DNA 복제
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1. 개요
DNA 복제는 DNA 이중 나선 구조를 기반으로 유전 정보를 정확하게 복제하는 생물학적 과정이다. DNA는 이중 가닥 구조로, 각 가닥은 뉴클레오타이드로 구성되며, 아데닌(A)은 티민(T)과, 구아닌(G)은 시토신(C)과 수소 결합을 통해 짝을 이룬다. 복제는 DNA 중합효소에 의해 시작되며, 헬리케이스, 토포이소머라아제, 프라이메이스, 리가아제 등 다양한 효소와 단백질이 관여한다. 복제 과정은 복제 원점에서 시작하여, 선도 가닥과 지연 가닥으로 나뉘어 진행되며, 텔로미어와 같은 문제점을 해결하기 위한 특별한 기전도 존재한다. DNA 복제는 유전 질환 진단, 생명공학, 농업 등 다양한 분야에 응용된다.
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| DNA 복제 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 과정 | 개시 신장 종료 |
| 필요성 | 세포 분열 시 유전 정보의 정확한 전달 |
| 특징 | 반보존적 복제 |
| 주요 효소 | DNA 중합효소 |
| 상세 정보 | |
| 정의 | DNA 이중 나선으로부터 동일한 DNA 사본을 생성하는 생물학적 과정 |
| 목적 | 세포가 분열할 때 각 딸 세포가 자신의 DNA 사본을 갖도록 함 |
| 개요 | DNA의 특정 위치에서 시작하여, 염기쌍을 풀어 복제 분기점을 형성하고, DNA 중합효소가 새로운 DNA 가닥을 합성함 |
| 반보존적 복제 | 각 새로운 DNA 이중 나선은 원래 가닥 중 하나와 새로 합성된 가닥 하나로 구성됨 |
| 복제 시작점 | DNA 복제가 시작되는 특정 DNA 서열 |
| 복제 분기점 | DNA 복제 중에 Y자 모양으로 벌어진 영역 |
| 선도 가닥 | 복제 분기점 방향으로 연속적으로 합성되는 DNA 가닥 |
| 지연 가닥 | 오카자키 절편으로 불연속적으로 합성되는 DNA 가닥 |
| 오카자키 절편 | 지연 가닥에서 짧게 합성된 DNA 조각 |
| DNA 중합효소 | DNA 복제에 필요한 주요 효소로, 새로운 DNA 가닥을 합성함 |
| 프라이머 | DNA 합성을 시작하는 데 필요한 짧은 RNA 서열 |
| 헬리카제 | DNA 이중 나선을 풀어 복제 분기점을 형성하는 효소 |
| DNA 연결효소 | 오카자키 절편을 연결하여 완전한 DNA 가닥을 만드는 효소 |
| 진핵생물 | 여러 개의 복제 시작점을 가짐 |
| 원핵생물 | 하나의 복제 시작점을 가짐 |
| 정확성 | DNA 중합효소의 교정 기능과 DNA 복구 시스템에 의해 유지됨 |
| 관련 질병 | DNA 복제 오류는 암과 같은 질병을 유발할 수 있음 |
2. DNA 구조
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DNA는 이중 나선 구조를 이루고 있으며, 이 구조는 DNA 복제의 기본 원리를 이해하는 데 중요하다. DNA 이중 나선은 염기쌍 형성을 통해 안정화된다.
DNA 가닥은 방향성을 가지며, 단일 가닥의 서로 다른 끝을 3' 말단과 5' 말단이라고 부른다. DNA 이중 나선에서 두 가닥은 서로 역평행으로 배열되어, 한 가닥은 5'에서 3' 방향으로, 다른 가닥은 3'에서 5' 방향으로 뻗어 있다. 이러한 방향성은 DNA 중합 효소가 DNA 가닥의 3' 말단에만 뉴클레오타이드를 추가할 수 있기 때문에 DNA 복제 과정에 중요한 영향을 미친다.
DNA의 각 가닥은 상보적인 정보를 담고 있어, 한 가닥이 손상되더라도 다른 가닥을 이용하여 복구할 수 있다.
2. 1. 이중 나선 구조
DNA는 이중 가닥 구조로, 두 가닥이 꼬여 이중 나선을 형성한다. 각 가닥은 네 종류의 뉴클레오타이드 사슬로 구성된다. 뉴클레오타이드는 데옥시리보스 당, 인산기, 뉴클레오베이스로 이루어져 있다. 네 종류의 뉴클레오베이스는 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T)이다. 아데닌과 구아닌은 퓨린[17] 염기, 시토신과 티민은 피리미딘 염기이다.뉴클레오타이드는 포스포디에스터 결합으로 연결되어 DNA 이중 나선의 인산-데옥시리보스 골격을 형성하며, 뉴클레오베이스는 안쪽을 향한다. 뉴클레오베이스는 수소 결합으로 짝을 이루어 염기쌍을 형성하는데, 아데닌은 티민과 두 개의 수소 결합으로, 구아닌은 시토신과 세 개의 수소 결합으로 짝을 이룬다.[18]
DNA 가닥은 방향성을 가지며, 3' 말단과 5' 말단으로 구분된다. 이중 나선은 역평행 구조로, 한 가닥은 5'에서 3' 방향, 반대 가닥은 3'에서 5' 방향이다. DNA 중합 효소는 3' 말단에만 뉴클레오타이드를 추가할 수 있기 때문에 DNA 합성은 한 방향으로만 진행된다.
DNA에서 상보적인 염기쌍 형성은 각 가닥의 정보가 중복됨을 의미한다. 포스포디에스터 결합(가닥 내)은 수소 결합(가닥 간)보다 강하여 DNA 이중 나선을 안정화시키지만, 가닥 분리를 가능하게 한다.[19] 이러한 특성 덕분에 단일 가닥 뉴클레오타이드로 파트너 가닥을 재구성할 수 있다.[20]
2. 2. 염기쌍 형성
DNA는 이중 나선 구조를 이루는 두 가닥이 서로 꼬여 있으며, 각 가닥은 네 종류의 뉴클레오타이드로 구성된다. DNA를 구성하는 뉴클레오타이드는 데옥시리보스 당, 인산기, 뉴클레오베이스로 이루어져 있다. 뉴클레오베이스에는 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T)의 네 종류가 있으며, 아데닌과 구아닌은 퓨린, 시토신과 티민은 피리미딘 계열이다. 이 뉴클레오타이드들은 포스포디에스터 결합으로 연결되어 DNA 이중 나선의 골격을 형성하며, 뉴클레오베이스는 안쪽을 향해 서로 마주본다. 이때, 수소 결합을 통해 아데닌은 티민과 두 개의 수소 결합을, 구아닌은 시토신과 세 개의 수소 결합을 형성하여 염기쌍을 이룬다.[18]상보적인 염기의 쌍 형성은 각 가닥에 포함된 정보가 중복됨을 의미한다. 포스포디에스터 결합은 수소 결합보다 강하며, DNA 중합체에서 한 뉴클레오타이드의 5' 탄소 원자를 다른 뉴클레오타이드의 3' 탄소 원자에 연결하는 역할을 한다. 수소 결합은 나선 축을 따라 DNA 이중 나선을 안정화시키지만, 축 방향으로는 안정화시키지 않는다.[19]
3. 복제 과정
DNA 복제는 개시, 신장, 종결의 세 단계로 진행되며, 효소에 의해 촉매 및 조절된다.
- 개시: DNA 복제는 복제 기점이라는 특정 염기 서열에서 시작된다. 헬리케이스 효소는 DNA 이중 나선 사이의 수소 결합을 끊어 각 가닥을 분리하고, Y자 모양의 복제 분기점을 형성한다.[69] 각 가닥은 상보적인 결합을 통해 새로운 DNA 분자의 주형(바탕)이 된다.
- 신장: DNA 중합효소는 주형 가닥에 상보적인 뉴클레오타이드를 인산 디에스터 결합으로 연결하여 새로운 DNA 가닥을 만든다. DNA 중합효소는 5'에서 3' 방향으로만 새로운 DNA를 합성할 수 있으며, DNA 이중 나선은 서로 반대 방향으로 결합되어 있으므로 새로운 뉴클레오타이드를 붙이는 방향은 원래 DNA의 3' 방향부터이다. DNA 중합효소는 단일 가닥 DNA에 결합할 수 없으므로, RNA 프라이메이스 효소가 RNA 프라이머를 DNA에 붙여 DNA 중합효소가 결합할 수 있는 이중 나선 구조를 만든다. 이후 DNA 중합효소는 RNA 프라이머를 따라 뉴클레오타이드를 연결하며, RNA 프라이머는 나중에 DNA로 대체된다.[69] DNA 토포이소머라아제는 DNA 나선이 꼬이는 것을 막기 위해 DNA 나선을 해체하고 재조합한다.[69]
- DNA의 한쪽 가닥(선도가닥)은 연속적으로 합성되지만, 반대쪽 가닥(지연가닥)은 오카자키 절편이라는 짧은 DNA 조각 형태로 불연속적으로 합성된다.[69] 이는 DNA 중합효소가 5'-3' 방향으로만 DNA를 합성할 수 있기 때문이다. DNA 리가아제는 오카자키 절편들을 서로 연결한다.[69]
- 종결: 새로 만들어진 DNA의 염기쌍끼리 수소 결합이 형성되어 DNA 복제가 마무리된다.
DNA 중합효소는 주형 가닥과 쌍을 이루는 기존 DNA 또는 RNA 가닥만 연장할 수 있으며, 새로운 가닥 합성을 시작하려면 프라이머라는 짧은 RNA 조각이 필요하다.[22] DNA 중합효소는 인산 디에스터 결합 생성을 통해 주형 가닥에 맞는 새로운 뉴클레오티드를 추가하며, 이 반응의 에너지는 뉴클레오시드 삼인산의 고에너지 인산 결합 가수 분해로부터 발생한다.
DNA 중합효소는 매우 정확하며(107개의 뉴클레오티드 추가 당 오류율 1개 미만),[24] 일부 DNA 중합효소는 교정 기능을 통해 부적절하게 짝지어진 염기를 제거할 수 있다.
DNA 복제는 다음과 같은 특징을 갖는다.
- 반보존적 복제: 복제된 DNA는 원래 DNA 가닥과 새로 합성된 가닥이 하나씩 섞여 있다.
- 반불연속적 복제: DNA 중합효소는 5'에서 3' 방향으로만 DNA를 합성할 수 있기 때문에, 선도가닥은 연속적으로 합성되지만 지연가닥은 오카자키 절편으로 불연속적으로 합성된다.
3. 1. 복제 개시
DNA 복제는 기점(origins of replication)이라는 특정한 위치에서 시작된다.[69] DNA 복제는 세포 분열을 하기 전에 반드시 일어나야 하는 과정으로, 일단 시작되면 완료될 때까지 계속 진행된다.[27] 복제가 완료되면 동일한 세포 주기에서는 다시 복제가 일어나지 않는다.
