홀리데이 접합

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1. 개요

홀리데이 접합은 4개의 이중 나선형 DNA 팔이 X자 형태로 교차하는 구조로, 상동 재조합과 DNA 수선에 중요한 역할을 한다. 이 구조는 겹쳐진 형태와 겹쳐지지 않은 형태로 존재하며, 주변 환경, 특히 이가 양이온의 존재 여부에 따라 형태가 달라진다. 홀리데이 접합은 DNA 나노기술 분야에서 구조적 모티프로 활용되며, DNA 오리가미 기술을 통해 다양한 2차원 및 3차원 나노 구조물을 제작하는 데 기여한다. 1964년 로빈 홀리데이에 의해 처음 제안되었으며, 이후 분기점 이동, 구조 연구, DNA 나노기술 등 다양한 분야에서 연구가 진행되었다.

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홀리데이 접합
개요
홀리데이 접합의 모식도
발견자	로빈 홀리데이
발견 연도	1964년
구조
유형	분기형 DNA 구조
관련	상동 재조합, DNA 복구
관련 항목	구조 생물학
상세 정보
설명	홀리데이 접합은 상동 재조합 동안 형성되는 분지형 DNA 구조이다.
형성 과정	두 개의 상동 DNA 분자가 가닥 교환을 거쳐 형성된다. 이중 나선 사이에 상보적 염기쌍이 끊어지고 다시 결합하는 과정이 필요하다.
특징	네 개의 이중 가닥 암(arm)이 연결된 형태를 가진다. 접합점은 이동할 수 있으며, 이를 통해 재조합된 DNA 가닥의 길이를 조절할 수 있다.
해소	홀리데이 접합은 특정한 효소에 의해 절단되어 재조합된 DNA 분자를 생성한다.
생물학적 중요성
기능	상동 재조합 과정에서 유전적 다양성을 증가시키는 데 중요한 역할을 한다. DNA 복구 과정에서 손상된 DNA를 복구하는 데 기여한다.

2. 구조

홀리데이 접합은 4개의 이중 나선 DNA 팔이 X자 형태로 교차하는 구조이다. 이 구조는 주변 환경, 특히 마그네슘(Mg²⁺)과 같은 이가 양이온의 존재 여부에 따라 겹쳐진 형태와 겹쳐지지 않은 형태로 존재할 수 있다.

겹쳐진 홀리데이 접합의 분자 구조. 파란색과 빨간색 가닥은 나선형을 유지하고, 녹색과 노란색 가닥은 두 도메인 사이를 교차한다.

핵산의 평활 말단이 노출된 염기 간의 상호 작용에 의해 서로 결합하는 경향인 동축 적층에 따라 홀리데이 접합은 다양한 입체 이성질체로 존재할 수 있다. 겹쳐지지 않은 형태는 2가 양이온이 없을 때 우세하며, 이는 가닥의 음전하를 띤 골격 사이의 정전기적 반발력 때문이다. 적어도 약 0.1 M Mg²⁺가 존재하면 정전기적 반발력이 상쇄되어 겹쳐진 구조가 우세하게 된다.^[1]

겹쳐지지 않은 형태는 거의 정사각형 평면의 확장된 컨포메이션이다. 겹쳐진 컨포머는 약 60° 각도로 분리된 두 개의 연속적인 이중 나선형 도메인을 오른쪽 방향으로 갖는다.^[1]

RNA 홀리데이 접합부는 높은 마그네슘 농도에서는 역평행 겹침 컨포메이션을, 중간 농도에서는 수직 겹침 컨포메이션을, 낮은 농도에서는 평행 겹침 컨포메이션으로 전환하는 반면, 심지어 소량의 칼슘 이온 농도에서도 역평행 컨포머를 선호한다.^[1]

2. 1. 겹쳐진 형태 (Stacked Conformation)

홀리데이 접합은 마그네슘(Mg²⁺)과 같은 이가 양이온이 충분히 존재할 때 안정화되는 겹쳐진 형태를 띤다. 이 형태에서 DNA 팔들은 서로 쌓여 두 개의 이중 나선 도메인을 형성하며, 이들은 약 60° 각도로 교차한다. 겹쳐진 형태는 두 가지가 존재할 수 있는데, 이는 어떤 DNA 팔이 서로 겹쳐지는지에 따라 달라진다.^[1]

홀리데이 접합부의 3가지 염기 쌓임 입체 이성질체의 개략도. 두 개의 겹쳐진 컨포머는 두 세트의 팔이 동축 적층에 의해 결합되는 방식에서 다르다.

