DNA 복제 : DNA 합성 과정, 복제 원점, DNA 중합효소

 웟슨과 크릭은 DNA의 구조, 특히 쌍을 이룬 뉴클레오타이드의 상보성이 유전물질의 정확한 복제 메커니즘의 핵심임을 알았다. 그들은 "우리가 가정한 염기쌍 형성 원리가 유전물질의 복제 메커니즘을 제시하고 있음을 느낄 수 있었다."라고 말하였다. 그들은 이중 나선의 두 가닥이 분리되고 그 각각의 가닥을 주형으로 하여 새로운 상보적 사슬이 형성된다는 단순한 복제 모델을 만들었다.

 합성은 어떤 것을 만드는 것을 의미하며, 복제는 어떤 것의 정확한 사본을 만드는 것을 의미한다. DNA 분자는 다른 DNA 분자를 복제하여 만들어지므로 DNA 합성과 DNA 복제는 같은 의미를 갖는다. 오래전부터 미지의 유전물질은 세포가 분열할 때 복제할 수 있는 능력을 갖추고 있다고 생각해 왔다. 염색체 내에 존재하는 모든 유전자 한 벌이 새로 형성된 세포 각각에 전달되지 않으면 안 되며, 생식세포나 개체는 모든 유전자 한 벌을 후손에게 전달하지 않으면 안 된다.

 뉴클레오타이드 염기쌍을 이루는 방법은 사진 필름의 양화, 음화와 비슷하다. 똑같은 정보가 양쪽 사슬에 존재한다. 즉 음화에서 양화를 재생할 수 있고 양화에서 음화를 재생할 수 있다. 마찬가지로 DNA 복제효소는 크릭 사슬에서 웟슨 사슬을 만들 수 있고, 웟슨 사슬에서 크릭 사슬을 만들 수 있다. 그렇게 함으로써 새로운 웟슨 사슬과 크릭 사슬이 만들어지며, 따라서 하나의 분자가 두 분자로 된다. 

 DNA 복제에 관한 모든 것이 자세히 알려지지는 않는다. 무엇이 이 과정을 시작하게 하고, 암에서는 왜 이것이 조절되지 않으며, 분화가 끝나가는 세포에서는 왜 복제가 영원히 중지되는가 등의 문제는 여전히 미지수이다.


[DNA 합성 과정]

 DNA 복제의 개념은 매우 간단하다. DNA의 두 상보적 사슬이 나뉘고, 사슬 각각은 새로운 사슬을 합성하는 데 주형으로 사용된다. 그러나 세부적인 것이 매우 복잡하다. 복제는 뉴클레오타이드 3 인산인 dATP, dGTP, dTTP, dCTP로 시작한다. 

 2개의 인산 사이에 존재하는 고에너지 결합이 뉴클레오타이드 사이의 강한 공유결합 형성에 사용된다. 이 과정에서 가장 안쪽에 있는 인산은 그대로 남아 있고, 바깥쪽의 두 인산기는 피로인산염으로 유리된다. 남아 있는 인산은 다음과 같은 방법으로 2개의 데옥시리보스 소단위 사이에 고리를 형성한다.

 첫 번째 뉴클레오타이드 디옥시리보오서의 3'-OH기는 두 번째 뉴클레오타이드의 5'인산과 반응하여 당-인산-당 고리를 형성한다. 두 번째 뉴클레오타이드의 3'-OH기는 마찬가지 방법으로 세 번째 뉴클레오타이드의 5'인산과 작용할 수 있다. 아마도 여기에서 기억해야 할 가장 중요한 것은 새로 들어오는 뉴클레오타이드의 5 원래 있던 뉴클레오타이드의 3'-OH기와 반응한다는 것이다. 새로운 뉴클레오타이드의 정체는 물론 상보적 주형 사슬의 정보에 달려 있다.

 결국 뉴클레오타이드의 긴 중합체가 생산된다. DNA 사슬의 골격은 교대로 나타나는 당과 인산으로 되어 있으며 이들은 공유하고 있는 산소 원자에 의해 연결된다. 염기는 당에 걸려 있는 가지이며 골격의 일부분이 아니다. 자유로운 5 끝나는 쪽은 5 알려져 있고, 자유로운 3'-OH기로 끝나는 쪽은 3 알려져 있다.


[복제원점]

 복제 과정은 DNA의 중간 부위에 있는 복제 원점에서 시작한다. 거기서 수소결합이 절단되고 쌍을 이룬 염기가 분리된다. 나선은 서로 떨어지기 시작하며, DNA의 풀림은 헬리카아제에 의하여 촉진된다. 헬리카아제는 복제 과정에 관련된 효소들과 그 밖의 여러 단백질로 이루어진 복제복합체의 일부분이다. 그와 같은 복제복합체 2개가 각 복제원점에 존재하며, 서로 반대 방향으로 움직이면서 Y형 복제 분기를 만든다.