세포 분열 후기 및 초기 G1기에, 개시 단백질들은 DNA의 특정 지점(복제 기점)에서 전복제 복합체를 형성한다.[11][10] Escherichia coli에서 주요 개시 단백질은 DnaA이며, 효모에서는 기점 인식 복합체이다.[28] 개시 단백질이 사용하는 염기 서열은 A-T 염기쌍이 수소 결합을 두 개만 가지므로(C-G 염기쌍은 세 개의 수소 결합을 가짐) 가닥 분리가 더 쉬운, "AT가 풍부"한 경향이 있다.[29] 진핵생물에서 기점 인식 복합체는 개시 단백질의 복제 전 복합체로의 조립을 촉매한다. Cdc6와 Cdt1은 DNA에 Mcm 복합체를 로드하는 데 필요한 더 큰 복합체를 형성하기 위해 결합된 기점 인식 복합체와 기점에서 결합한다. 진핵생물에서 Mcm 복합체는 복제 분기점과 기점에서 DNA 이중 나선을 분리하는 헬리케이스이다. Mcm 복합체는 G1기 후반에 모집되며, Mcm 복합체를 기점 DNA에 로드하는 것은 복제 전 복합체 형성의 완료를 의미한다.[33]
G1기 후반에 환경 조건이 적합하면, G1 및 G1/S 사이클린-Cdk 복합체가 활성화되어 DNA 합성 기계의 구성 요소를 암호화하는 유전자의 발현을 자극한다. Clb5,6-Cdk1 복합체는 복제 기점의 활성화를 직접적으로 유발하므로 각 기점을 직접 활성화하기 위해 S기 전반에 걸쳐 필요하다.[33] Cdc7 또한 복제 기점을 활성화하기 위해 S기 동안 필요하며, DNA 복제의 조기 시작을 피하기 위해 활성화 시기가 엄격하게 조절된다.[33] G1/S-Cdk 및/또는 S-Cdk와 Cdc7은 함께 복제 기점을 직접 활성화하여 DNA 합성을 시작한다.[33]
S기 초기에 S-Cdk와 Cdc7의 활성화는 기점에서 형성되는 거대한 단백질 복합체인 개시 전 복합체의 조립을 유도한다. 개시 전 복합체의 형성은 복제 개시 복합체로부터 Cdc6과 Cdt1을 제거하여, 복제 전 복합체를 비활성화하고 해체한다. 개시 전 복합체를 기점에 로딩하면 Mcm 헬리케이스가 활성화되어 DNA 이중 나선이 풀린다. 개시 전 복합체는 또한 α-프리마제와 다른 DNA 중합효소를 DNA에 로딩한다.[33] α-프리마제가 첫 번째 프라이머를 합성한 후, 프라이머-주형 접합부는 슬라이딩 클램프를 DNA에 로딩하여 DNA 합성을 시작하는 클램프 로더와 상호 작용한다. 개시 전 복합체의 구성 요소는 복제 기점에서 멀어짐에 따라 복제 분기점과 계속 연결되어 있다.[33]
3. 2. 복제 신장
DNA 중합효소는 주형 가닥에 맞는 새로운 뉴클레오티드를 인산 디에스터 결합을 통해 하나씩 추가하며 DNA 가닥의 3′ 말단을 연장하여 새로운 DNA 가닥을 만든다. 이 반응에 필요한 에너지는 각 염기에 부착된 세 개의 인산 사이의 고에너지 인산 결합이 가수분해되면서 발생한다. 자유 염기는 뉴클레오티드라고 불리며, 특히 세 개의 인산 그룹이 부착된 염기는 뉴클레오시드 삼인산이라고 한다. 뉴클레오티드가 DNA 가닥에 추가될 때, 두 개의 원위 인산 그룹이 피로인산으로 방출되면서 고에너지 인산 결합이 가수분해된다. 결과적인 피로인산이 무기 인산으로 효소적으로 가수 분해되면 두 번째 고에너지 인산 결합이 소모되고 반응이 효과적으로 비가역적이 된다.[23]DNA 중합효소는 107개의 뉴클레오티드를 추가할 때 오류율이 1개 미만일 정도로 매우 정확하다.[24] 일부 DNA 중합효소는 부적절하게 짝지어진 염기를 수정하기 위해 개발 중인 가닥의 끝에서 뉴클레오티드를 삭제할 수 있는데, 이를 교정이라고 한다. 또한 복제 후 불일치 복구 메커니즘은 DNA에서 오류를 찾아내어, 새로 합성된 DNA 가닥의 불일치를 원래 가닥 서열과 구별한다. 이러한 과정을 통해 109개의 뉴클레오티드를 추가할 때 오류가 1개 미만인 복제 충실도를 달성한다.[24]
DNA 복제 속도는 파지 T4에 감염된 ''대장균''에서 처음 측정되었는데, 37°C에서 초당 749개의 뉴클레오티드였다.[25] 파지 T4 DNA 합성 동안 복제당 염기쌍당 돌연변이율은 1.7/108이다.[26]
DNA 합성은 5'에서 3' 방향으로 진행된다. 알려진 모든 DNA 복제 시스템은 합성이 시작되기 전에 자유로운 3' 수산기를 필요로 한다. DNA 합성에 대한 네 가지 메커니즘은 다음과 같다.
# 모든 세포 생명체와 많은 DNA 바이러스, 파지, 플라스미드는 프라이메이스를 사용하여 자유로운 3' OH 그룹을 가진 짧은 RNA 프라이머를 합성하고, 이후 DNA 중합효소에 의해 연장된다.
# 레트로요소(레트로바이러스 포함)는 역전사 효소에 의해 연장에 사용되는 자유로운 3' OH를 제공하여 DNA 복제를 프라이밍하는 전달 RNA를 사용한다.
# 아데노바이러스와 세균파지의 φ29 패밀리에서 3' OH 그룹은 새로운 가닥을 형성하기 위해 DNA 중합효소에 의해 뉴클레오티드가 추가되는 게놈 부착 단백질(말단 단백질)의 아미노산 측쇄에 의해 제공된다.
# 단일 가닥 DNA 바이러스(서코바이러스, 제미니바이러스, 파보바이러스 등)와 롤링 서클 복제(RCR) 메커니즘을 사용하는 많은 파지와 플라스미드에서 RCR 엔도뉴클레아제는 게놈 가닥(단일 가닥 바이러스) 또는 DNA 가닥 중 하나(플라스미드)에 닉을 생성한다. 닉된 가닥의 5' 말단은 뉴클레아제에 있는 티로신 잔기로 옮겨지며, 자유로운 3' OH 그룹은 DNA 중합효소에 의해 새로운 가닥을 합성하는 데 사용된다.
세포 유기체는 첫 번째 경로를 사용하는데, 이는 가장 잘 알려져 있기 때문이다. 이 메커니즘에서 두 가닥이 분리되면 프라이메이스가 RNA 프라이머를 주형 가닥에 추가한다. 선도 가닥은 하나의 RNA 프라이머를 받고 지연 가닥은 여러 개의 RNA 프라이머를 받는다. 선도 가닥은 높은 공정성을 가진 DNA 중합효소에 의해 프라이머에서 지속적으로 연장되는 반면, 지연 가닥은 각 프라이머에서 불연속적으로 연장되어 오카자키 절편을 형성한다. RNase는 프라이머 RNA 절편을 제거하고 복제 중합효소와는 다른 낮은 공정성의 DNA 중합효소가 들어가 틈을 채운다. 이 과정이 완료되면 선도 가닥에는 단일 닉이, 지연 가닥에는 여러 개의 닉이 발견될 수 있다. 리가아제는 이러한 닉을 채워 새로 복제된 DNA 분자를 완성한다.
세균과 고세균/진핵생물 간에 프라이메이스는 현저한 차이를 보인다. 세균은 TOPRIM 폴드 유형의 촉매 도메인을 포함하는 DnaG 단백질 슈퍼패밀리에 속하는 프라이메이스를 사용한다.[35] 반면에 고세균과 진핵생물이 사용하는 프라이메이스는 RNA 인식 모티프(RRM)의 고도로 파생된 버전을 포함한다. 진핵생물 복제에서 프라이메이스는 Pol α와 복합체를 형성한다.[36]
DNA 복제 과정에서 여러 DNA 중합효소가 서로 다른 역할을 수행한다. ''대장균''(Escherichia coli)에서 DNA Pol III는 DNA 복제를 담당하는 주요 중합효소이다. 반면에 DNA Pol I은 RNA 프라이머를 DNA로 대체하는 효소이다. DNA Pol I은 중합효소 활성 외에도 5'에서 3' 엑소뉴클레아제 활성을 가지며, 이를 사용하여 DNA 가닥을 연장할 때 앞쪽에 있는 RNA 프라이머를 분해한다. Pol I은 DNA 복제에서 몇 개의 매우 긴 영역보다는 많은 짧은 DNA 영역을 만드는 것이 주요 기능이므로 Pol III보다 공정성이 훨씬 낮다.
진핵생물에서 낮은 공정성 효소인 Pol α는 프라이메이스와 복합체를 형성하므로 복제를 시작하는 데 도움이 된다.[37] 진핵생물에서 선도 가닥 합성은 Pol ε에 의해 수행되는 것으로 생각되었으나, 최근에는 Pol δ의 역할이 제시되었다.[38] 프라이머 제거는 Pol δ[39]에 의해 완료되는 반면, 복제 중 DNA 복구는 Pol ε에 의해 완료된다.
DNA 합성이 계속됨에 따라 원래의 DNA 가닥은 버블의 각 측면에서 계속 풀리면서 두 개의 갈래가 있는 복제 포크를 형성한다. 단일 복제 기점을 가진 세균에서는 이 과정으로 "세타 구조"가 생성된다. 반면에 진핵생물은 더 긴 선형 염색체를 가지고 있으며 이러한 염색체 내의 여러 기점에서 복제를 시작한다.[40]
a: 주형 가닥, b: 선도 가닥, c: 지연 가닥, d: 복제 분기점, e: 시발체, f: 오카자키 절편
복제 분기점은 DNA 복제 과정에서 긴 나선형 DNA 내에 형성되는 구조이다. 헬리케이스는 나선 구조에서 DNA 가닥을 묶어주는 수소 결합을 끊어 복제 분기점을 만든다. 결과적으로 두 개의 갈라진 "갈래"를 가진 구조가 형성되며, 각 갈래는 DNA 단일 가닥으로 구성된다. 이 두 가닥은 선도 가닥과 지연 가닥의 주형으로 작용하며, DNA 중합 효소가 주형에 상보적인 뉴클레오티드를 맞추면서 생성된다.