두 가지 겹쳐진 형태는 접합점에 가장 가까운 염기 서열에 따라 선호도가 달라진다. 일부 서열은 두 형태 사이의 평형을 이루지만, 다른 서열은 특정 형태를 강하게 선호한다. 예를 들어, 접합점을 연결하는 A-CC 서열을 포함하는 접합부는 두 번째 시토신과 접합점에서 하나의 인산염 사이에 수소 결합이 형성되는 형태를 선호한다. 대부분의 연구는 각 팔의 접합점에 가장 가까운 네 개의 염기에 초점을 맞추지만, 더 멀리 떨어진 염기도 겹쳐진 형태에 영향을 줄 수 있다.^[1]

4개의 가닥 중 2개는 대략 나선형으로 유지되어 두 개의 이중 나선형 도메인 내에 유지되고, 나머지 2개는 역평행 방식으로 두 도메인 사이를 교차한다.^[1]

2. 2. 겹쳐지지 않은 형태 (Unstacked Conformation)

홀리데이 접합의 겹쳐지지 않은 형태는 이가 양이온이 없거나 낮은 농도에서 우세한 구조이다. 이 형태에서 DNA 팔들은 서로 겹쳐지지 않고, 거의 평면적인 X자 형태를 유지한다. -- DNA 골격의 음전하 간 정전기적 반발력 때문에 이가 양이온이 없을 때 안정하다.

최소 0.1M의 Mg²⁺가 존재하면 정전기적 반발력이 상쇄되어 겹쳐진 구조가 우세하게 된다. 2000년 기준으로, 이러한 정전기적 차폐가 양이온이 접합부에 특이적으로 결합한 결과인지, 아니면 용액에 이온이 흩어져 있는 것인지 확실하지 않았다.^[1]

2. 3. 분기점 이동 (Branch Migration)

홀리데이 접합부의 분기점은 DNA 서열을 따라 이동할 수 있는데, 이 과정을 분기점 이동이라고 한다. 분기점 이동 속도는 이온 농도에 따라 크게 달라진다. 단일 단계 시간은 이온이 없는 경우 0.3~0.4ms에서 10mM Mg²⁺가 있는 경우 270~300ms로 증가한다. 이러한 속도 변화는 겹쳐진 구조와 겹쳐지지 않은 구조의 형성과 관련이 있다.^[1]

대칭 서열을 가진 접합부에서 분지점은 무작위 보행 과정에서 이동할 수 있다. 가닥 중 하나가 끊어진 홀리데이 접합부는 닉이 발생했다고 하며, 수직 방향을 채택하고, 항상 닉이 나선형 가닥이 아닌 교차 가닥에 위치하는 적층 컨포머를 선호한다.^[1]

3. 생물학적 기능

홀리데이 접합은 상동 재조합, DNA 복구, 유전자 발현 조절 등 다양한 생물학적 과정에서 중요한 역할을 한다.

상동 재조합 과정에서 홀리데이 접합은 핵심 중간체 역할을 하며, 인테그라제에 의한 부위 특이적 재조합과 같이 두 염색체 사이의 유전자 이동을 통해 유전적 다양성을 증가시킨다. 또한, 홀리데이 접합은 DNA 초나선의 대칭 서열에서 뒤틀림을 완화하기 위한 십자형 구조를 형성하기도 한다.^[2]

몇몇 바이러스에서도 상동 재조합이 발견된다. 헤르페스 바이러스와 같은 DNA 바이러스에서 재조합은 세균이나 진핵생물과 유사하게 절단-재결합 기작으로 일어난다.^[8] 레트로바이러스, 피코르나바이러스, 코로나바이러스와 같은 양성 가닥 ssRNA 바이러스에서도 상동 재조합의 증거가 존재한다. 다만, 인플루엔자 바이러스와 같은 음성 가닥 ssRNA 바이러스에서 상동 재조합이 일어나는지에 대해서는 논란이 있다.^[11]

3. 1. 상동 재조합 (Homologous Recombination)

진핵생물에서 상동 재조합의 두 가지 경로, 홀리데이 접합부의 형성 및 분해를 보여준다.

