DNA 복제 (DNA replication)

 

세포분열이 일어날 때마다 세포는 놀라울 정도의 정확성을 유지하면서 자신의 유전체를 복제해야 한다. DNA 복제 속도가 초당 뉴클레오타이드 1,000개를 복제할 만큼 빠름에도 어떻게 이와 같은 정확성을 유지할 수 있는지 오늘의 포스팅에서 자세히 알아보기로 한다.  

 

 

DNA-복제-과정

 

 

 

염기쌍 짓기는 DNA 복제를 가능하게 한다

 

 

무질서한 환경 속에서 세포가 생존하고 증식할 수 있는 능력은 DNA에 포함된 거대한 양의 유전정보를 정확하게 복제하는데 달려있다. DNA 복제라는 필수 과정이 세포가 유전적으로 동일한 2개의 딸세포를 생성하기 전에 일어나야만 한다.

 

이와 같은 놀랄 정도의 정확도와 효율성을 가진 고통스러운 임무를 수행하는 것 말고도 세포는 유전정보에 대한 지속적인 감시 및 회복 체계가 반드시 필요하다. 왜냐하면, DNA는 외부환경으로부터 나오는 화학물질과 방사선 그리고 세포 내에서 발생되는 반응활성물질 등에 의한 손상을 피할 수 없기 때문이다. 

 

DNA 이중나선의 가닥은 서로의 뉴클레오타이드 서열이 정확히 상보적이기 때문에 각 가닥은 새로운 상보적 가닥을 합성하는 데 필요한 주형으로 쓰일수 있음을 알게 되었다. 다시 말해 DNA의 두 가닥을 S와 A로 지정할 때, S는 새로운 A 가닥 합성을 위한 주형으로, A는 새로운 S 가닥 합성을 위한 주형으로 작용한다.  따라서 분리된 S와 A 가닥은 이전의 상대 가닥과 동일한 새로운 상보가닥을 합성하기 위한 주형으로 사용하게 되는데, 이처럼 놀랍도록 간단한 과정을 통해서 DNA에 담긴 유전정보는 정확하게 복제된다.

 

DNA 분자의 각 가닥이 상보적인 새로운 가닥을 합성하기 위한 주형으로 작용하기 때문에, 세포는 자신의 유전자를 복사 또는 복제해서 다음 세대로 전할 수 있다. 비록 원리는 간단해 보이지만 세포는 분열시기마다 경이로운 속도와 정확도를 가지고 수십억개에 달하는 뉴클레오타이드쌍을 복제하는 엄청난 임무를 수행해야 한다. 분열하는 인간세포는 8시간에 책 천권에 해당하는 정보를 복제하면서도, 평균적으로 겨우 1,2개의 오자를 만드는 정확성을 지닌다. 이러한 인상적인 임무를 담당하는 단백질 군을 복제기구(replication machine)이라 한다.

 

 

 

DNA 합성은 복제 기점에서 시작된다

 

 

DNA 이중 나선은 일반적으로 매우 안정된 분자이다. 이는 DNA가 2개의 가닥에 있는 염기들이 수없이 많은 수소결합을 통해 단단하게 연결되어 있기 때문이다. 결과적으로, 끓는 물의 온도에 근접한 온도만이 2개의 단일가닥으로 분리하기에 충분한 열에너지를 제공한다. 그러나 이중나선이 주형으로 사용되기 위해서는 먼저 이중나선이 열리고 2개의 가닥으로 분리됨으로써 짝짓지 않은 뉴클레오타이드 염기를 노출시켜야 하며, 2개의 가닥을 분리하려면 충분한 열량을 공급할 수 있도록 높은 온도로 가열해야 한다. 어떻게 이런 반응이 생물의 체온이 높지 않음에도 일어날 수 있을까?

 

DNA 합성과정은 복제기점이라 불리는 특정 DNA 서열에 결합하는 개시단백질에 의해 시작된다. 이때 개시단백질은 염기간의 수소결합을 끊어냄으로써 두 DNA 가닥을 분리시킨다. 수소 결합이 전체적으로 DNA 나선을 매우 안정되게 하지만, 각각의 수소결합은 그리 단단하지 못하다. 따라서 짧은 길이의 DNA를 분리시키는 일은 그다지 많은 열량을 요구하지 않기 때문에, 이러한 개시 단백질은 상온에서도 손쉽게 이중나선의 짧은 부분을 분리시키게 된다.

 

박테리아나 효모같은 간단한 세포의 경우,  이 복제기점은 약 100여 개의 뉴클레오타이드 쌍으로 구성된다. 이들은 개시단백질에 친화적인 염기서열로 구성되어 있어 특별히 쉽게 분리되는 DNA 부위에 해당한다. 박테리아의 유전체는 수백만 개의 뉴클레오타이드로 구성된 원형의 분자로 구성되어 있으며, 단  1개의 복제기점을 가지고 있다.

 

반면 인간의 유전체는 훨씬 커서 약 10,000개의 복제기점을 가지고 있으며 , 이것은 염색체 1개당 평균 220개의 복제 기점이 발견된다고 할 수 있다. 인간은 한 번에 여러곳에서 DNA 복제를 개시함으로써 세포가 전체 유전체를 복사하는 데 걸리는 시간을 크게 단축할 수 있게 된다. 

 

개시 단백질이 DNA의 복제 기점에 결합하여 국부적으로 이중나선을 열면, 이는 곧 DNA 복제를 수행하는 데 필요한 일단의 단백질들을 끌어들이게 된다. 이 단백질군은 각 구성단백질이 독특한 기능을 수행한느 복제기구를 형성한다.