'''DNA는 DNA 중합 효소에 의해 3'에서 5' 방향으로 읽히며, 이는 새로운 가닥이 5'에서 3' 방향으로 합성된다는 것을 의미한다.''' 선도 가닥과 지연 가닥 주형이 복제 분기점에서 반대 방향으로 정렬되어 있기 때문에, 성장하는 복제 분기점의 방향과 반대 방향으로 합성되는 새로운 지연 가닥 DNA의 합성을 어떻게 달성하는지가 주요 문제이다.
선도 가닥은 성장하는 복제 분기점과 같은 방향으로 합성되는 새로운 DNA 가닥으로, 이러한 종류의 DNA 복제는 연속적이다. 반면 래깅 가닥은 새로운 DNA 가닥 중 합성 방향이 성장하는 복제 분기점의 방향과 반대인 가닥이다. 방향 때문에 래깅 가닥의 복제는 리딩 가닥에 비해 더 복잡하다. 결과적으로, 이 가닥의 DNA 중합효소는 다른 가닥보다 "뒤쳐지는" 것으로 보인다.
래깅 가닥은 짧고 분리된 분절로 합성된다. 래깅 가닥 ''주형''에서, 프리마아제는 주형 DNA를 "읽고" 짧은 상보적인 RNA 프라이머의 합성을 시작한다. DNA 중합효소는 프라이밍된 분절을 연장하여 오카자키 절편을 형성한다. 그런 다음 RNA 프라이머는 제거되고 DNA로 대체되며 DNA 절편은 DNA 연결효소에 의해 연결된다.
DNA 복제는 복제 개시, 신장, 종결의 3단계로 진행된다. 이중 나선을 이루는 이중 가닥 DNA를 '''dsDNA''', 그렇지 않은 단일 가닥 DNA를 '''ssDNA'''로 표기한다.
복제는 DNA상의 특별한 염기 서열인 '''복제 기점'''에서 시작된다. 복제 기점 주변에서 부분적으로 이중 나선이 풀리고, 모사슬 중간에 2개의 ssDNA가 나타난다. 즉시, 다양한 효소의 복합체가 ssDNA에 결합하고, 프라이머라고 불리는 짧은 RNA가 ssDNA상에 합성된다. 여기까지가 복제 개시 단계이다. 다음 신장 단계에서, DNA 합성 효소인 '''DNA 중합 효소'''를 포함하는 복합체(복제 장치)가 모 ssDNA에 결합한다. 먼저 DNA 중합 효소는, 프라이머의 3' 말단과 결합되어 있는 모 ssDNA상의 염기 옆의 염기를 식별하고, 그것과 상보적인 디옥시뉴클레오타이드를 프라이머의 말단에 부가시킨다. 그 이후, DNA 중합 효소는 모 ssDNA 상을 5'에서 3' 방향으로 이동하면서 모 ssDNA와 상보적인 염기를 딸사슬 말단에 부가시켜 간다. 동시에, 딸사슬은 모사슬과 이중 나선을 형성한다. 이와 병행하여, 이중 나선 상태 그대로인 미복제 부분은 순차적으로 풀려 나간다. 이것이 반복되어, 최종적으로 완전히 복제된 딸사슬이 완성된다.
'''반보존적 복제'''는 일반적으로 DNA 복제에 의해 합성된 2개의 이중 나선 DNA가 1개의 딸 가닥과 1개의 부모 가닥으로 구성되어 있는 것을 말한다. DNA 복제의 기구가 반보존적 복제라는 것은 1958년에 매슈 메셀슨과 프랭클린 스탈에 의해 증명되었다(메셀슨-스탈 실험).
'''반불연속적 복제'''는 2개의 친쇄 중 한쪽은 연속적으로, 다른 한쪽은 반불연속적으로 합성하는 DNA 복제 일반의 양식이다. 연속적 및 불연속적으로 합성된 딸쇄를 각각 '''리딩 가닥''' 및 '''래깅 가닥'''이라고 한다. DNA 복제가 반불연속적인 것은 오카자키 레이지에 의해 증명되었다.
DNA 복제가 반불연속적인 것은 DNA 중합효소가 데옥시리보뉴클레오티드의 부착을 RNA와 DNA 모두에서 3' 말단으로만 진행할 수 있다는 데 기인한다. 이 때문에 복제 방향이 친쇄의 5'에서 3' 방향으로 제한된다. 풀린 2개의 ssDNA는 복제 전 dsDNA가 ssDNA로 풀리는 분기점 ('''복제 분기점''')의 확대 방향이 복제 방향과 평행한 것과 그렇지 않은 것으로 나뉜다. 전자의 ssDNA 및 후자의 ssDNA에서 합성된 딸쇄가 각각 리딩 가닥 및 래깅 가닥이다. 리딩 가닥 합성에서는 단 하나의 프라이머가 합성되어, 복제 분기점의 확대로 노출된 미복제 염기를 하나의 DNA 중합효소가 계속 복제한다. 반면에, 래깅 가닥 합성에서는 노출된 미복제 염기와 반대 방향으로 DNA 중합효소가 진행하기 때문에, 복제 분기점이 몇 bp 확대될 때마다 프라이머가 합성되어야 한다. 여러 프라이머로부터 짧은 DNA 단편('''오카자키 절편''')의 합성이 반복되고, 오카자키 절편의 연결·통합을 통해 래깅 가닥이 완성된다.
신장 단계는 DNA 중합효소에 의한 딸 가닥의 합성이다. '''반불연속적 복제''' 때문에, 딸 가닥은 합성 방식이 연속적인 선도 가닥과 불연속적인 지연 가닥으로 나뉜다. 선도 가닥과 지연 가닥은 동시에 합성되는데, 이는 염색체 내에 ssDNA가 존재하는 시간을 단축하기 위한 것으로 생각된다. DNA는 자외선이나 화학 물질에 의한 손상의 위험에 항상 노출되어 있다. 특히 이완 상태의 ssDNA는 dsDNA에 비해 절단 시 복구가 훨씬 어려우며, 복구 과정에서 돌연변이를 유발하는 경우가 빈번하다.
진정세균에 대한 유전학적 연구는 대장균에서 두드러지게 진행되고 있다. 대장균에서는 DNA 복제가 먼저 리딩 가닥 복제부터 시작된다. 1000~2000 nt가 합성된 후, 첫 번째 래깅 가닥 합성이 이어진다. 래깅 가닥 합성은 리딩 가닥에 비해 복잡하다. '''트롬본 모델'''은 대장균에서 발견된 래깅 가닥 합성의 특징적인 방식을 가리킨다. 즉, 래깅 가닥 합성에서는 모 가닥의 일부가 루프 구조를 형성하고, 복제 과정에서 이 루프가 연주 중인 트롬본처럼 늘어나거나 줄어든다.
진행 방향이 반대임에도 불구하고, 두 개의 모 가닥이 같은 속도로 복제되는 것은 이상하다. 끊임없이 복제를 계속하는 리딩 가닥은 그렇다 쳐도, 래깅 가닥의 pol III는 복제 작업을 분산하고 있다. 중단하고 DNA에서 떨어져 나가, 훨씬 멀리 있는 프라이머-주형 접합체로 이동하여 작업을 재개해야 한다. 이것이 리딩 가닥과 같은 속도라는 것은, 해리에서 재결합까지의 시간 지연이 순간적이어야 한다는 것이다. 불가사의한 pol III의 점프의 열쇠는 래깅 가닥이 이루는 루프 구조와 그 뿌리를 잡는 레플리솜이다.
레플리솜은 DNA 헬리케이즈를 가지고 있으므로, 항상 복제 포크에 존재한다. 리딩 가닥, 래깅 가닥 담당의 DNA 중합효소도 포함한다. 즉, 레플리솜은 래깅 가닥에서 두 군데를 잡는다. 하나는 DNA 헬리케이즈를 통한 복제 포크이다. 루프의 뿌리 중 하나는 거기에서 막 분리된 ssDNA이다. 또 다른 한 곳은 pol III에 의해 복제 중인 부분이다. 루프 구조는 이들 떨어진 두 곳의 거리를 없앤다.
두 개의 뿌리 ssDNA는 하나의 모 가닥이지만, 흐르는 방향은 다르며, 둘 다 루프로 향한다. pol III의 통과 DNA 영역과 DnaB의 그것을 보내기 위해, 루프는 커져 간다. 이때, γ 복합체는 열린 DNA 클램프를 준비하고 있다. 또한, 오카자키 절편이 신장되기 시작하고 잠시 후, DNA 헬리케이즈에 프라이머제가 결합한다. 프라이머제는 루프 안, 즉 pol III의 복제 방향과 반대 위치로 가서, 프라이머 RNA를 놓는다. 프라이머제는 떨어져 나가고, 마침내 pol III는 바로 전에 신장된 오카자키 절편에 도달한다. pol III는 기성품인 오카자키 절편을 만나면, 모 가닥에서 떨어진다. 레플리솜이 뿌리 중 하나를 놓아줌으로써, 루프는 줄어든다. pol III는 주형 가닥에서 해리된 후에도 레플리솜의 일부로 복제 포크에 머무르므로, 다음 프라이머-접합체로 빠르게 이동한다. 거기에 γ 복합체는 준비해둔 DNA 클램프를 끼우고, pol III는 이것에 결합한다. 래깅 가닥 합성에서는 이것이 반복된다.
진핵생물의 경우 신장 단계에 관여하는 효소 중 일부는 거대한 복합체(복제 공장)를 형성하지만, 모든 효소가 복제 포크에 모이는 것은 아닌 듯하다. 원핵생물처럼 리딩 가닥과 래깅 가닥의 DNA 중합효소는 연결되어 있지 않다. 진핵생물의 DNA 중합효소는 원핵생물에 비해 종류가 많고, 딸 DNA의 합성에 직접 관여하는 DNA 중합효소의 종류가 여러 개 존재하는 것이 확인되었다. DNA 중합효소 α는 DNA 프라이머제의 서브 유닛을 포함하고 있어 프라이머를 합성한다. DNA 중합효소 δ는 리딩 가닥, DNA 중합효소 ε는 래깅 가닥의 복제를 수행한다.
헬리케이스가 풀린 ssDNA는 단일 가닥 DNA 결합 단백질인 '''복제 단백질 A'''가 안정화시킨다.. 먼저 DNA 중합효소 α가 프라이머를 합성하고, 거기에 디옥시뉴클레오티드를 20 bp 부가한 후, 클램프 로더 단백질인 '''복제 인자 C'''(RFC)가 DNA 중합효소 α를 DNA로부터 이동시키고, 대신 DNA 클램프인 '''증식 세포 핵 항원'''(PCNA)을 끌어들인다. PCNA는 디옥시뉴클레오티드의 부가 반응의 연속 반응성이 더 큰 DNA 중합효소 δ를 유도하며, 그 후부터는 δ가 본격적으로 복제를 진행한다. PCNA가 DNA로부터 DNA 중합효소 α를 제거하고 DNA 중합효소 δ를 DNA에 결합시키는 것을 '''중합효소 교체'''라고 한다..