홀리데이 접합부는 상동 재조합의 핵심 중간체이다. 상동 재조합은 두 개의 염색체 사이에서 유전자를 이동시켜 유전적 다양성을 증가시키는 생물학적 과정이자 인테그라제와 관련된 부위 특이적 재조합 현상이며, 이중 가닥 절단부의 수선에도 관여한다.^[1] DNA 슈퍼코일에서 대칭적인 서열의 나선 변형을 완화하기 위해 홀리데이 접합부를 포함하는 십자형 구조가 발생할 수도 있다.^[2] U1 스플라이소좀 RNA와 담배 반점 바이러스의 헤어핀 리보자임같은 기능성 RNA 분자에도 4개의 팔을 가진 접합부가 나타나지만, 일반적으로 쌍을 이룬 이중 나선형 도메인 사이에 쌍을 이루지 않은 뉴클레오티드를 포함하므로 엄밀히 말해 홀리데이 구조는 아니다.^[1]

상동 재조합에서 홀리데이 접합부는 동일하거나 거의 동일한 서열 사이에 있으며, 중앙 접합부 주변에 서열의 대칭적인 배열을 유도한다. 이는 가닥이 접합점을 통과하여 이동하는 가지 이동 과정을 발생시킨다.^[1] 홀리데이 접합부의 절단 또는 분해는 두 가지 방식으로 발생할 수 있는데, 원래 가닥 세트를 절단하면 유전자 전환은 보이지만 염색체 교차는 나타나지 않는 두 개의 분자가 생성되고, 다른 두 가닥 세트를 절단하면 재조합된 분자가 교차를 보인다. 절단 여부와 관계없이 모든 생성물은 홀리데이 접합부 이동 영역에서 이중 가닥 이형체이다.^[3]

홀리데이 접합부 구조를 인식하거나 왜곡할 수 있는 많은 단백질이 존재한다. 그중 하나는 때로는 서열 특이적인 방식으로 접합부를 절단하는 접합부 분해 효소이다. 이러한 단백질은 다양한 방식으로 접합부의 구조를 왜곡하는데, 종종 접합부를 적층되지 않은 형태로 끌어당기고, 중앙 염기쌍을 파괴하거나, 네 개의 팔 사이의 각도를 변경한다. 그 외에도 가지 이동 속도를 수십 배 증가시키는 가지 이동 단백질과 부위 특이적 재조합 효소가 있다.^[1] 원핵생물에서 홀리데이 접합부 분해 효소는 구조적으로 유사하지만 서열이 보존되지 않는 두 가족, 즉 인테그라제와 뉴클레아제로 나뉜다.^[3]

상동 재조합은 여러 바이러스의 DNA 바이러스에서 발생한다. 헤르페스 바이러스와 같은 DNA 바이러스에서 재조합은 세균 및 진핵생물과 마찬가지로 절단 및 재결합 메커니즘을 통해 발생한다.^[8] 일부 RNA 바이러스 중 특히 양성 가닥 ssRNA 바이러스인 레트로바이러스, 피코르나바이러스, 코로나바이러스에서 재조합의 증거가 있다. 음성 가닥 ssRNA 바이러스인 인플루엔자에서 상동 재조합이 발생하는지에 대해서는 논란이 있다.^[11]

3. 1. 1. 상동 재조합 경로

진핵생물에서 상동 재조합은 주로 이중 가닥 절단 복구(DSBR) 경로(이중 홀리데이 접합부 모델이라고도 함)와 합성 의존적 가닥 어닐링(SDSA) 경로를 통해 일어난다.^[4] 이중 가닥 파손 시 3' 말단이 분해되고 더 긴 5' 말단이 인접한 자매 염색체를 침입하여 복제 버블을 형성한다. 이 버블이 끊어진 DNA에 가까워지면, 더 긴 5' 안티센스 가닥이 다시 이 DNA 부분의 센스 가닥을 침입하여 두 번째 사본을 전사한다. 복제가 끝나면 두 꼬리가 다시 연결되어 두 개의 홀리데이 접합부를 형성하며, 이들은 다양한 패턴으로 단백질에 의해 절단된다.^[5]

세균에서 이중 가닥 DNA 절단은 RecBCD 상동 재조합 경로에 의해 수선된다. 두 DNA 가닥 중 하나에만 발생하는 절단(단일 가닥 갭)은 RecF 경로에 의해 수선되는 것으로 생각된다. RecBCD와 RecF 경로는 모두 가지 이동을 포함하는데, 여기서 단일 DNA 가닥은 교차된 두 개의 이중 DNA 분자 사이에서 교환된다. 이후 교차된 두 DNA 분자는 잘리고 정상적인 이중 가닥 상태로 복원되는 ''분해'' 과정을 거친다.^[7] 세균에서 가지 이동은 RuvABC 복합체 또는 RecG 단백질에 의해 촉진되며, 이들은 ATP 가수분해 에너지를 사용하여 접합부를 이동시키는 분자 모터이다. 접합부는 두 개의 별도 이중 가닥으로 분해되어 부모 구성 또는 교차 구성을 복원해야 한다. 분해는 상동 재조합 동안 수평 또는 수직 방식으로 발생할 수 있으며, 이중 가닥 절단 수선 중 동일한 방향에서는 패치 생성물을, 다른 방향에서는 스플라이스 생성물을 생성한다.^[9]^[10] RuvA와 RuvB는 가지 이동 단백질이고, RuvC는 접합부 분해 효소이다.^[1]

