[생명과학] DNA의 복제 과정

 

 

DNA를 복제하는 과정에서 여러 효소들이 이용된다. DNA 합성효소는 주형 가닥에 상보적으로 DNA를 합성한다. 합성하기 위해서는 앞에 3'-OH가 있어야 하고 항상 5'에서 3' 방향으로 합성한다. DNA 합성효소는 여러 종류가 있지만 그중 하나인 DNA 합성효소Ⅲ은 길이가 긴 DNA를 합성하며 DNA 합성효소Ⅰ은 길이가 짧은 DNA를 합성한다. 특히 DNA 합성효소Ⅰ은 DNA를 수선하는 데 이용된다.

핵산말단가수분해효소와 핵산내부가수분해효소는 DNA를 절단하는 역할을 하는데 전자는 DNA의 말단을, 후자는 DNA의 내부를 절단한다.

그리고 리가아제는 끊긴 DNA를 다시 연결하는 효소다. 5'의 인산과 3'의 OH기를 서로 연결한다.

 

 

1. 원핵생물의 복제

(1) 개시

대장균의 복제원점에는 A=T 염기쌍이 많아서 결합이 비교적 약하다. 복제원점에 DnaA 단백질이 결합하면 염기쌍 사이에 있는 수소 결합을 끊어 단일 가닥이 형성된다. DnaC가 DnaB 단백질을 데려오고 헬리케이스라 불리는 DnaB가 외가닥 DNA에 결합해 5'에서 3' 방향으로 이동하면서 이중 가닥의 DNA를 외가닥으로 벌린다. 외가닥으로 벌어진 DNA에 SSBP가 붙어 다시 이중 가닥이 되지 않도록 한다. 그리고 자이레이스는 이중가닥인 DNA가 외가닥으로 벌어질 때 생기는 양성 초나선을 해소한다.

 

(2) 진행

1) 선도가닥 합성

RNA 합성효소나 프라이메이스가 복제원점에서 짧은 길이의 RNA 프라이머를 합성한다. 그러면 DNA 합성효소Ⅲ가 RNA 프라이머 3'에 있는 OH기 말단에 붙어 주형 가닥에 상보적인 염기를 합성하면서 복제를 진행한다. 여기서 상보적인 염기의 연결은 dNTP의 인산 안하이드라이드 결합이 끊어지면서 무기인산이 떨어질 때 방출되는 에너지를 통해 염기들이 dNMP 형태로 OH기에 연결되면서 일어난다. 

 

2) 지연가닥 합성

프라이메이스가 적당한 간격을 두면서 RNA 프라이머들을 합성한다. 그리고 DNA 합성효소Ⅲ가 RNA 프라이머들의 3'-OH에 붙어 주형 가닥에 상보적인 염기들을 연결한다. 5'에서 3' 방향으로 합성하다가 RNA 프라이머를 만나면 복제를 멈춘 뒤 이탈한다. 그 결과 오카자키 절편이 생긴다.

 

3) 오카자키 절편의 연결

짧은 가닥을 합성하기 위해 DNA 합성효소Ⅰ이 오카자키 절편의 3'-OH에 결합한다. DNA 합성효소Ⅰ은 RNA 프라이머를 핵산말단가수분해효소를 활성화해 분해하는 동시에 DNA 가닥을 연장한다. RNA 프라이머가 모두 DNA로 바뀌면서 드러난 3'-OH와 오카자키 절편의 5' 인산 말단을 리가아제가 연결한다.

 

(3) 종결

복제 분기점들이 원형 DNA의 복제원점에서 양쪽으로 이동하다가 종결 자리에서 만나게 된다. Tus 단백질은 종결 자리에 붙어 있다가 이곳에 도달한 복제 기구를 해체한다. 복제가 다 끝나면 두 개의 원형 DNA가 서로 걸려있는 고리를 형성하는데 이를 위상이성질화효소가 떼어낸다. 최종적으로 2개의 원형 DNA가 형성되면서 복제가 완료된다.

 

 

2. 진핵생물의 복제

진핵생물은 원핵생물과 달리 복제원점이 여러개 있으며 각 복제원점에서 복제가 시작되는 시점이 다를 수 있고 복제원점의 위치도 바뀔 수 있다. 또한 선형의 DNA를 갖고 있어 가장 바깥쪽에 3'-OH를 제공할 수 없다. 그렇기 때문에 주형 가닥 3' 말단에 상보적으로 합성되었던 RNA 프라이머가 분해되면 그 부분을 DNA로 채울 수 없다. 이러한 이유로 복제가 계속될수록 DNA가 점점 짧아지고 유전 정보가 소실되어 결국 세포가 죽게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 존재하는 것이 바로 텔로머레이스다. 텔로머레이스는 RNA와 단백질의 복합체로 역전사 효소에 해당한다. 텔로머레이스는 주형 가닥의 3' 말단에 붙어 자신이 갖고 있는 RNA 가닥에 상보적인 텔로미어 서열을 연속해서 합성한다. 특히 복제가 활발히 일어나는 배세포나 배아줄기세포, 성체줄기세포, 암세포 등에서 텔로머레이스가 관찰된다. 이렇게 DNA를 길게 연장해 놓으면 복제될 때마다 조금씩 짧아지더라도 염색체 내 유전정보는 소실되지 않는다.