진핵생물의 래깅 가닥에서 오카자키 절편은 약 200 bp 간격으로 합성되는 것으로 알려져 있으며, 신장 반응의 시작에 PCNA는 그 간격으로 DNA에 부가되는 것으로 생각된다.. DNA 중합효소 δ가 인접 오카자키 절편까지 신장 반응을 완료하면, 오카자키 절편의 제거가 이루어지고, PCNA는 '''Elg1 복합체'''에 의해 DNA로부터 해리된다. DNA에 결합된 PCNA는 '''SUMO화'''되는 것으로 알려져 있으며, 미수식 및 SUMO화된 PCNA 모두를 표적으로 한다. 특히 SUMO화된 PCNA에 선호적으로 결합하여 더 잘 표적으로 삼는다. Elg1 복합체의 활성은 뉴클레오티드에서 발휘되는 것으로 알려져 있다.. 다만, 출아 효모 세포에서 Elg1 복합체가 없어도 PCNA는 최종적으로 크로마틴으로부터 제거되므로, 대체로 PCNA를 제거하는 기구가 존재할 것으로 시사된다.
진핵생물은 Elg1 복합체, Rad24 복합체, Ctf18 복합체의 3종류의 '''복제 인자 유사 복합체'''(RFC-like complex)를 가지고 있다.. RFC는 큰 서브 유닛인 Rfc1과 작은 Rfc2~5로 구성되지만, 복제 인자 유사 복합체도 Rfc2~5를 포함하며, Rfc1 대신 각각 Elg1, Rad24, 또는 Ctf18을 가지고 있다. Rad24 복합체는 PCNA 유사 복합체 '''9-1-1'''을 DNA 손상 부위로 유도하는 역할을 한다고 여겨진다. Ctf18 복합체는 ''in vitro''에서 PCNA를 DNA로 유도 및 DNA에서 제거하는 활성이 있지만, 그러한 활성은 ''in vivo''에서의 주요 기능은 아닌 것으로 알려져 있으며, 정확한 기능은 밝혀지지 않았다..
#닉 트랜슬레이션에서의 프라이머 제거는 원핵생물과 다른 과정을 거친다. 프라이머 제거에는 5’→3’의 엑소뉴클레아제가 필요하지만, 원핵생물과 달리 진핵생물에서 이를 담당하는 것은 DNA 중합효소가 아니다. 중심적인 역할을 하는 것은 '''플랩 엔도뉴클레아제'''인 FEN1(Flap structure-specific endonuclease 1)이다. 이것은 오카자키 절편의 3‘ 말단에서 DNA 중합효소 δ 복합체에 결합하여, 그 인접 프라이머를 분해한다. 다만, 분해 활성은 프라이머 5’ 최말단부의 리보뉴클레오티드에 있는 삼인산기에 의해 저해된다. 이것을 진핵생물이 어떻게 극복하는지는 아직 확실히 밝혀지지 않았다.
실제 프라이머 제거 기구에는 다양한 가설이 생각된다. 그 중 하나는, 프라이머의 대부분은 FEN1이 아닌 RNase H에 의해 제거된다는 것이다.. RNase H는 RNA 간의 포스포디에스터 결합을 절단할 수 있지만, RNA-DNA의 그것은 할 수 없다는 특징을 가지고 있다. 따라서, 적어도 DNA와 인접하는 마지막 프라이머 RNA는 남아있을 것이다. 여기서, 포스포디에스터 결합 절단으로부터 생긴 5’ 말단은 삼인산이 아닌 일인산기이므로 제거 작업은 FEN1이 이어받는다. 그러나, RNase H를 가지지 않는 세포에서도 래깅 가닥 복제가 이루어지는 것이 확인되었다. 또 다른 가설에서는, 헬리케이스가 프라이머와 친가닥 간의 염기쌍을 절단하고, 벗겨진 부분('''플랩''')을 DNA 중합효소 δ가 옆 오카자키 절편으로부터 신장하여 보충한다. 플랩은 FEN1이 절단한다.
복제는 매우 높은 정밀도로 이루어지지만, 정도의 확률로 합성 오류가 발생한다. 그 결과, DNA의 염기 치환이 일어나 돌연변이가 발생한다. 이러한 복제 오류에 의한 돌연변이 외에도, 자외선이나 화학 물질에 의해 DNA가 손상되어 돌연변이가 발생할 수 있다.
3. 3. 복제 종결
진핵생물은 염색체의 여러 지점에서 DNA 복제가 시작되므로, 복제 분기점이 만나 염색체의 여러 지점에서 종료된다. 진핵생물은 선형 염색체를 가지고 있기 때문에 DNA 복제는 염색체의 맨 끝에 도달할 수 없다. 이러한 문제로 인해 DNA는 각 복제 주기에서 염색체 끝에서 손실된다. 텔로미어는 끝 부분에 가까운 반복적인 DNA 영역이며, 이러한 단축으로 인한 유전자 손실을 방지하는 데 도움이 된다. 텔로미어 단축은 체세포에서 정상적인 과정이다. 이는 딸 DNA 염색체의 텔로미어를 짧게 만든다. 결과적으로 세포는 DNA 손실이 더 이상의 분열을 막기 전에 특정 횟수만큼만 분열할 수 있는데, 이를 헤이플릭 한계라고 한다. 다음 세대로 DNA를 전달하는 생식 세포 계통 내에서 텔로머라아제는 분해를 방지하기 위해 텔로미어 영역의 반복 서열을 연장한다. 텔로머라아제는 체세포에서 실수로 활성화되어 때로는 암 형성을 유발할 수 있다. 텔로머라아제 활성 증가는 암의 특징 중 하나이다.종료는 DNA 복제 분기점의 진행이 멈추거나 차단되어야 한다. 특정 위치에서의 종료는 (1) DNA의 종료 부위 서열, (2) 이 서열에 결합하여 물리적으로 DNA 복제를 중단시키는 단백질, 이 두 가지 구성 요소 간의 상호 작용을 포함한다. 다양한 박테리아 종에서 이것은 DNA 복제 종결 부위 결합 단백질 또는 Ter 단백질이라고 한다.
박테리아는 원형 염색체를 가지고 있기 때문에 복제의 종료는 두 개의 복제 분기점이 부모 염색체의 반대쪽 끝에서 서로 만날 때 발생한다. 대장균(E. coli)은 Tus 단백질에 의해 결합될 때, 복제 분기점이 한 방향으로만 통과하도록 하는 종료 서열을 사용하여 이 과정을 조절한다. 결과적으로 복제 분기점은 항상 염색체의 종료 영역 내에서 만나도록 제한된다.[51]
4. 복제 관련 효소 및 단백질
DNA 복제에는 다양한 효소와 단백질이 관여하며, 이들은 복제 과정을 정확하고 효율적으로 수행하는 데 필수적인 역할을 한다.
- DNA 헬리케이스: DNA 이중 나선을 풀어 복제분기점을 형성한다. 헬리케이스는 6개의 폴리펩타이드로 구성되며, 진핵생물에서는 선도 가닥을, 원핵생물에서는 지연 가닥을 감싼다.[41]
- DNA 중합효소: DNA 가닥의 3' 말단에 뉴클레오타이드를 추가하여 새로운 DNA 가닥을 합성한다. DNA 중합효소는 프라이머가 있어야 합성을 시작할 수 있으며, 교정 기능을 통해 복제의 정확성을 높인다.[21]
- 프리마아제: DNA 중합효소가 결합할 수 있는 RNA 프라이머를 합성한다.
- DNA 리가아제: 오카자키 절편과 같이 끊어진 DNA 조각들을 연결한다.[69]
- 토포이소머라아제: DNA 이중 나선이 풀리면서 발생하는 꼬임을 완화하거나 풀어준다.[43] DNA 자이레이스는 토포아이소머라아제의 일종이다.[43]
- 단일 가닥 결합 단백질(SSB): 풀린 DNA 단일 가닥에 결합하여 안정화시키고, 이차 구조 형성을 막아 DNA 중합효소의 이동을 돕는다.[44]
- DNA 클램프: DNA 중합효소와 결합하여 DNA에서 떨어지지 않도록 돕고, DNA 중합효소 활성의 지속 시간(연속 반응성)을 유지한다.
| 효소 | DNA 복제에서의 기능 |
|---|---|
| DNA 헬리케이스 | 헬릭스 불안정화 효소라고도 알려져 있다. 복제 분기점에서 토포이소머라아제 뒤에서 DNA의 두 가닥을 분리한다. |
| DNA 중합효소 | DNA 복제 과정에서 5에서 3 방향으로 DNA에 뉴클레오타이드 기질을 첨가하는 것을 촉매하는 효소이다. 또한 교정 및 오류 수정을 수행한다. 여러 종류가 있으며, 각 효소는 서로 다른 세포 유형에서 서로 다른 기능을 수행한다. |
| DNA 클램프 | 신장하는 DNA 중합효소가 DNA 부모 가닥에서 분리되는 것을 방지하는 단백질이다. |
| 단일 가닥 DNA 결합 단백질 | DNA 헬리케이스가 DNA를 풀고 난 후 DNA 이중 나선이 재결합되는 것을 방지하여 가닥 분리를 유지하고 새로운 가닥의 합성을 용이하게 한다. |
| 토포이소머라아제 | DNA를 초나선 상태에서 완화시킨다. |
| DNA 자이레이스 | DNA 헬리케이스에 의한 풀림의 변형을 완화시킨다; 이것은 특정 유형의 토포이소머라아제이다. |
| DNA 연결효소 | 반보존적 가닥을 재결합시키고 지연 가닥의 오카자키 절편을 연결한다. |
| 프리마아제 | DNA 중합효소가 새로운 DNA 가닥의 합성을 시작할 수 있도록 RNA (또는 DNA)의 시작점을 제공한다. |
| 텔로머라아제 | 진핵 생물 염색체 말단에 반복적인 뉴클레오타이드 서열을 추가하여 텔로미어 DNA를 연장한다. 이를 통해 생식 세포와 줄기 세포는 세포 분열에 대한 헤이플릭 한계를 피할 수 있다.[48] |
4. 1. 헬리케이스 (Helicase)
헬리케이스는 DNA 이중 나선을 풀어주는 효소이다. DNA 이중나선 사이의 수소 결합을 끊어 각 가닥을 분리하며, 풀린 DNA는 Y자 모양의 복제분기점(Replication fork)을 형성한다.[69] 각 가닥은 상보적인 결합을 통해 새로운 DNA 분자를 만드는 바탕이 된다.헬리케이스가 복제 분기점에서 DNA를 풀면, 앞쪽의 DNA는 회전하면서 꼬임이 축적된다.[42] 이러한 꼬임 축적은 복제 분기점을 멈추게 할 수 있다. 토포이소머라아제는 DNA 가닥을 일시적으로 끊어 이중 나선이 풀리면서 발생하는 장력을 완화하는 효소이다. 토포이소머라아제(DNA 자이라제 포함)는 DNA 나선에 음성 DNA 초나선을 추가하여 이를 수행한다.[43]
모든 헬리케이스는 복제되는 DNA의 한 가닥만을 감싸는 6개의 폴리펩타이드로 구성된다. 두 개의 중합효소는 헬리케이스 육합체에 결합된다. 진핵생물에서 헬리케이스는 선도 가닥을 감싸고, 원핵생물에서는 지연 가닥을 감싼다.[41]
DNA 복제 시에는 DNA 헬리케이스가 복제 기점에서 모사 가닥의 풀림을 담당한다. 복제 기점에서 모사 가닥이 풀림과 동시에, 각각의 모사 단일 가닥에서 복제 장치에 의한 딸 가닥 합성이 시작된다. DNA 헬리케이스에 의해 더 많은 모사 가닥이 풀리면, 풀린 모사 가닥을 따라 복제가 진행된다.