3. 2. DNA 복구 (DNA Repair)

홀리데이 접합은 상동 재조합의 핵심 중간체로, 이중 가닥 절단부의 수선에 관여한다.^[1] 이중 가닥 절단은 심각한 DNA 손상 중 하나이며, 홀리데이 접합을 통한 복구는 유전체의 안정성을 유지하는 데 필수적이다.

상동 재조합에서 홀리데이 접합은 동일하거나 거의 동일한 서열 사이에 있으며, 중앙 접합부 주변에 서열의 대칭적인 배열을 유도한다. 이는 가닥이 접합점을 통과하여 이동하는 가지 이동 과정을 발생시킨다.^[1] 홀리데이 접합부의 절단 또는 분해는 두 가지 방식으로 발생할 수 있다. 원래 가닥 세트를 절단하면 유전자 전환은 보이지만 염색체 교차는 나타나지 않는 두 개의 분자가 생성되는 반면, 다른 두 가닥 세트를 절단하면 재조합된 분자가 교차를 보인다. 절단 여부에 관계없이 모든 생성물은 홀리데이 접합부 이동 영역에서 이중 가닥 이형체가 된다.^[3]

진핵생물에서 상동 재조합이 DNA의 이중 가닥 절단부를 수선하는 방식에 대한 두 가지 주요 모델은 이중 가닥 절단 수선(DSBR) 경로 (때로는 '이중 홀리데이 접합부 모델'이라고도 함)와 합성 의존적 가닥 어닐링 (SDSA) 경로이다.^[4] 이중 가닥 파손의 경우, 3' 말단이 분해되고 더 긴 5' 말단이 인접한 자매 염색체를 침입하여 복제 버블을 형성한다. 이 버블이 끊어진 DNA에 가까워지면, 더 긴 5' 안티센스 가닥이 다시 이 DNA 부분의 센스 가닥을 침입하여 두 번째 사본을 전사한다. 복제가 끝나면 두 꼬리가 다시 연결되어 두 개의 홀리데이 접합부를 형성하고, 이들은 다양한 패턴으로 단백질에 의해 절단된다.^[5]

세균의 이중 가닥 DNA 절단은 RecBCD 상동 재조합 경로에 의해 수선된다. 두 DNA 가닥 중 하나에만 발생하는 절단, 즉 단일 가닥 갭은 RecF 경로에 의해 수선되는 것으로 생각된다. RecBCD와 RecF 경로는 모두 가지 이동으로 알려진 일련의 반응을 포함하며, 여기서 단일 DNA 가닥은 교차된 두 개의 이중 DNA 분자 사이에서 교환되고, 두 개의 교차된 DNA 분자가 잘리고 정상적인 이중 가닥 상태로 복원되는 ''분해''과정을 거친다.^[7]

헤르페스 바이러스와 같은 DNA 바이러스에서 재조합은 세균 및 진핵생물과 마찬가지로 절단 및 재결합 메커니즘을 통해 발생한다.^[8]

3. 3. 기타 기능

홀리데이 접합은 DNA 슈퍼코일 조절, 특정 RNA 분자의 구조 형성 등에도 관여한다.^[1] 4개의 팔을 가진 접합부는 U1 스플라이소좀 RNA와 담배 모자이크 바이러스의 헤어핀 리보자임 같은 기능성 RNA 분자에도 나타나지만, 일반적으로 쌍을 이룬 이중 나선형 도메인 사이에 쌍을 이루지 않은 뉴클레오타이드를 포함하므로 홀리데이 구조를 엄밀하게 따르지는 않는다.^[1]

4. 홀리데이 접합 분해 (Resolution)

출아 효모 ''Saccharomyces cerevisiae''에서는 홀리데이 접합이 4가지 다른 경로로 분해된다. 기본적으로 생체 내의 모든 홀리데이 접합은 이러한 경로를 통해 분해된다.^[41] 이들은 EXO1, MLH1-MLH3 이형이량체(MutL 감마라고 함), SGS1(블룸 증후군 헬리카제의 정형유전자) 단백질을 포함하며, 이들은 교차 재조합체의 형성을 촉진한다.^[41]^[44] MLH1-MLH3 이형이량체는 홀리데이 접합에 우선적으로 결합하며,^[42] 초나선 이중 가닥 DNA에서 단일 가닥 절단을 생성하는 엔도뉴클레아제이다.^[42]^[43]

