DNAㆍRNA복제의 메커니즘(1) : 3가지 복제의 패턴

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<3가지 복제의 패턴>

DNA에 얽힌 구조와 비밀이 어느 정도 밝혀지자 이제 학자들의 관심사는 DNA의 복제메커니즘의 해명으로 옮겨갔다. 결론을 먼저 말하면 실험을 통해 DNA가 단순한 기질과 효소를 포함하는 시험관 안에서 주형 사슬로부터 복제된다는 것이 밝혀졌다. 또한 정밀한 실험을 통해 이중나선의 각 사슬이 새로운 사실을 위한 주형으로 사용된다는 점이다. 그러므로 복제 패턴에는 다음과 같은 세 가지 패턴이 제시되었다.

DNA 복제에 대한 3가지 가설

① 반보존적 복제(semiconservative replication)

각 양친 사슬은 새로운 사슬의 합성을 위한 주형으로 작용하고 새롭게 형성된 두 개의 DNA 분자는 각각 하나의 옛 사슬과 하나의 새 사슬을 갖는다.

 

② 보존적 복제(conservative replication)

원래의 이중나선은 새로운 이중나선을 만드는 데 주형으로는 작용한지만 이를 형성하는 데는 기여하지 않는다.

 

③ 분산적 복제(dispersive replication)

원래 DNA 분자의 절편들이 두 개의 DNA 분자를 조립하는 데 주형으로 작용하며 각 분자는 무작위로 옛 것과 새 것을 포함하고 있다.

메셀슨과 스탈의 실험

학자들의 연구는 세 가지 중 어느 것이 진정한 DNA 복제 방식인지에 집중되었다.

매튜 메셀손(Matthew Meselson)과 프랭크 스탈(Franklin Stahl)은 1957년 DNA의 옛 사슬을 새 사슬과 구별하는 밀도 표지법을 개발했다. 그들은 서로 밀도가 다른 질소(N14와 N15)를 이용하여 서로 밀도가 약간씩 다른 DNA를 추출했는데 이 연구에 의하면 DNA복제는 반보존적임을 밝혔다. 그들의 연구가 단초가 되어 많은 학자들이 이 부분에 뛰어 들었고 진핵생물인 식물과 동물의 DNA에서도 동일한 과정이 일어남을 밝혔다.

이제 학자들은 DNA가 어떻게 반보존적으로 복제되는가에 집중되었다. 이 과정에는 다음 네 가지의 필요조건이 충족되어야 한다.

 

① DNA는 상보적인 염기 쌍 형성을 위해 주형(template)으로 작용해야 한다.

 

② ATP, GTP, CTP, TTP 모두 존재해야 한다.

 

③ 효소(enzyme)의 DNA 중합효소가 기질을 주형에 운반하여 반응을 촉매하는 데 요구된다.

 

④ 화학 에너지의 한 출처로 높은 흡혈성 합성 반응을 일어나게 해야 한다.

 

DNA 복제는 다음 두 단계를 거치면서 일어난다.

 

① DNA는 국부적으로 풀리면서 두 주형 사슬을 분리시키고 염기 쌍 형성에 이용되도록 한다.

 

② 새로운 뉴클레오티드는 각각 상보적인 염기 쌍 형성에 의해 결정된 서열로 생장하고 있는 사슬의 공유결합에 의해 연결된다.

 

보다 구체적으로 DNA 복제에 대해 설명한다. DNA는 주형 DNA와 DNA 복제 반응을 촉매하는 거대한 단백질 복합체와의 상호작용을 통해 복제된다. 모든 염색체는 복제원점(origin of replication)이라 불리는 적어도 하나 이상의 뉴클레오티드 서열을 가지고 있는데 이것은 복제복합체에 의해 인식된다. DNA는 복제원점으로부터 양쪽 방향으로 북제되어 두 개의 복제분기점(replication fork)을 형성한다. 양친 분자에 있는 두 사슬 모두가 각각으로부터 분리된 다음 주형으로 작용하며 새로운 사슬의 형성은 상보적인 염기 쌍 형성에 의해 인도된다.

모든 복제복합체는 서로 다른 역할을 수행하는 여러 개의 단백질을 포함하고 있다. 이들은 다음과 같은 역할을 한다.

DNA 복제 모식도

① DNA 헬리카아제(helicase)는 이중 나선을 연다.

 

② 단일사슬 결합단백질(single-strand binding orotein)은 두 사슬을 분리된 상태로 유지한다.

 

③ RNA 프리마아제(primase)는 복제를 시작하도록 하는 데 요구되는 프라이머 사슬을 만든다.

 

④ DNA 중합효소(polymerase)는 주형에 상보적인 뉴클레오티드를 프라이머에 첨가하고 DNA를 교정하고 수선한다.

 

⑤ DNA 연결효소(ligase)는 당-인산 주축에 있는 틈을 밀봉한다.

 

제일 먼저 복제원점에서 DNA가 국부적으로 풀린다. 여러 힘이 두 사슬을 묶어 두는데 DNA헬리카제가 이들 사슬을 여는 것이다. 300만 염기 쌍으로 이루어진 세균의 DNA처럼 작은 염색체는 하나의 복제원점을 가지고 있다. 반면에 사람처럼 8000만 개의 염기 쌍으로 이루어진 경우 수백 개의 복제원점이 있다. 한마디로 진핵생물의 DNA에는 많은 복제기점이 있다.