| 효소 | DNA 복제에서의 기능 |
|---|---|
| DNA 헬리케이스 | 헬릭스 불안정화 효소라고도 알려져 있다. 헬리케이스는 복제 분기점에서 토포이소머라아제 뒤에서 DNA의 두 가닥을 분리한다. |
| DNA 중합효소 | DNA 복제 과정에서 5에서 3 방향으로 DNA에 뉴클레오타이드 기질을 첨가하는 것을 촉매하는 효소이다. 또한 교정 및 오류 수정을 수행한다. DNA 중합효소에는 여러 종류가 있으며, 각 효소는 서로 다른 세포 유형에서 서로 다른 기능을 수행한다. |
| DNA 클램프 | 신장하는 DNA 중합효소가 DNA 부모 가닥에서 분리되는 것을 방지하는 단백질이다. |
| 단일 가닥 DNA 결합 단백질 | ssDNA에 결합하여 DNA 헬리케이스가 DNA를 풀고 난 후 DNA 이중 나선이 재결합되는 것을 방지하여 가닥 분리를 유지하고 새로운 가닥의 합성을 용이하게 한다. |
| 토포이소머라아제 | DNA를 초나선 상태에서 완화시킨다. |
| DNA 자이레이스 | DNA 헬리케이스에 의한 풀림의 변형을 완화시킨다; 이것은 특정 유형의 토포이소머라아제이다. |
| DNA 연결효소 | 반보존적 가닥을 재결합시키고 지연 가닥의 오카자키 절편을 연결한다. |
| 프리마아제 | DNA 중합효소가 새로운 DNA 가닥의 합성을 시작할 수 있도록 RNA (또는 DNA)의 시작점을 제공한다. |
| 텔로머라아제 | 진핵 생물 염색체 말단에 반복적인 뉴클레오타이드 서열을 추가하여 텔로미어 DNA를 연장한다. 이를 통해 생식 세포와 줄기 세포는 세포 분열에 대한 헤이플릭 한계를 피할 수 있다.[48] |
4. 2. DNA 중합효소 (DNA polymerase)
DNA 중합효소는 모든 형태의 DNA 복제를 수행하는 효소 계열이다.[22] DNA 중합효소는 새로운 가닥 합성을 시작할 수 없고, 주형 가닥과 쌍을 이루는 기존 DNA 또는 RNA 가닥만 연장할 수 있다. 합성을 시작하려면 프라이머라고 하는 짧은 RNA 조각을 생성하여 주형 DNA 가닥과 쌍을 이루어야 한다.DNA 중합효소는 기존 뉴클레오티드 사슬의 3′ 말단을 연장하여 새로운 DNA 가닥을 추가하고, 인산 디에스터 결합 생성을 통해 주형 가닥에 맞는 새로운 뉴클레오티드를 한 번에 하나씩 추가한다. 이 DNA 중합 반응의 에너지는 각 비통합 염기에 부착된 세 개의 인산 사이의 고에너지 인산 (인산 무수물) 결합의 가수 분해로부터 발생한다. 인산 그룹이 부착된 자유 염기는 뉴클레오티드라고 하며, 특히 세 개의 인산 그룹이 부착된 염기는 뉴클레오시드 삼인산이라고 한다. 뉴클레오티드가 성장하는 DNA 가닥에 추가될 때, 뉴클레오티드의 근위 인산과 성장하는 사슬 사이의 인산 디에스터 결합 형성은 두 개의 원위 인산 그룹을 피로인산으로 방출하면서 고에너지 인산 결합의 가수 분해를 동반한다. 결과적인 피로인산을 무기 인산으로 효소적으로 가수 분해하면 두 번째 고에너지 인산 결합이 소모되고 반응이 효과적으로 비가역적이 된다.[23]
일반적으로 DNA 중합효소는 매우 정확하며, 107개의 뉴클레오티드를 추가할 때 오류율이 1개 미만이다.[24] 일부 DNA 중합효소는 또한 부적절하게 짝지어진 염기를 수정하기 위해 개발 중인 가닥의 끝에서 뉴클레오티드를 삭제할 수 있는데, 이것은 교정이라고 알려져 있다. 마지막으로, 복제 후 불일치 복구 메커니즘은 DNA에서 오류를 모니터링하여, 새로 합성된 DNA 가닥의 불일치를 원래 가닥 서열과 구별할 수 있다. 이 세 가지 구별 단계는 함께 109개의 뉴클레오티드를 추가할 때 오류가 1개 미만인 복제 충실도를 가능하게 한다.[24]
DNA 복제 과정에서 5'에서 3' 방향으로 DNA에 뉴클레오타이드 기질을 첨가하는 것을 촉매하는 효소인 DNA 중합효소는 교정 및 오류 수정 또한 수행한다. DNA 중합효소에는 여러 종류가 있으며, 각 효소는 서로 다른 세포 유형에서 서로 다른 기능을 수행한다.[47]
하나의 생물 종은 여러 종류의 DNA 중합효소를 가지고 있다. 대장균의 경우, DNA 중합효소 I (pol I), II (pol II), III (pol III)가 있다. 이 중 DNA 합성을 담당하는 것은 pol III이다. 즉, 세균의 DNA 복제의 담당자는 pol III이다. 진핵생물의 경우, DNA 중합효소는 α, β, γ, δ, ε의 5종류가 있는데, DNA 신장을 하는 것은 DNA 중합효소 δ이다. α는 프라이머제, β와 ε은 DNA 수복을 담당한다. γ는 미토콘드리아의 DNA 복제를 수행한다. 또한, 인간에게는 DNA 수복에 관여하는 효소로 DNA 중합효소 ζ, η, θ, ι, κ도 발견되었다.
4. 3. 프라이메이스 (Primase)
DNA 중합효소가 DNA 복제를 시작하기 위해서는 프라이머라고 하는 짧은 RNA 조각이 필요한데, 이 RNA 프라이머를 합성하는 효소가 바로 프라이메이스이다.[36] 프라이메이스는 DNA 복제가 시작되기 전에 RNA 프라이머를 주형 DNA 가닥에 추가한다.[35]세포 생명체, 많은 DNA 바이러스, 파지, 플라스미드는 프라이메이스를 이용하여 3'OH기를 가진 짧은 RNA 프라이머를 합성하고, 이는 DNA 중합효소에 의해 연장된다. 세균과 고세균/진핵생물의 프라이메이스는 서로 다른 구조를 가진다. 세균은 TOPRIM 폴드 유형의 DnaG 단백질을 사용하고, 고세균과 진핵생물은 RNA 인식 모티프(RRM)의 변형된 버전을 포함하는 프라이메이스를 사용한다.[35] 진핵생물 복제에서 프라이메이스는 Pol α와 복합체를 형성한다.[36]
DNA 복제 과정에서 선도가닥은 하나의 RNA 프라이머를, 지연가닥은 여러 개의 RNA 프라이머를 필요로 한다. DNA 중합효소는 선도가닥에서 프라이머로부터 연속적으로 DNA를 합성하고, 지연가닥에서는 각 프라이머에서 불연속적으로 합성하여 오카자키 절편을 만든다. 이후 RNase가 프라이머 RNA 조각을 제거하고, 낮은 공정성의 DNA 중합효소가 틈을 채운다. 마지막으로 리가아제가 닉을 메워 DNA 복제를 완료한다.
4. 4. 리가아제 (Ligase)
DNA 연결효소는 DNA 복제 과정에서 오카자키 절편과 같이 끊어진 DNA 조각들을 서로 연결하는 효소이다.[69] DNA 중합효소가 5'-3' 방향으로만 DNA를 합성할 수 있기 때문에, 지연 가닥(lagging strand)에서는 짧은 DNA 조각들이 불연속적으로 합성된다. DNA 연결효소는 이러한 조각들 사이의 틈을 메워 DNA 가닥을 완성한다.4. 5. 토포아이소머라아제 (Topoisomerase)
DNA 토포이소머라아제는 DNA 이중 나선이 풀리면서 발생하는 꼬임을 완화하거나 풀어주는 효소이다.[43] DNA가 복제될 때, DNA 헬리케이스에 의해 이중 나선이 풀리면 앞쪽에 꼬임이 축적되어 복제가 멈출 수 있다.[42] 토포아이소머라아제는 DNA 가닥을 일시적으로 끊어 이 꼬임을 해소한다.[43]DNA 토포아이소머라아제는 DNA 나선에 음성 DNA 초나선을 추가하여 꼬임을 푼다.[43] DNA 자이레이스는 토포아이소머라아제의 일종이다.[43]
DNA 토포아이소머라아제는 DNA의 링킹수를 변경하여 다른 토폴로지체(토포아이소머)로 변환시키는 효소이다. 이 변환을 위해 DNA를 일시적으로 절단하지만, 그 양식에 따라 I형과 II형의 2종류로 분류된다. I형은 이중 가닥 중 한쪽 가닥만을 일시적으로 절단하고, II형은 양쪽 가닥 모두 일시적인 절단을 일으킨다. I형은 #DNA 꼬임의 해소에서, II형은 #탈카테넨화 및 뉴클레오솜의 조립에서 활약한다.
4. 6. 단일 가닥 결합 단백질 (Single-strand binding protein, SSB)
단일 가닥 DNA 결합 단백질(SSB)은 DNA 복제 과정에서 풀린 DNA 단일 가닥에 결합하여 안정화시키는 역할을 하는 단백질이다.[44]DNA가 풀리면, 노출된 단일 가닥 DNA는 스스로 다시 접혀 이차 구조를 형성하는 경향이 있는데,[44] 이러한 구조는 DNA 중합효소의 이동을 방해할 수 있다.[44] 이때문에 단일 가닥 결합 단백질(SSB)이 DNA에 결합하여 이차 구조 형성을 막고, 두 번째 가닥이 합성될 때까지 안정적으로 유지시킨다.[44]
SSB는 DNA의 염기가 아닌 부분에 직접 결합[66]하므로, 염기 간 수소 결합을 통해 딸 가닥을 늘려가는 DNA 중합효소 등의 복제 장치를 방해하지 않는다. 또한, DNA를 뻗은 상태로 만들어 DNA 중합효소나 프리마아제가 쉽게 DNA 가닥 합성을 할 수 있도록 돕는다.