MUS81-MMS4, SLX1, YEN1이 관여하는 다른 세 가지 경로는 ''in vivo''에서 홀리데이 접합 해소를 촉진하지만, 이 세 뉴클리에이즈가 모두 결여되어도 교차 형성에는 큰 영향이 없다. MLH3(주요 경로)와 MMS4(보조 경로)를 모두 제거한 변이체에서는 야생형과 비교해 교차가 6~17배 감소했지만, 포자 생존율은 62%로 비교적 높고 염색체 분리도 대체로 기능한다.^[44]

출아 효모, 식물, 척추 동물의 감수 분열에서 MUS81은 부수 경로의 구성 요소이지만, 테트라히메나 ''Tetrahymena thermophila''에서는 MUS81이 지배적이지는 않지만 필수적인 요소로 보인다.^[45] MUS81 경로는 분열 효모 ''Schizosaccharomyces pombe''에서 지배적인 경로로 보인다.^[45]

효모와 인간에서 MSH4, MSH5 단백질은 헤테로올리고머 구조(이종이량체)를 형성한다.^[46]^[47]^[48] ''S. cerevisiae''에서 MSH4와 MSH5는 감수 분열 과정에서 상동 염색체 간 교차를 특이적으로 촉진한다.^[46] MSH4/MSH5 복합체는 이중 홀리데이 접합에 결합하여 안정화하고, 교차형 생성물이 형성되는 절단 패턴을 촉진한다. ''S. cerevisiae''의 MSH4 기능 저하형 변이체는 전체 게놈 중 교차 수를 30% 감소시키고, 염색체 교차가 일어나지 않는 감수 분열을 증가시킨다.^[49] 이 변이체의 포자 생존 패턴은 교차가 일어나지 않은 염색체에서도 효율적으로 분리가 일어남을 시사한다. 즉, ''S. cerevisiae''에서 염색체의 정확한 분리는 상동 염색체 간 교차에 완전히 의존하지 않는다.

4. 1. 분해 효소 (Resolvases)

출아 효모 ''Saccharomyces cerevisiae''에서는 홀리데이 접합이 4가지 다른 경로로 해소된다. 생체 내에서 이루어지는 이 경로들은 EXO1, MLH1-MLH3 이형이량체(MutL 감마라고 함), SGS1(블룸 증후군 헬리카제의 정형유전자) 단백질을 포함한다.^[41] MLH1-MLH3 이형이량체는 홀리데이 접합에 우선적으로 결합하며,^[42] 초나선 이중 가닥 DNA에서 단일 가닥 절단을 생성하는 엔도뉴클레아제이다.^[42]^[43] MLH1-MLH3 이형이량체는 교차 재조합체의 형성을 촉진한다.^[44]

MUS81-MMS4, SLX1 및 YEN1 단백질을 포함하는 다른 세 가지 경로는 생체 내에서 홀리데이 접합 분해를 촉진할 수 있지만, 세 가지 뉴클레아제가 모두 부재해도 교차 생성물의 형성에 미치는 영향은 미미하다.

MLH3(주요 경로)와 MMS4(부수 경로)를 모두 삭제한 이중 돌연변이는 야생형에 비해 교차가 6~17배 감소했다.^[44] 그러나 포자 생존력은 62%로 상당히 높았고, 염색체 분리도 대부분 기능적으로 보였다.^[44]

출아 효모, 식물, 척추 동물의 감수 분열에서는 MUS81이 부수적인 교차 경로의 구성 요소이지만, 원생동물 ''테트라히메나''에서는 MUS81이 필수적인, 혹은 주요한 교차 경로의 일부인 것으로 보인다.^[45] MUS81 경로는 분열 효모 ''Schizosaccharomyces pombe''에서도 주요한 교차 경로인 것으로 보인다.^[45]

MSH4 및 MSH5 단백질은 효모와 인간에서 이형이량체 구조를 형성한다.^[46]^[47]^[48] 효모 ''S. cerevisiae''에서 MSH4와 MSH5는 감수 분열 동안 상동 염색체 사이의 교차를 촉진하는 데 특이적으로 작용한다.^[46] MSH4/MSH5 복합체는 이중 홀리데이 접합을 결합하고 안정화시키며 이를 교차 생성물로 분해하는 것을 촉진한다. ''S. cerevisiae''의 MSH4 저형성(부분 기능) 돌연변이는 교차 수에서 30%의 게놈 전체 감소를 보였으며, 교환이 없는 염색체를 가진 많은 수의 감수 분열을 보였다.^[49] 그럼에도 불구하고, 이 돌연변이는 비교환 염색체의 분리가 효율적으로 발생했음을 시사하는 포자 생존 패턴을 생성했다. 따라서 ''S. cerevisiae''에서 적절한 분리는 상동 쌍 사이의 교차에 전적으로 의존하지 않는 것으로 보인다.