 이중 나선의 사슬이 서로 풀릴 때 기라아제라고 부르는 효소가 일시적으로 DNA에 금을 내어 뒤틀리지 않도록 한다. 기라아제에 의하여 금이 생긴 곳에서 나선은 사슬 주위를 돌며 풀어질 수 있다. 풀려서 장력이 줄어들면 금은 다시 봉인된다. 복제복합체는 또한 주형 사슬이 서로 떨어져 있도록 하는 외사슬 결합 단백질과 DNA 합성효소인 DNA 중합효소를 포함하고 있다.


[DNA 중합효소]

 DNA 복제에서 제일 중요한 효소인 DNA 중합효소의 주요 기능은 기존의 사슬 3'-OH기에 새로 들어 온 뉴클레오타이드의 5'인산기를 붙이는 것이다. 이러한 중합은 DNA 중합효소의 여러 작용 중에서 가장 중요한 것이다. 그러나 중합 작용 하나로는 복제 과정의 여러 문제점을 모두 해결할 수 없다.

 첫째로 DNA 중합효소 혼자서는 새로운 사슬의 합성을 개시할 수 없다. 이 효소가 새로운 뉴클레오타이드를 첨가하기 위해서는 기존의 3'-OH기가 있어야 한다. 따라서 프리마아제라고 부르는 다른 효소가 주형 사슬을 복사하여 RNA 프라이머를 형성해야 실제로 DNA 복제가 시작된다. 이 짧은 염기서열은 DNA 중합효소가 중합 과정을 시작할 수 있도록 자유로운 3'-OH기를 제공해 준다.

 두 번째 문제는 DNA 중합효소는 자라고 있는 사슬의 3'-OH기 끝에만 새로운 염기를 첨가할 수 있다는 것이다. 즉 새로운 DNA 사슬은 5 3 자란다. 이중 나선의 두 사슬은 역평행이다. 따라서 복제복합체가 복제원점에서 두 주형 사슬을 자유롭게 해 주는데, 이들 주형 사슬은 방향이 서로 반대이다. 이것은 복제가 한 사슬에서는 5'에서 3'의 방향으로 일어나는 동안 다른 사슬에서는 3'에서 5'의 방향으로 일어나지 않으면 안 된다는 것을 의미한다. 이 문제를 해결하는 방법을 찾기 위하여 초기에 분자생물학자들은 많은 어려움을 겪었고, 반대 방향으로 뉴클레오타이드를 첨가할 수 있는 다른 DNA 중합효소를 찾아보았으나, 그러한 효소는 존재하지 않았다. 결국 두 사슬에서 서로 다른 방법으로 복제가 일어난다는 것을 알게 되었다.

 복제복합체가 DNA의 복제원점으로부터 움직여 나가는 데 따라 한쪽 사슬은 5'에서 3'방향으로 계속 합성해 나가면서 선도 딸 사슬을 만든다. 따라서 선도 사슬의 합성을 연속 복제라고 부른다. 그러나 다른 사슬은 불연속적으로 복제된다. 선도 사슬이 연속적으로 복제되고 있는 동안 다른 쪽에서는 짝을 이루지 않은 외가닥 주형 사슬이 늘어나는데, 그것이 충분히 길어지면 프리마아제와 DNA 중합효소가 5'에서 3'방향으로 새로운 사슬을 복제하기 시작한다. 새로 조립된 이 짧은 DNA 분절은 발견자의 이름을 따서 오카자키절편이라고 부른다. 복제가 진행되어 뉴클레오타이드가 오카자키절편의 3 계속 첨가되면 오카자키절편들은 서로 만나게 된다. DNA 중합효소가 RNA 프라이머를 만나면 프라이머를 절단해 내고 그 틈을 DNA로 채운 다음 떠난다. 최종적으로 근접한 분절의 말단은 리가아제 효소에 의하여 서로 연결된다.

 이처럼 복잡하지만 각 주형 사슬은 완전한 형태로 남아 있고, 각각 새로운 상보적 사슬을 받아들인다. 이러한 형태의 합성을 반보존적이라고 한다. 이름이 말해 주듯이 반보존적 합성은 한 사슬은 그대로 유지되고 다른 사슬은 새로 합성됨을 의미한다.

 생물학자들이 복제의 성질이 보존적인가, 혹은 산포적인가 아니면 반보존적인가를 결정하고자 애쓰던 때가 있었다. 보존적 복제는 복제되는 동안 DNA 분자가 완전히 새로 재조립되는 것을 말한다.