DNA와 결합한 SSB는 유리 SSB에 대한 화학 친화성이 매우 커진다.[61] 예를 들어, T4 파지의 SSB인 gp32의 경우, 단일 가닥 DNA(ssDNA)와 결합한 분자는 다음 분자의 화학적 친화성이 1000배가 된다.[61] DNA와 결합한 SSB 옆에 다음 SSB가 결합하고, 이것이 반복되어 복제 버블 전체를 SSB가 덮는다. SSB 간의 결합은 개별 SSB의 DNA에 대한 결합을 안정화시킨다.[61]
다음은 레플리솜에 참여하는 주요 DNA 복제 효소 목록이다.[47]
| 효소 | DNA 복제에서의 기능 |
|---|---|
| DNA 헬리케이스 | 헬릭스 불안정화 효소라고도 알려져 있다. 헬리케이스는 복제 분기점에서 토포이소머라아제 뒤에서 DNA의 두 가닥을 분리한다. |
| DNA 중합효소 | DNA 복제 과정에서 5에서 3 방향으로 DNA에 뉴클레오타이드 기질을 첨가하는 것을 촉매하는 효소이다. 또한 교정 및 오류 수정을 수행한다. DNA 중합효소에는 여러 종류가 있으며, 각 효소는 서로 다른 세포 유형에서 서로 다른 기능을 수행한다. |
| DNA 클램프 | 신장하는 DNA 중합효소가 DNA 부모 가닥에서 분리되는 것을 방지하는 단백질이다. |
| 단일 가닥 DNA 결합 단백질 | ssDNA에 결합하여 DNA 헬리케이스가 DNA를 풀고 난 후 DNA 이중 나선이 재결합되는 것을 방지하여 가닥 분리를 유지하고 새로운 가닥의 합성을 용이하게 한다. |
| 토포이소머라아제 | DNA를 초나선 상태에서 완화시킨다. |
| DNA 자이레이스 | DNA 헬리케이스에 의한 풀림의 변형을 완화시킨다; 이것은 특정 유형의 토포이소머라아제이다. |
| DNA 연결효소 | 반보존적 가닥을 재결합시키고 지연 가닥의 오카자키 절편을 연결한다. |
| 프리마아제 | DNA 중합효소가 새로운 DNA 가닥의 합성을 시작할 수 있도록 RNA (또는 DNA)의 시작점을 제공한다. |
| 텔로머라아제 | 진핵 생물 염색체 말단에 반복적인 뉴클레오타이드 서열을 추가하여 텔로미어 DNA를 연장한다. 이를 통해 생식 세포와 줄기 세포는 세포 분열에 대한 헤이플릭 한계를 피할 수 있다.[48] |
4. 7. DNA 클램프 (DNA clamp)
'''DNA 클램프'''(DNA clamp, 슬라이딩 클램프: sliding clamp)는 DNA 중합효소의 공정성(processivity)을 높여주는 단백질이다. DNA 복제 신장 단계에 관여하며,
도넛 모양으로 중앙 구멍(약 35 옹스트롬)에 DNA 중합효소가 복제한 이중 가닥 DNA(dsDNA, 약 20 옹스트롬)를 통과시킨다. DNA와 DNA 클램프 사이에는 물 분자 1~2개 층 정도의 여유만 있기 때문에 DNA 클램프는 DNA에서 떨어지지 않고 DNA 위를 미끄러지듯 움직인다.
DNA 중합효소는 단독으로는 DNA와 오랫동안 결합할 수 없어 평균 20~100 bp 정도만 합성할 수 있다. DNA에서 분리된 후 다시 결합하는 데 약 1분이 걸린다.[63] DNA 클램프는 DNA와 안정적으로 결합하여 DNA 중합효소가 DNA에서 떨어지지 않도록 돕고, DNA 중합효소 활성의 지속 시간(연속 반응성)을 유지한다. DNA 중합효소는 DNA 클램프에 고정되어 결합이 끊어져도 바로 합성을 재개한다.
DNA 클램프는 DNA 중합효소와 강력하게 결합하지만, 신속하게 분리하는 기구도 갖추고 있다. 지연 가닥(lagging strand)은 여러 오카자키 절편 합성을 필요로 하고, 진핵생물 등에서는 많은 레플리콘을 많은 DNA 중합효소로 복제한다. DNA 중합효소의 역할은 이미 딸 가닥 또는 프라이머 RNA가 합성된 후의 이중 나선 영역(예: 오카자키 절편의 말단)에 도달했을 때 종료된다. 이중 가닥 DNA와 결합한 DNA 중합효소는 입체 구조를 변화시켜 DNA 클램프와의 화학 친화력을 낮춰 DNA에서 즉시 떨어진다.
DNA 클램프는 DNA 중합효소를 방출한 후에도 DNA에 잠시 남아 복제 후 DNA에 작용하는 다른 단백질의 걸쇠가 된다. 예를 들어, 증식 세포 핵 항원(PCNA)이라는 진핵생물의 DNA 클램프는 이중 가닥 DNA를 크로마틴으로 조립하는 효소를 새로운 이중 나선으로 이끈다. 오카자키 절편 수리에 관여하는 진핵생물의 단백질도 DNA 클램프와 결합하여 올바르게 기능한다. DNA 클램프와 결합하는 모든 단백질은 5개 아미노산 잔기로 구성된 클램프 결합 서열(Gln-Leu-Ser/Asp-Leu-Phe)을 갖는다.
DNA 클램프는 특히 지연 가닥에서 다수 필요하며, 복제 분기점에서 다수의 DNA 클램프가 집합한다. 스에츠구 마사유키 등은 DNA 클램프가 집합한 장소를 '''클램프 존'''이라 명명하고, 고초균(''Bacillus subtilis'') 세포 내에서 클램프 존 형성 양상을 정량적으로 관찰했다. 복제 개시 전 세포에 약 600개 있는 DNA 클램프는 세포 전체에 확산되어 있었지만, 복제가 시작되면 매초 1분자가 복제 분기점에 모여 2~3분 후 약 200분자로 구성된 클램프 존을 형성했다. 이후 DNA 클램프 수는 일정했다. 매초 1분자라는 DNA 클램프 집합 빈도는 오카자키 절편 형성 빈도(매초 0.5~1 절편)와 거의 일치하므로, 집합된 DNA 클램프는 각각 다른 오카자키 절편에 결합한다고 추정된다. 실제로 DnaG(프라이머제)의 고초균 세포 내 농도를 감소시키면 클램프 집합 빈도가 1/3이 되고 클램프 존 형성에 걸리는 시간이 3배로 늘어났다.
DNA 클램프는 바이러스, 세균, 미생물에서 사람까지 매우 넓은 범위에 존재하며, 기능과 구조가 매우 유사하다. 모든 생물의 경우 6회 회전 대칭성을 가지며, 직경도 약 35 옹스트롬으로 같다. 구성하는 서브 유닛 수 등은 다르다.
DNA에 DNA 클램프 장착 및 제거는 '''클램프 로더'''(clamp loader)가 수행한다. 대장균의 클램프 로더 단백질은 '''γ 복합체'''이다. γ 복합체는 2개의 '''τ 단백질'''을 포함하며, 각각 탈착에 관여하는 부위와 유연한 폴리펩티드에 의해 연결되어 있다. γ 복합체는 손가락과 같은 5개 서브 유닛으로 구성되어 있으며, 매직 핸드와 유사하다. 5개 손가락 끝에 대장균의 DNA 클램프인 β 클램프가 결합한다. β 클램프는 닫힌 환상 구조를 하고 있지만, γ 복합체는 손가락에 결합시킨 채로 이것을 연다. 놓으면 환상 구조는 닫힌다. 이를 통해 탈착을 수행하지만, 그 시기는 제어된다. 장착은 DNA 위에 프라이머가 형성되면 실행한다. 제거 시기에는 제한 조건이 있는데, β 클램프가 다른 단백질과 결합하지 않아야 한다. 세균의 DNA 중합효소 (pol III)는 물론이고, 뉴클레오솜 집합 인자나 DNA 수리 단백질과 결합한 경우에는 작동하지 않는다. τ 단백질은 DNA 중합효소(의 코어 효소)와 DNA 헬리케이스에 결합한다. 이는 레플리솜이 형성되어 있는 한, 즉 레플리콘의 복제가 끝날 때까지 계속된다.
5. 진핵생물과 원핵생물의 DNA 복제
진핵생물과 원핵생물의 DNA 복제는 다음과 같은 주요 차이점을 보인다.
1. 복제 기점 및 개시 조절
- 원핵생물: 고리 모양 DNA에 단일 복제 기점(''oriC'')을 가지며, DnaA 단백질과 DNA 메틸화 상태에 의해 양방향 복제가 엄격하게 조절된다.
- 진핵생물: 선형 DNA에 여러 복제 기점(ARS, 자율 복제 서열)을 가진다. 세포 주기 S기에만 복제가 일어나며, 복제 기점 인식 복합체(ORC)를 시작으로 여러 단계를 거쳐 조절된다.
2. 레플리콘 크기 및 복제 속도
- 원핵생물: 레플리콘(복제 단위)이 크고(대장균은 염색체 전체가 하나의 레플리콘), 복제 속도가 빠르다(분당 약 50,000bp).
- 진핵생물: 레플리콘이 작고(효모, 초파리 약 40kb, 동물 세포 약 100kb), 복제 속도가 느리다(분당 약 2,000bp).
3. 복제 관련 단백질DNA 복제 관여 단백질의 종류와 기능은 다음과 같이 생물군에 따라 차이를 보인다.
- 원핵생물(대장균): DNA 중합효소 III 홀로효소, DNA 클램프(β 클램프), DnaB(헬리케이스), 프라이메이스 등이 주요 역할을 한다.
- 진핵생물: 복제 인자 C (RFC), DNA 중합효소 α, δ, ε, 복제 단백질 A (RPA), 증식 세포 핵 항원 (PCNA), 플랩 엔도뉴클레아제 (FEN1) 등 더 다양한 단백질이 관여한다.
4. 복제 기구
- 원핵생물: 대부분의 세균에서 DNA 복제 관여 인자는 복제 분기점에 위치하며, 복제 복합체(복제체 또는 DNA 복제 시스템)는 복제 동안 분기점에 머문다.
- 진핵생물: 일부 세균은 복제체를 형성하지 않는다. 진핵 세포는 복제 부위가 '''복제 초점'''에 집중된다.
5. DNA 복제 조절
- 원핵생물: 대부분의 세균은 잘 정의된 세포 주기를 거치지 않고 지속적으로 DNA를 복제한다.