4. 2. 분해 경로

출아 효모 ''Saccharomyces cerevisiae''에서는 EXO1, MLH1-MLH3 이형이량체(MutL 감마라고 함), SGS1(블룸 증후군 헬리카제의 상동 단백질) 등이 홀리데이 접합 분해에 관여하는 주요 경로를 구성한다.^[41] MLH1-MLH3 복합체는 홀리데이 접합에 우선적으로 결합하며,^[42] 초나선 이중 가닥 DNA에서 단일 가닥 절단을 생성하는 엔도뉴클레아제이다.^[42]^[43] 이들은 교차 재조합체의 형성을 촉진한다.^[44]

MUS81-MMS4, SLX1, YEN1 단백질을 포함하는 세 가지 다른 경로도 생체 내에서 홀리데이 접합 분해를 촉진할 수 있지만, 세 가지 뉴클레아제가 모두 부재해도 교차 생성물의 형성에 미치는 영향은 미미하다.

MLH3(주요 경로)와 MMS4(부수 경로)를 모두 삭제한 이중 돌연변이는 야생형에 비해 교차가 6~17배 감소했다. 그러나 포자 생존력은 62%로 상당히 높았고, 염색체 분리도 대부분 기능적으로 보였다.^[44]

MSH4 및 MSH5 단백질은 효모와 인간에서 이종이량체를 형성한다.^[46]^[47]^[48] 효모 ''Saccharomyces cerevisiae''에서 MSH4와 MSH5는 감수 분열 동안 상동 염색체 사이의 교차를 촉진하는 데 특이적으로 작용한다.^[46] MSH4/MSH5 복합체는 이중 홀리데이 접합을 결합하고 안정화시키며 이를 교차 생성물로 분해한다. ''S. cerevisiae''의 MSH4 저형성(부분 기능) 돌연변이는 교차 수에서 30% 감소를 보였으며, 교환이 없는 염색체를 가진 많은 수의 감수 분열을 보였다.^[49]

5. DNA 나노기술에서의 응용

DNA 나노기술 분야에서 홀리데이 접합은 다양한 나노 구조물을 제작하는 데 활용된다. 홀리데이 접합을 이용한 DNA 나노 구조물과 DNA 오리가미에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참고하면 된다.

5. 1. DNA 나노 구조물 (DNA Nanostructures)

DNA 나노기술은 유전 정보를 전달하는 역할이 아닌, 나노기술에 쓰이는 공학 재료로써 인공 핵산 구조를 설계하고 제작하는 것이다. 이 분야는 분지된 DNA 구조를 더 복잡하고 정교하게 설계된 구조를 만들기 위한 기본 구성 요소로 사용한다. 홀리데이 접합은 이러한 DNA 구조의 많은 부분을 구성한다. 홀리데이 접합 복합체는 단독으로는 너무 유연해서 크고 정돈된 배열로 조립하기 어렵기 때문에, 여러 개의 홀리데이 접합을 가진 구조적 모티프를 사용하여 더 큰 "배열"로 조립할 수 있는 견고한 "타일"을 만든다.^[22]^[23]^[51]^[52]

가장 일반적인 모티프는 이중 교차(DX) 복합체로, 서로 가까이 있는 두 개의 홀리데이 접합을 포함하여 더 큰 배열로 자체 조립될 수 있는 견고한 구조를 만든다. DX 분자의 구조는 홀리데이 접합이 약 60°의 선호 각도와 반대로 이중 나선 도메인이 직접 나란히 배열된 형태를 취하도록 강제한다. 복합체는 접합을 평행 또는 역평행 방향으로 강제하도록 설계할 수 있지만, 실제로는 역평행 종류가 더 잘 작동하며 평행 버전은 거의 사용되지 않는다.^[22]^[23]^[51]^[52]

DX 구조 모티프는 임의의 모양의 더 큰 2차원 및 3차원 구조를 만드는 데 사용되는 DNA 오리가미 방법의 기본 구성 요소이다. 개별 DX 타일을 사용하는 대신, 단일 긴 스캐폴드 가닥이 여러 개의 짧은 스테이플 가닥에 의해 원하는 모양으로 접힌다. 조립되면 스캐폴드 가닥은 이중 나선 도메인을 통해 연속적으로 이어지며, 스테이플 가닥은 교차 가닥으로 홀리데이 접합에 참여한다.^[25]^[54]

