[생화학개론]Introduction to DNA(Deoxyribonucleic acid) 4부






DNA 복제


DNA복제는 DNA 중합효소에 의해 주형 DNA에서 상보적 및 반보존적으로 이루어진다. DNA 합성에 사용되는 뉴클레오티드의 선구물질(先驅物質)은 4종류의 디옥시뉴클레오시드 3인산 TTP·dATP·dCTP·dGTP이다. DNA 합성과정에서 DNA 중합효소는 새로 합성되는 말단 뉴클레오티드의 3'-OH기에 디옥시리보오스에 결합되어 있는 5'-PO4기를 결합시켜 3', 5'-인산이 에스테르 결합을 촉매한다.

그림 4 DNA 복제 분기점의 모식도



이 반응에서 디옥시리보오스 3인산 말단에 붙어 있는 2개의 인산기는 피로인산(pyrophosphate/PPi)의 형태로 떨어져 나가며, 피로인산분해효소에 의하여 2분자의 인산으로 나누어진다. 이와같이 DNA 중합효소는 뉴클레오티드의 3'히드록시기(-OH)에 새로운 뉴클레오티드의 5'인산기(-PO4)를 연결하기 때문에 DNA 중합효소의 관점에서 5'→3'의 방향성을 갖게 되며, DNA 합성의 개시를 위해서는 반드시 주형 DNA에 결합하고 있는 폴리뉴클레오티드, 즉 프라이머(primer)가 존재해야 한다.

그림 5 Replication of DNA


프라이머는 다음과 같은 방법으로 합성된다. DNA 이중나선의 복제원점에서 DNA 가닥의 분리가 일어나 1가닥이 되면 이 부위의 DNA를 주형으로 8～9개 정도의 'RNA 프라이머'가 합성되는데, 상보적 염기결합 원칙에 따라 DNA의 A·T·G·C는 U·A·C·G의 뉴클레오티드가 프라이머 합성효소(primase)에 의해 각각 결합되면서 이루어진다. 이와 같이 RNA 프라이머가 합성되면 DNA 중합효소는 이 RNA 프라이머의 3'-OH기에 새로운 뉴클레오티드를 중합시킴으로써 DNA가닥의 생장이 이루어지게 된다.

그림 6 DNA polymerase(5'→3' 중합, phosphodiester bond)




RNA 프라이머는 풀려진 DNA 이중나선의 양쪽에 붙게 되므로 방향은 반대이지만 동시에 2개의 새로운 DNA 가닥이 주형 DNA로부터 생장된다. 이렇게 DNA가닥의 생장이 이루어지면 DNA 중합효소에 의해 DNA 합성을 해나가는 DNA 이중나선의 앞쪽 부위가 점차적으로 열리게 되는데, 이러한 DNA 합성의 진행부위를 '복제포크'(Replication forks)라 한다.

그림 7 DNA polymerase(3'→5' 핵산분해효소)



DNA 중합효소에 의한 DNA 합성의 방향은 항상 5'→3'의 방향성을 갖기 때문에 주형 DNA의 이중나선 중 DNA 중합효소의 진행방향과 반대방향의 DNA 가닥을 주형으로 하여 합성되는 DNA 가닥은 복제포크의 진행방향과 반대방향으로 생장하게 된다. 

그림 8 Replication forks



따라서, DNA 가닥의 합성은 연속적으로 이루어지지 못하고 100～1,000개 정도의 뉴클레오티드로 형성된 DNA 조각이 생기게 된다. 이러한 DNA 조각은 이를 발견한 과학자의 이름을 따서 '오카자키 조각'(Okazaki fragment)이라 하며, 오카자키 조각들 사이에 생긴 틈은 DNA 연결효소인 리가아제(ligase)에 의해 연결된다. 또한 DNA 합성의 연속성과 비연속성의 특성에 따라 복제포크의 이동방향과 같은 방향에서 연속적으로 합성되는 DNA 가닥은 연속사(連續絲 leading strand)라 하며, 오카자키 조각들로 형성되는 비연속 DNA 가닥은 지체사(遲滯絲 lagging strand)라 한다.






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