- 진핵생물: DNA 복제는 세포 주기의 맥락 내에서 조절된다.
6. 고세균고세균의 DNA 복제는 전체적인 모습이 아직 밝혀지지 않았지만, 진핵생물과 유사한 복제 기구를 기반으로 진정세균의 요소가 일부 혼합된 형태일 것으로 추정된다.
5. 1. 복제 기점
세포 주기의 맥락 내에서 조절되는 진핵생물의 DNA 복제와 달리, 원핵생물은 단일 복제 기점을 가진다. 진핵 세포는 성장하고 분열함에 따라 세포 주기의 단계를 거치며, DNA 복제는 S기(합성기) 동안 발생한다. 진핵 세포가 주기를 거쳐 진행되는 것은 세포 주기 체크포인트에 의해 제어된다.대부분의 세균은 잘 정의된 세포 주기를 거치지 않고 지속적으로 DNA를 복제한다. 가장 잘 연구된 세균인 ''대장균''(E. coli)에서 DNA 복제는 기원 서열의 헤미메틸화 및 격리, 아데노신 삼인산(ATP) 대 아데노신 이인산(ADP)의 비율, 그리고 단백질 DnaA의 수준 등 여러 메커니즘을 통해 조절된다. 이들은 모두 개시 단백질이 기원 서열에 결합하는 것을 제어한다.[56]
''대장균''은 GATC DNA 서열을 메틸화하기 때문에, DNA 합성은 헤미메틸화된 서열을 생성한다. 이 헤미메틸화된 DNA는 단백질 SeqA에 의해 인식되어 기원 서열을 결합하고 격리한다. 또한, 복제 개시에 필요한 DnaA는 헤미메틸화된 DNA에 덜 잘 결합한다. 결과적으로, 새로 복제된 기원은 즉시 또 다른 DNA 복제를 시작하는 것을 방지한다.[57]
세포가 풍부한 배지에 있을 때 ATP가 축적되어 세포가 특정 크기에 도달하면 DNA 복제가 시작된다. ATP는 ADP와 경쟁하여 DnaA에 결합하며, DnaA-ATP 복합체는 복제를 시작할 수 있다.
원핵 세포의 게놈은 단일 레플리콘이다. DNA 복제는 항상 유일한 복제 개시점에서 세포 주기 중에 단 한 번만 실행된다. 이 구조를 '''단일 복사형'''이라고 부른다.
대장균의 환상 DNA는 유일한 복제 기점 '''oriC'''에서 두 방향으로 각각 복제된다. 이른바 양방향 복제 중의 DNA는 그리스 문자 θ처럼 보이므로 '''세타 구조'''라고 불린다. ''oriC''의 길이는 245 bp로, 이는 진정세균 일반의 복제 기점에서 공통적으로 나타나는 것 같다.
''oriC''에서의 복제 개시 과정을 나타낸다. 대장균에는 TTATCCACA라는 공통 서열이 4개 존재하며, 이 중 2개는 나머지 2개와 반대 방향을 향한다. 이를 '''dnaA 박스'''라고 부르며, 유전자 ''dnaA''에서 발현되는('''dnaA 산물''')'''DnaA'''가 결합함으로써 DNA 복제가 시작된다. 더 자세히 설명하면, 친화성이 높은 5개의 dnaA 박스에 5개, 다음으로 친화성이 낮은 부위에 1개의 DnaA가 결합하고, 이들이 더 나아가 올리고머를 형성한다. 이 올리고머는 환상 육량체일 가능성이 높으며, 모사슬은 그 바깥쪽에 감긴다. 복제 개시 신호는 ''oriC''에 있는 3개의 13bp 반복 서열을 용해시켜 '''개쇄 복합체''' 형성을 촉진한다. 그리고 드러난 ssDNA에 DnaC의 보조로 DnaB가 결합한다. DnaA의 역할은 DnaB를 ''oriC''로 인도하는 것이다.
개쇄 복합체의 형성에는 '''RNA 중합 효소'''와 '''HU 단백질''' 두 가지가 필수적이다. RNA 중합 효소는 ''oriC''에 인접한 영역에서 RNA를 합성한다. 이 짧은 사슬은 모사슬의 한 가닥에 결합하여, 원래의 결합 DNA를 대체하여 염기쌍을 형성한다. 이렇게 생성되는 DNA와 RNA의 부분적인 이중 나선을 R 루프라고 부른다. 한편, HU 단백질은 모사슬을 굴곡시킨다. R 루프와 굴곡의 공존이 ''oriC''의 용해를 촉진한다고 생각된다.
DnaA가 DnaB를 인도하는 것과 마찬가지로, DnaB도 또한 프라이머제인 DnaG를 ''oriC''에 결합하도록 촉진한다. DnaB가 온 개쇄 복합체는 그 후 SSB가 결합하여 '''프리프라이밍 복합체'''라는 구조가 된다. DnaG와 다른 단백질이 결합하는 것은 이 ssDNA 영역이 형성되었을 때이다. DnaB와 DnaG가 갖춰지면, 프라이모솜은 완성된다. 모 dsDNA를 풀어서 복제 버블을 형성하고, 리딩 가닥의 프라이머를 합성한다.
진핵생물의 DNA 복제 기작은 기본적으로 진정세균과 동일하지만, 이보다 훨씬 복잡하다. 주요 특징 중 하나는 레플리콘이 게놈 내에 다수 존재한다는 것이다. 진핵생물의 레플리콘은 비교적 짧으며, 효모나 초파리에서는 약 40kb, 동물 세포에서는 약 100kb이다. 진핵생물의 복제 속도는 약 2000bp/분이며, 약 50,000bp/분인 세균과 비교하면 훨씬 느리다.
진핵세포에서 DNA 복제는 세포 주기의 '''S기'''(S phase)에만 일어난다.
진핵생물에서의 DNA 복제의 모델 생물은 효모이다. 복제 시작이 일어나는 영역은 '''자율 복제 서열''' (autonomously replicating sequence: '''ARS''') 이며, 그곳에는 '''복제 개시점 복제 요소''' (origin replication element: '''ORE''') 가 존재한다. 이 11개의 염기쌍에 단백질이 결합하여 '''복제 기점 인식 복합체''' (origin recognition complex: '''ORC''') 가 형성된다. ORC에 해당하는 개시자-DNA 복합체는 조사된 한 모든 진핵생물에 공통적으로 존재한다. ORE 바로 옆은 '''DNA 풀림 영역''' (DNA unwinding element: '''DUE''') 이다. 약 80개의 염기쌍으로 이루어진 이 서열은 쉽게 분해되도록 A와 T가 풍부하다. DUE는 효모에서의 복제 개시점이며, 복제 개시와 신장에 관여하는 MCM 단백질 복합체가 결합한다.
진핵생물의 염색체 상에는 복제 기점이 다수 존재하지만, 모두 세포 주기 한 번당 한 번만 복제가 시작하도록 조절되어 있으며, 이를 복제의 '''라이센싱'''이라고 부른다.
라이센싱 과정은 G1기(S기 전)부터 S기에 걸쳐 일어난다. ARS의 레플리케이터에 개시자인 '''복제 기점 인식 복합체''' (Origin Recognition Complex: ORC)가 결합하는 것이 복제 시작의 방아쇠이다. 원핵생물에는 없는 라이센싱의 특징은, 레플리케이터와 개시자의 결합이 복제 기점의 점화와 별개라는 점이다.
고세균의 DNA 복제에 대해서는 전체적인 모습이 아직 밝혀지지 않았다. 술포로부스속의 ''Sulfolobus solfataricus'' P2 등을 사용한다. 알려진 사실의 대부분은, 진정세균이나 진핵생물의 복제와 관련된 DNA 배열이나 단백질과 상동성을 가지는 고세균의 그것으로부터 추측된다. 피로코쿠스속인 ''Pyrococcus abyssi''의 복제 기점이 단정되었다. 고세균의 DNA 복제는 진핵생물에 가까운 복제 기구를 기본으로 하고, 진정세균적인 요소가 일부 혼합된 것으로 보인다.
5. 2. 복제 속도
진핵생물의 복제 속도는 분당 약 2000bp이며, 세균의 분당 약 50,000bp에 비해 훨씬 느리다.5. 3. 레플리콘
진핵생물의 레플리콘은 비교적 짧다. 효모나 초파리에서는 약 40kb, 동물 세포에서는 약 100kb이다. 다만, 이 크기는 동일 게놈 내에서도 10배 이상의 차이가 있다. 진핵생물의 복제 속도는 약 2000bp/분이며, 약 50,000bp/분인 세균과 비교하면 훨씬 느리다.5. 4. 복제 관련 단백질
DNA 복제에 관여하는 단백질들은 원핵생물과 진핵생물에서 차이를 보인다. 다음은 각 생물군에서 복제에 관여하는 주요 단백질들과 그 기능에 대한 설명이다.원핵생물 (대장균, ''E. coli'')대장균의 레플리솜은 DNA 복제 신장 단계에서 복제 분기점에 형성되는 효소 복합체이다.
| 단백질 | 기능 |
|---|---|
| DNA Pol III 홀로효소 | DNA 중합효소 III 복합체는 2개의 pol III 코어 효소, γ 복합체 (클램프 로더 단백질), 그리고 SSB와 상호작용하는 χ와 φ 서브 유닛으로 구성된다. |
| pol III 코어 효소 | DNA 중합효소인 pol III (α 서브 유닛), 3→5 방향의 DNA 복구를 하는 엑소뉴클레아제 (ε 서브 유닛), θ 서브 유닛, 그리고 DNA 클램프인 β 클램프 (β 서브 유닛 이량체)로 구성된다. |
| γ 복합체 | γ, δ, δ', 그리고 2개의 τ 서브 유닛으로 구성된다. |
| β 클램프 | DNA 클램프로, pol III와 결합한다. |
| DnaB (헬리케이스) | γ 복합체와 상호작용하며, τ 서브 유닛은 DnaB에 연결되어 이동 속도를 10배 촉진한다. |
| 프라이머제 | DnaB와 상호작용하여 결합을 1000배 촉진하며, 일이 끝나면 DNA에서 떨어진다. |
진핵생물진핵생물의 DNA 복제 기작은 원핵생물보다 복잡하며, 여러 DNA 중합효소가 관여한다.
| 단백질 | 기능 |
|---|---|
| 복제 인자 C (RFC) | 클램프 로더 단백질로, 원핵생물의 γ 복합체에 해당한다. |
| DNA 중합효소 α | DNA 프라이머제의 서브 유닛을 포함하여 프라이머를 합성한다. |
| DNA 중합효소 δ | 리딩 가닥을 복제한다. |
| DNA 중합효소 ε | 래깅 가닥을 복제한다. |
| 복제 단백질 A (RPA) | 헬리케이스에 의해 풀린 단일 가닥 DNA (ssDNA)를 안정화시킨다. |
| 증식 세포 핵 항원 (PCNA) | DNA 클램프로, 복제 인자 C (RFC)에 의해 DNA 중합효소 α 대신 DNA에 결합하여 DNA 중합효소 δ를 유도한다. |
| Elg1 복합체 | 래깅 가닥에서 오카자키 절편의 프로세싱이 완료되면 PCNA를 DNA로부터 해리시킨다. |
| 플랩 엔도뉴클레아제 (FEN1) | 오카자키 절편의 3' 말단에서 DNA 중합효소 δ 복합체에 결합하여 인접 프라이머를 분해한다. |
고세균고세균의 DNA 복제는 진핵생물과 유사한 기구를 기반으로 하며, 진정세균의 요소가 일부 혼합된 형태이다.
| 단백질 | 기능 |
|---|---|
| RFC, PCN | 진핵생물의 해당 단백질과 상동성을 가진다. |
| Orc1, Cdc6 | 대부분의 고세균 게놈은 적어도 Orc1과 Cdc6에 상동성을 가지는 유전자를 하나 포함한다. |
| DNA 중합효소 | 데옥시리보뉴클레오티드를 합성하는 서브 유닛은 진핵생물의 DNA 중합효소 δ와 유사하다. |
6. DNA 복제 문제점 및 해결
DNA 복제 과정은 매우 정밀하지만, 여러 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 문제점들은 복제 스트레스를 유발하며, 세포는 이를 해결하기 위한 다양한 기작을 가지고 있다.
