있게 된다. 대부분의 생물에서 정보는 하나 혹은 그 이상의 이중나선 DNA 분자속에 존재한다. 물론 예외는 있다. 몇 종의 박테리오파지는 DNA 이중 나선이 아닌 외가닥 DNA 사슬을 가지고 있다. 이런 경우 복제는 몇 단계로 이루어지는데 먼저 외가닥 DNA가 두 가닥 사슬로 전환되고 이 두가닥 사슬이 어버이 분자와 동일한 외가닥 사슬의 합성을 위한 주형이 된다. 단순한 개념적 견지에서 보면 DNA의 복제는 별로 복잡하지 않은 과정으로 생각될 수 있다. 복제란 각 네개의 핵산 염기가 적절한 상대 염기와 짝으로 이루도록 배열 되기만 하면 되기 때문이다. 즉 점진적인 DNA의 짝풀림으로 풀려진 사슬에 염기가 맞추어 들어오게 되어 빠른 시간내 효과적으로 복제가 이루어 지는 것으로 생각될 수도 있다.

 

그러나 DNA 복제는 아직도 완전히 이해되지 않은 부분이 많은 상당히 복잡한 과정이다. 이 복잡성은 부분적으로는 다음과 같은 사실 때문이다. 이중나선의 두가닥 DNA는 서로 반대방향으로 배열되어있다. 새로운 염기의 두가닥 DNA는 서로 반대방향으로 배열되어있다. 새로운 염기의 짝 역시 이러한 역방향성을 유지하면서 더해져야 한다. 복제 시에 이중나선의 두가닥 DNA를 풀어내는데 에너지를 필요로한다. 외가닥 DNA는 같은 사슬 내와 사슬 간에서 염기쌍을 형성하려는 경향이 있어서 이중 가닥 DNA는 나선이 풀림과 동시에 외가닥 사슬내에서 서로 부분적 이중 가닥을 형성하기가 쉽다. 하나의 효소는 제한된 수의 물리-화학적 반응만을 촉매할 수 있는 뿐이다. 복제에 필요한 여러 반응을 수행하기 위하여 다양한 효소가 필요하다. 드물게 복제에 오류가 일어나므로 이를 정정할 수 있는 기구가 필요하다. 원형의 또는 거대한 크기의 DNA 분자 복제중 발생하는 물리적인 장애를 극복해야한다. 이러한 사실들이 대수롭지 않게 보이는 분자생물학을 처음 공부하는 학생들을 위하여 한 가지 사실을 더 첨가하고자 한다. 수많은 생명체들의 DNA가 복제되는 방법이 일정하지 않다는 사실이다.

 

DNA 복제를 이해하기 위해 여기서는 중요한 사실들을 단계적으로 살펴보고자 한다. 우선 DNA 복제에 앞서 꼬여져 있는 때로는 원형이기도 하는 DNA가 어떻게 풀려지는지를 알아볼 것이다. 그리고 DNA 복제가 일어나는 특수한 시발점에 대해 알아볼것이다. 다음에 이중나선이 풀려서 외가닥이 되는 기작을 살펴볼 것이다. 다음 단계로 복잡한 복제과정에 관여하는 효소들의 작용에 대해 살펴보고자 한다. 마지막으로 이러한 개개의 단계와 여기에 관여하는 단백질들이 DNA가 풀어져 복제가 일어나고 있는 지점인 소위 복제 갈림점을 형성하는 과정을 알아볼 것이다.

 

 

 

두가닥 사슬 DNA의 반 보존적 복제

 

DNA 복제는 반 보존적 복제이다. 이 복제 양식에서 각각의 어버이 사슬은 새로운 딸 사슬의 합성을 위한 주형이 된다. 복제는 DNA 중합효소가 새로운 염기를 하나씩 더해주면서 일어나고 형성된 새로운 사슬은 주형인 사슬과 수소결합을 형성한다. 즉 복제가 진행되면서 어버이의 이중나선이 풀리고 2개의 새로운 이중나선으로 다시 감기는데 이 때 이중나선의 한 사슬은 어버이 사슬이고 또 한 사슬은 새로 합성된 딸 사슬이다.

 

 

 

복잡한 DNA 나선의 풀림과 복제

 

복제효소가 성장하는 가닥에 새로운 염기를 넣어주기 위해서는 잠시나마 DNA 구조가 위와 같이 사다리 모양을 형성해야 한다. 그러나 DNA는 10개의 염기마다 360도 씩 돌아가며 꼬여진 나선구조이다. DNA가 외가닥으로 풀리기 위해서는 두 개의 사슬을 붙들어 주는 수소결합을 제거하여햐 한다. 이 작업은 특수한 효소에 의해서 이루어지는데 이 효소가 DNA와 결합하려면 먼저 나선의 꼬임이 풀려야만 한다. 원핵생물 DNA의 나선 꼬임을 풀어주는 데는 문제가 있다. 왜냐하면 DNA가 원을 이루고 있어서 꼬임을 쉽게 풀어 낼 수 있는 끝이 없기 때문이다. 뿐만 아니라 DNA 분자는 일반적으로 세포내에 잘 들어있기 위해 차곡차곡 접혀있다. 진핵생물의 DNA는 원형은 아니나 역시 나선으로 꼬여져 있고 염색체로 만들어지면서 온통 엉켜져있는 상태이다. 즉 단순한 형태의 그림과는 달리 꼬이고 엉켜져있는 모양의 DNA를 복제하기란 쉬운일이 아니다.

 

 

원형구조의 DNA 복제는 꼬임을 유발한다.

 

원형 구조의 DNA 분자 복제는 희랍 문자의 0자와 유사하여 0복제라 불린다. 이러한 원형 분자의 복제는 위상학적 문제를 야기하는데 이는 원형 DNA 구조를 가진 원핵생물 뿐 아니라 진핵생물의 복제에서도 종종 일어나는 문제이다. 진핵생물 DNA는 원형이 아니나 긴 DNA 사슬의 여러 곳에서 복제가 동시에 일어나므로 각 부분은 폐쇄된 작은 원과 같은 상황이다. 그리하여 개념적인 의미에서 이 또한 원형으로 복제하는 것과 같이 설명된다. 어떤 형태든 간에 나선의 자유로운 회전이 불가능한 상태에서 두 딸사슬의 복제가 이중 나선을 따라 진행하면 딸 사슬의 성장하지 않는 말단은 어버이 사슬의 미복제 부분 전체에 치밀한 초과 감김을 유발시킨다. 이것이 미복제 부분의 양성 초나선의 원인이다. 이 초나선이 무한정 진행될 수는 없다. 초나선이 진행되면서 미복제 부분이 너무 치밀하게 꼬이며 복제 갈림점의 진행이 더 이상 불가능해질 것이기 때문이다. 대부분의 자연 상태의 원형 DNA 분자는 음성 초나선으로 감겨져 있다. 그러므로 초기의 초과 감김은 문제가 되지 않는다. 이 초과 감김 또는 꼬임은 이미 존재하고 있는 음성 초나선에 의해서 상쇄될 수 있기 때문이다. 그러나 총 길이의 약 5%의 복제가 일어나고 나면 이 음성 초나선도 다 소모되므로 다시 위상학적 문제가 생시게 된다.