DNA 중합효소는 손바닥, 엄지 및 손가락으로 이루어진, 펴진 손의 모양을 하고 있다. DNA 중합효소는 폴리뉴클레오티드 사슬을 신장시킬 수는 있으나 출발점부터 사슬을 만들기 시작할 수는 없다. DNA 중합 효소는 새로운 뉴클레오티드를 첨가할 수 있는 미리 존재하는 DNA나 RNA의 도움을 필요로 한다. 그러한 도우미 사슬을 프라이머(primer)라고 하는데 DNA 복제에서의 프라이머는 RNA로 된 짧은 단일 사슬이다. 이 RNA 사슬은 DNA 주형 사슬에 대해 상보적인데 프라마아제(primase)라 불리는 효소에 의해 형성되며 이 효소는 프리모솜(primosome)이라고 불리는 집합체에 같이 결합되어 있는 여러 폴리펩티드들 중의 하나이다. DNA 복제가 완료되면 각각의 딸 분자는 오직 DNA로만 이루어진다.

 

<DNA와 RNA의 역할 분담>

하워드 마틴 테민(1934~1994) 1975년 노벨 생리의학상

유전자 연구는 계속 전진되었다. 곧바로 모든 학자들을 깜짝 놀라게 하는 대담한 연구 결과가 발표되었다. 테민(Howard Martin Temin)은 RNA 바이러스가 증식될 때 새로운 DNA의 합성이 필요하며 또 이들 간에는 서로 상보성이 있으므로 RNA 바이러스가 감염되면 제일 먼저 RNA 바이러스를 모형으로 해서 DNA가 합성되고 다음에 이 DNA를 모형으로 해서 다시 RNA 바이러스가 합성된다고 발표했다.

그의 이론은 기존 학설에 비해 너무나 파격적이므로 학자들은 순순히 그의 주장을 믿으려고 하지 않았다. 고전 이론에서는 생명 정보는 DNA에서 RNA, RNA에서 단백질로 전달되고 역순은 없다고 생각했기 때문이다. 그 당시까지 DNA를 모형으로 해서 RNA를 합성하는 효소는 존재하지만 RNA를 모형으로 하여 DNA를 합성하는 효소는 존재하지 않았기 때문이다.

테민은 자신의 이론을 증명하기 위해 그 증거인 효소를 찾아야만 했다. 그 작업이 얼마나 어려운가는 이야기할 필요가 없을 것이다. 그러나 테민은 행운아였다. 그는 대량으로 RNA바이러스를 모았고 그것이 새로운 DNA를 합성하는 것을 확인했다. 테민은 이 효소를 역전사 효소(逆轉寫酵素)라고 이름을 붙였다. 이것은 DNA→RNA란 일방 통로만이 아니라 RNA↔DNA식의 쌍방 통로의 메커니즘도 존재할 수 있다는 매우 중요한 결과를 확인시켜 준 것이다.

데이비드 볼티모어(1938~) 1975년 노벨 생리의학상

데이비드 볼티모어(David Baltimore)도 쥐의 백혈병 바이러스로부터 이 효소를 추출하는데 성공하여 1975년에 노벨 생리․의학상을 수상한다. 볼티모어도 매우 젊은 나이에 노벨상을 받았다. 그는 32살에 쓴 논문으로 37살에 노벨상을 수상했기 때문이다.. 이 구조를 밝히기 위해서는 3단계가 필요한데 첫 번째는 RNA가 어떤 순서로 연결되었는가를 알 수 있는 1차 구조를 규명하는 것이다. 다음은 2차 구조로 RNA가 어떻게 꼬이고 접히는가를 알아내는 것이고 마지막으로 어떤 입체적 모양으로 접히는가를 보는 3차 구조를 확인해야 하는 것이다.

김성호(1937~) 제공 듀크대

여기서는 이와 같이 RNA의 구조를 간단하게 설명했지만 이론적으로 매우 단순하게 보이는 RNA의 1차 구조조차 실제로 규명하는 것은 매우 어려운 작업이다. 그러므로 RNA의 2, 3차 구조의 규명이 1차 구조를 밝히는 것보다 매우 어렵다는 것은 말할 필요도 없다. 그런데 RNA중에서도 tRNA의 2, 3차 구조를 밝힌 학자가 우리 나라의 김성호 박사이다. 그는 tRNA를 결정 상태로 분리하고 X선 분석을 가하여 3차 구조를 규명하는 한편 3차 구조의 모형을 제시하였다. 그는 또한 tRNA의 2차 구조를 클로버 잎 모양으로 제시하였고 3차 구조는 L자형으로 된다고 자신의 연구 결과를 제시했다.

sRNA는 미국의 <사이언스>지가 ‘2002년 10대 하이라이트’를 선정하면서 ‘최고의 과학 업적’으로 선정할 정도로 유전학 분야에서 중요도를 인정받고 있다.

 

학자들은 작은 크기의 다양한 sRNA(small RNA)가 유전자의 발현을 조절하는 과정에 여러 형태로 관여해 세포의 기능을 총괄 조정하는 지휘자라는 것을 발견했다. 이를 RNA의 간섭현상이라고 하는데 쉽게 말한다면 RNA에 의해 유전자 발현이 간섭을 받아 발현되지 못하도록 하는 것이다.