복제 스트레스는 다음과 같은 다양한 원인에 의해 발생한다.[59]
| 원인 |
|---|
| 리보뉴클레오티드의 잘못된 혼입 |
| 특이한 DNA 구조 |
| 복제와 전사 간의 충돌 |
| 필수적인 복제 인자의 부족 |
| 일반적인 취약 부위 |
| 종양 유전자의 과발현 또는 구성적 활성화 |
| 크로마틴 비접근성 |
대장균에서 발견되는 래깅 가닥 합성 방식인 '''트롬본 모델'''은 DNA 중합효소 III (pol III)가 래깅 가닥에서 복제를 분산하여 수행하는 문제를 해결하는 기작이다. 래깅 가닥은 루프 구조를 형성하고, 이 루프는 복제 과정에서 트롬본처럼 늘어나거나 줄어든다. 레플리솜은 DNA 헬리케이스를 통해 복제 포크와 래깅 가닥의 두 지점을 잡고, pol III는 루프 구조를 이용하여 떨어진 두 지점 사이의 거리를 좁힌다. 이러한 과정을 통해 래깅 가닥 합성은 리딩 가닥 합성과 같은 속도로 진행될 수 있다.
6. 1. 말단 복제 문제
진핵생물은 선형 염색체를 가지고 있기 때문에 DNA 복제가 염색체의 맨 끝에 도달할 수 없다. 이러한 문제로 DNA는 각 복제 주기마다 염색체 끝에서 손실된다. 텔로미어는 끝 부분에 가까운 반복적인 DNA 영역이며, 이러한 단축으로 인한 유전자 손실을 방지하는 데 도움이 된다. 텔로미어 단축은 체세포에서 정상적인 과정이다. 이는 딸 DNA 염색체의 텔로미어를 짧게 만든다. 결과적으로 세포는 DNA 손실이 더 이상의 분열을 막기 전에 특정 횟수만큼만 분열할 수 있다. (이는 헤이플릭 한계로 알려져 있다.)[51] 다음 세대로 DNA를 전달하는 생식 세포 계통 내에서 텔로머라아제는 분해를 방지하기 위해 텔로미어 영역의 반복 서열을 연장한다. 텔로머라아제는 체세포에서 실수로 활성화되어 때로는 암 형성을 유발할 수 있다. 텔로머라아제 활성 증가는 암의 특징 중 하나이다.6. 2. 복제 스트레스
복제 스트레스에 기여하는 많은 사건들이 있다.[59]
- 리보뉴클레오티드의 잘못된 혼입
- 특이한 DNA 구조
- 복제와 전사 간의 충돌
- 필수적인 복제 인자의 부족
- 일반적인 취약 부위
- 종양 유전자의 과발현 또는 구성적 활성화
- 크로마틴 비접근성
진핵생물의 DNA 복제 기작은 기본적으로 진정세균과 동일하지만, 이보다 훨씬 복잡하다. 진핵생물은 게놈 크기가 매우 크고, 여러 쌍의 염색체를 가지며, 대부분 선형 염색체라는 점에서 복제에 있어서 추가적인 문제를 야기한다.
진핵생물의 염색체에는 정상적인 DNA 복제에서 점화되는 수보다 많은 여분의 복제 기점('''휴면 복제 기점''')이 존재한다. 복제 분기점의 진행이 저해되어 분기점이 정지한 경우, 복제를 완료하기 위해 분기점이 도달하지 못한 영역에 있는 휴면 복제 기점에서 점화된다. 휴면 복제 기점은 정상적인 복제 기점과 마찬가지로 G1기에 라이센싱을 받는다. 쥐를 대상으로 한 실험에서, 외래 스트레스가 없는 상태에서도 복제 분기점의 정지가 다수 발생하며, 라이센싱을 받은 휴면 복제 기점의 수가 낮게 억제된 개체에서 정지된 복제 분기점이 축적되는 것이 밝혀졌다. 정지된 복제 분기점의 축적은 복제 후 염색체의 염색체 비분리 원인이 되어 암을 유발한다.
휴면 복제 기점은 정지된 복제 분기점을 구제하는 주요 수단이지만, 염색체상에 균일하게 분포하지 않으며, 휴면 복제 기점이 거의 없는 '''취약 부위'''가 존재한다. 취약 부위에서는 정지된 복제 분기점의 구제에서 상동 재조합 등에 의한 복제 분기점의 재시동이 중요하게 된다. 취약 부위를 비롯한 염색체의 다양한 부위에서 스트레스에 의해 불완전한 DNA 복제가 일어나며, 이로 인해 '''염색체 재배열'''(GCR), '''유전자 증폭'''(CNV), '''유전자 결실'''이 발생한다.
복제는 매우 높은 정밀도로 이루어지지만, 정도의 확률로 합성 오류가 발생한다. 그 결과, DNA의 염기 치환이 일어나 돌연변이가 발생한다. 이러한 복제 오류에 의한 돌연변이 외에도, 자외선이나 화학 물질에 의해 DNA가 손상되어 돌연변이가 발생할 수 있다.
7. DNA 복제 기술 응용
DNA 복제 기술은 여러 분야에서 활용되고 있다. 특히, 중합 효소 연쇄 반응(PCR)은 DNA를 ''생체 외''에서 복제하는 일반적인 방법으로 널리 쓰인다. PCR은 프라이머 쌍을 이용해 특정 DNA 영역을 증폭시키는 기술이며, 이 과정을 반복하면 해당 DNA 영역의 사본 수가 지수적으로 증가한다.
진핵생물, 예를 들어 척추동물의 경우, 복제가 일어나는 여러 염기서열(복제 부위)은 특정 위치에 모이는데, 이 위치를 '''복제 초점'''이라고 부른다. 복제 초점은 복제 분기점의 총수보다 훨씬 적으며, S기 동안 크기와 위치가 다양하다. 복제 초점 형성은 복제 기점의 점화가 공간적, 시간적으로 조절되기 때문에 발생하며, 인접한 복제 기점이 동시에 점화되는 현상과 관련 있다. 클러스터화는 복제 실패 영역을 다른 쪽에서 오는 복제 분기점이 즉시 복제에 다시 도전하도록 하기 위한 것으로 보인다. 정지 복제 분기점 구조 기구에는 정상적인 DNA 복제에는 점화되지 않는 '''휴면 복제 기점'''을 이용하기도 한다.
이 밖에도 DNA 복제 기술은 유전 질환 진단 및 치료, 생명공학, 농업 분야 등 여러 분야에서 활용된다.
7. 1. 중합 효소 연쇄 반응 (PCR)
연구자들은 일반적으로 중합 효소 연쇄 반응(PCR)을 사용하여 DNA를 ''생체 외''에서 복제한다. PCR은 프라이머 쌍을 사용하여 주형 DNA에서 표적 영역을 가로지르고, 열 안정성 DNA 중합 효소를 사용하여 이 프라이머에서 각 방향으로 파트너 가닥을 중합한다. 이 과정을 여러 번 반복하면 표적 DNA 영역이 증폭된다. 각 사이클의 시작에서 주형과 프라이머의 혼합물을 가열하여 새로 합성된 분자와 주형을 분리한다. 그런 다음 혼합물이 냉각되면 이 두 가지 모두 새로운 프라이머의 어닐링에 대한 주형이 되고 중합 효소가 이로부터 확장된다. 결과적으로, 표적 영역의 사본 수는 각 라운드마다 두 배로 증가하여 지수적으로 증가한다.[68]7. 2. 유전 질환 진단 및 치료
DNA 복제 기술은 유전 질환의 진단 및 치료 기술 개발에 활용되고 있다.7. 3. 생명공학 및 농업 분야 응용
주어진 원본 소스에는 DNA 복제 기술이 생명공학 및 농업 분야에 응용되는 구체적인 사례가 나타나 있지 않다. 따라서 해당 섹션에는 관련 내용을 작성할 수 없다.참조
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문서
DNA는 데옥시뉴클레오티드가, RNA는 리보뉴클레오티드가 [[중합]]한 [[고분자]]이다. 데옥시뉴클레오티드 일부에 염기라는 부위가 있으며, 아데닌, 티민, 구아닌, 시토신 의 4종류가 존재한다. 각종에는 "상보적인"고 형용되는 특별한 관계에 있는 염기를 하나 갖는다. 상보적인 염기 한 조는 특이적으로 결합하고, 다른 염기에는 결합하지 않는다. dsDNA는 상보적인 염기 배열의 조합으로 이루어진다.
[66]
문서
SSB는 주로 다음 2가지 방식으로 DNA와 결합한다. 1) 리보스-인산 주쇄에 대한 정전기적 상호 작용 2) DNA 염기와의 누적 상호 작용. 염기란 거의 수소 결합을 만들지 않는다.
[67]
문서
대장균의 헬리카제는 DnaB뿐만 아니라 최신 데이터 (2007년 현재)에서는 11종류가 있다고 한다. 이것은, 되감기는 DNA 복제 때 뿐만 아니라, 전사, 재조합, DNA 수복 등 다양한 과정에 필요하기 때문이다.
[68]
문서
독립해서 존재할 수도, 염색체에 통합될 수도 있는 플라스미드. 어느 상태라도 대장균의 그것은 접합에서 개체 사이를 이동한다. 공여균의 F인자가 플라스미드형인 경우, 그것을 옮겨, F-는 F+로 바뀐다. 통합되어 있는 경우, 염색체의 일부 또는 전부가 전달된다.
[69]
서적
SAT BIOLOGY E/M Prep
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