홀리데이 접합의 고유한 60° 각도를 유지하는 일부 타일 유형이 시연되었다. 이러한 배열 중 하나는 평행사변형 배열로 네 개의 홀리데이 접합을 포함하는 타일을 사용한다. 이 구조는 원자력 현미경을 통해 접합 각도를 직접 시각화할 수 있다는 장점이 있다. 삼각형 형태로 세 개의 홀리데이 접합 타일은 생체 분자의 X선 결정학에 사용하기 위해 주기적인 3차원 배열을 만드는 데 사용되었다. 이러한 구조는 장력과 압축력 모두를 이용하는 텐세그리티의 원리를 기반으로 하는 구조적 단위와 유사하다는 점에서 이름이 붙여졌다.^[22]^[23]^[51]^[52]

5. 2. DNA 오리가미 (DNA Origami)

DNA 오리가미는 DNA 나노기술의 한 방법으로, 긴 DNA 스캐폴드 가닥을 여러 개의 짧은 스테이플 가닥으로 접어 원하는 모양의 2차원 및 3차원 나노 구조물을 만든다.^[25] 조립 후에는 스캐폴드 가닥이 연속적인 이중 나선 도메인을 형성하고, 스테이플 가닥은 교차 가닥으로서 홀리데이 접합에 참여한다.^[25] DNA 오리가미는 이중 교차(DX) 구조 모티프를 기본 구성 요소로 사용하는데, DX 모티프는 두 개의 홀리데이 접합부가 가까이 있어 강성을 가지며 더 큰 배열로 자기 조립할 수 있다.^[22]^[23]

6. 역사

로빈 홀리데이가 1964년 깜부기균(Ustilago maydis)과 빵효모(Saccharomyces cerevisiae) 연구를 바탕으로 홀리데이 접합을 제안한 이후, 다양한 연구를 통해 그 구조와 역할이 밝혀졌다.

1980년대에는 홀리데이 접합 형성을 시작하고 결합하는 효소가 확인되었지만, 2004년까지 포유류 홀리데이 접합 분해 효소는 명확히 밝혀지지 않았다.^[3]

DNA 나노기술의 개념적 기초는 1980년대 초 네드리안 시먼(Nadrian Seeman)에 의해 처음으로 마련되었다.^[29] 당시 DNA 복제 포크와 이동성 홀리데이 접합 등, 여러 가지 자연적인 분지 DNA 구조가 알려져 있었다. 시먼은 가닥 서열을 적절하게 설계하여 고정된 핵산 접합을 생성하고, 이러한 고정된 접합을 원칙적으로 강성 결정 격자로 결합할 수 있다는 아이디어를 제시했다. 1982년에 이 아이디어를 제시한 첫 번째 이론 논문이 출판되었고, 이듬해에 고정된 DNA 접합에 대한 첫 번째 실험적 시연이 이루어졌다.^[23]^[30] 시먼은 2차원 격자를 형성하는 데 적합한 더욱 강성인 이중 교차(DX) 구조적 모티프를 개발했으며, 1998년에 그와 에릭 윈프리(Erik Winfree)에 의해 시연되었다.^[22] 2006년, 폴 로테먼드(Paul Rothemund)는 임의의 모양의 접힌 DNA 구조를 쉽고 견고하게 만드는 DNA 오리가미 기술을 처음으로 선보였다. 이 방법은 이전보다 훨씬 더 큰 구조를 만들 수 있게 해주었고, 설계 및 합성이 기술적으로 덜 까다롭게 되었다.^[31] 3차원 격자의 합성은 2009년 시먼에 의해 마침내 발표되었으며, 그는 이 목표를 달성하기 위해 거의 30년 전에 시작했다.^[32]

6. 1. 초기 모델

로빈 홀리데이는 1964년 깜부기균(Ustilago maydis)과 빵효모(Saccharomyces cerevisiae)에 대한 연구를 바탕으로 상동 재조합 모델을 제안하면서, 현재 그의 이름을 딴 접합 구조를 제안했다. 이 모델은 유전자 전환과 염색체 교차를 모두 설명하는 분자 메커니즘을 제공했다. 홀리데이는 제안된 경로가 단일 유전자의 서로 다른 버전 사이에 염기 불일치가 있는 이중 가닥 DNA 세그먼트를 생성할 것이라는 점을 깨달았다. 그는 세포가 불일치 복구 메커니즘을 가질 것이라고 예측했고, 이는 나중에 발견되었다.^[3] 홀리데이 모델 이전에는, 새로운 가닥이 서로 다른 부모 가닥의 일부로부터 직접 합성되는 복사 선택 메커니즘이 받아들여졌다.^[26]

상동 재조합에 대한 홀리데이의 원래 모델에서는, 각 부모 DNA의 한 가닥에서 동일한 지점에 단일 가닥 절단이 발생한다. 그런 다음 각 절단된 가닥의 자유 끝이 다른 DNA 이중 나선으로 이동한다. 그곳에서 침입하는 가닥은 만나는 자유 끝에 연결되어 홀리데이 접합을 생성한다. 각 교차 가닥이 원래 파트너 가닥에 재결합함에 따라, 원래 상보적인 가닥을 그 앞에 밀어낸다. 이로 인해 홀리데이 접합이 이동하여 이중 가닥 세그먼트가 생성된다. 감수 분열로 인한 4개의 세포는 다른 가닥을 복구하는 데 어떤 가닥이 템플릿으로 사용되었는지에 따라 정상적인 각 2개의 복사본 대신 한 대립 유전자의 3개의 복사본과 다른 대립 유전자의 1개의 복사본을 갖게 될 수 있으며, 이는 유전자 전환으로 알려진 특성이다.^[3]

홀리데이의 원래 모델은 이중 가닥 DNA가 두 염색체 모두에 존재할 것이라고 가정했지만, 효모에 대한 실험 데이터는 이를 반박했다. 1975년 매튜 메셀슨과 찰리 래딩의 업데이트된 모델은 분기 이동의 아이디어를 도입했다.^[26] 1980년대에 이루어진 추가 관찰을 통해 이중 가닥 절단 모델(잭 쇼스택, 프랭크 스탈 등), 단일 가닥 어닐링 모델과 같은 재조합을 위한 대체 메커니즘이 제안되었다. 세 번째는 합성 의존적 가닥 어닐링 모델로, 홀리데이 접합을 포함하지 않았다.^[3]

6. 2. 모델 수정 및 발전

로빈 홀리데이가 제안한 원래 모델은 이중 가닥 DNA가 두 염색체 모두에 존재할 것이라고 가정했지만, 효모에 대한 실험 데이터는 이를 반박했다. 1975년 매튜 메셀슨(Matthew Meselson)과 찰리 래딩(Charley Radding)은 분기점 이동 개념을 도입하여 모델을 개선했다.^[26] 이후 이중 가닥 절단 모델(잭 쇼스택(Jack Szostak), 프랭크 스탈(Frank Stahl) 등)과 단일 가닥 어닐링 모델, 합성 의존적 가닥 어닐링 모델 등 새로운 상동 재조합 모델이 제안되었다. 합성 의존적 가닥 어닐링 모델은 홀리데이 접합을 포함하지 않았다.^[3]

6. 3. 구조 연구

홀리데이 접합의 구조는 전자 현미경, 젤 전기 영동, 핵자기 공명(NMR) 분광법 등 다양한 기술을 통해 연구되었다.^[1]^[3]^[28] 1970년대 후반 전자 현미경 연구를 통해 플라스미드와 박테리오파지 DNA에서 4개의 팔 구조를 가진 홀리데이 접합이 명확하게 관찰되었다.

1983년, 네드리안 시먼은 합성 올리고뉴클레오타이드로부터 인공 홀리데이 접합 분자를 최초로 만들어, 그 물리적 특성을 보다 직접적으로 연구할 수 있게 하였다.^[1]^[3]^[28] 초기에는 젤 전기 영동, FRET, 수산화 라디칼 및 뉴클레아제 풋프린팅 연구를 통해 홀리데이 접합 구조를 분석했고, 1990년대에는 결정학 및 핵산 NMR 방법과 계산 분자 모델링 도구가 활용되었다.^[1]^[3]^[28]

초기 유전학자들은 상동 이중 나선을 더 가깝게 정렬할 수 있는 평행 배치보다 홀리데이 접합이 역평행 배치를 채택할 것이라고 가정했다.^[1] 그러나 1980년대 화학 분석 결과, 홀리데이 접합은 실제로 역평행 배치를 선호한다는 사실이 밝혀졌다.^[1]^[3] 로빈 홀리데이 자신도 처음에는 이 결과에 의문을 가졌다.^[1]^[3] 이후 ''in vitro'' 분자에 대한 X선 결정학 데이터로 인해 역평행 구조가 널리 받아들여졌지만, 2004년 현재 ''in vivo'' 구조에 대한 영향은 불분명하며, 특히 접합의 구조는 결합된 단백질에 의해 종종 변경된다.^[3]

참조

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