본문내용
1. 분자생물학의 역사 및 DNA 구조
1.1. DNA 발견 과정
프리드리히 미셔는 호흡기 감염 환자의 백혈구에서 DNA를 발견했다. 그는 이 물질이 세포의 중요한 성분이며 인(phosphorus)을 함유하고 있어 유전물질로서의 역할을 할 것이라 추정했다. 멘델은 유전 인자를 발견했으며, 보베리와 서튼은 염색체 이론을 제안했다. 모건은 초파리 실험을 통해 염색체가 특정 형질을 발현시킨다는 것을 확인했다. 그리피스는 폐렴균 실험에서 S형 폐렴균의 열처리 후 R형으로 전환되는 '전환 인자'를 발견했고, 이는 DNA가 유전물질임을 시사했다. 애버리, 맥로드, 맥커티는 S형 폐렴균의 DNA를 분리하여 R형 폐렴균과 섞어주자 병원성이 발현된 것을 확인함으로써 DNA가 유전물질임을 주장했다. 이와 같이 DNA가 유전물질임이 밝혀졌으며, 이후 DNA의 화학적 구조와 이중나선 구조가 규명되었다.
1.2. DNA 이중나선 구조 규명
프리드리히 미셔는 백혈구에서 DNA를 분리하였고, DNA가 인을 보관하는 역할을 할 것이라 추정하였다. 멘델은 유전인자를 발견하였고, 보버리와 서튼은 염색체 이론을 제시하였다. 모건은 초파리 실험을 통해 염색체가 특정 형질을 발현시킨다는 것을 발견하였다. 그리피스는 폐렴균 실험을 통해 전환 인자가 DNA라는 것을 시사하였고, 에이버리, 맥클러드, 맥카티는 이를 확인하였다. 샤가프는 DNA의 염기 조성이 A-T와 G-C가 같다는 것을 발견하였다. 허시와 체이스는 박테리오파지가 DNA만 주입됨을 확인하였다.
이처럼 DNA의 구조와 속성에 대한 다양한 연구가 진행되었고, 1953년 왓슨과 크릭은 DNA가 이중나선 구조를 가짐을 규명하였다. DNA는 두 개의 polynucleotide chain이 이중나선 구조를 이루고 있으며, 백본은 phosphate와 ribose로 구성되어 있다. 염기들은 내부에서 쌍을 이루며 결합하고 있다. 이때 adenine과 thymine은 2개의 수소결합으로, guanine과 cytosine은 3개의 수소결합으로 결합한다. 이러한 상보적 결합에 의해 DNA 복제 시 염기 서열이 보존될 수 있다. 또한 염기 층 간의 stacking interaction에 의해 DNA 구조가 안정화된다.
DNA는 대부분 right-handed 나선 형태를 가지며, major groove와 minor groove가 형성된다. 이는 2'-deoxyribose와 염기 사이의 glycosidic bond 각도 차이 때문이다. DNA는 환경에 따라 B-form, A-form, Z-form 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 열이나 pH 변화에 따라 이중가닥이 분리되어 단일가닥 상태가 되는 변성(denaturation)이 일어날 수 있으며, 단일가닥 상태에서는 염기들이 자유로운 형태로 에너지를 흡수할 수 있다. 이를 통해 변성 온도(melting temperature)를 측정할 수 있다.
이와 같이 DNA의 이중나선 구조가 규명됨에 따라 DNA의 안정성과 복제 과정에 대한 이해가 높아졌다. 특히 상보적 염기 결합과 DNA의 권염도 및 supercoiling 등의 구조적 특징은 DNA의 유전 정보 저장 및 전달 메커니즘을 설명할 수 있게 되었다.
1.3. DNA 구성 요소와 염기쌍 결합
2'-deoxyribose와 base 사이의 glycosidic bond 각도가 대칭이 아니라 240, 120도를 이루기 때문에 major/minor groove가 형성된다. DNA의 backbone은 phosphate와 ribose(sugar)로 구성되며, 내부에는 염기들이 쌍을 이루며 구성되어 있다. 이 때 아데닌(A)은 티민(T)과, 구아닌(G)은 시토신(C)과 상보적으로 결합한다. 이는 수소결합에 의한 것으로, A-T 염기쌍에서는 2개의 수소결합이, G-C 염기쌍에서는 3개의 수소결합이 형성된다. 또한 염기들 간의 전자 공유를 통한 stacking interaction 역시 DNA 구조를 안정화시키는데 기여한다. 일반적으로 DNA는 오른나사 방향으로 감겨있는 B형 구조를 가지며, 이 때 주요 및 부 홈(major/minor groove)이 형성된다. 이처럼 DNA 염기의 배열과 그에 따른 상보적 결합, 그리고 구조적 특징들은 유전 정보 저장과 전달에 있어 매우 중요한 역할을 한다.
1.4. DNA 형태별 특징
B-form DNA는 습도가 높은 환경에서 형성되며, 10개의 염기쌍마다 한 번씩 360도로 감겨 있는 오른나사(right-handed) 형태이다. 이는 자연계에 존재하는 DNA의 가장 일반적인 형태이다. B-form DNA의 직경은 약 2nm이며, 염기쌍 간 거리는 0.34nm이다. 염기들의 규칙적인 수소결합 패턴으로 인해 major groove와 minor groove가 형성되며, 이는 단백질 등의 결합 인식 부위로 활용된다.
A-form DNA는 상대적으로 습도가 낮은 환경에서 형성되며, 11개의 염기쌍마다 한 번씩 360도로 감겨 있는 오른나사 형태이다. 주요 groove의 폭이 B-form보다 좁아 단백질 결합이 잘 일어나지 않는다. RNA가 double helix를 형성할 때에는 주로 A-form 구조를 취한다.
Z-form DNA는 염도가 높은 환경에서 형성되며, 염기 서열이 교대로 purine과 pyrimidine이 나오는 경우에 주로 발생한다. Z-form은 뒤틀린(zig-zag) 형태의 왼나사(left-handed) 구조를 가지며, 가장 좁은 직경을 보인다. 이로 인해 인접한 phosphate 사이의 반발력이 크지만, 높은 염도 환경에서 이를 완화할 수 있다. Z-form DNA의 존재는 유전자 발현 조절 등의 생물학적 기능과 관련되어 있다.
이처럼 DNA는 환경 조건에 따라 서로 다른 구조적 형태를 취할 수 있으며, 이는 DNA의 다양한 기능 수행과 밀접하게 연관되어 있다.
2. 유전 물질로서의 DNA
2.1. 메설손-스탈 실험과 DNA의 반보존적 복제
DNA가 유전물질로서의 역할을 한다는 점이 증명된 이후, 연구자들은 DNA가 세대 간 어떻게 전달되는지에 대해 관심을 가지게 되었다. 복제된 DNA가 세포분열을 통해 자손세대에 전달되는 과정을 밝히는 것이 중요했기 때문이다.
메설손과 스탈은 이러한 문제를 해결하기 위해 대장균에 N15 동위원소로 표지된 DNA를 공급하여 실험을 진행하였다. 우선 N15 표지 DNA를 지닌 대장균을 배양하여 DNA 복제를 유도하였다. 그 결과 DNA는 자신의 염기서열을 유지하며 반보존적으로 복제되어 두 개의 DNA 분자가 생성되었다. 이때 하나는 기존의 N15 표지 DNA, 다른 하나는 새로 합성된 N14 DNA로 구성되어 있었다.
이어서 N15 표지 DNA를 지니고 있던 대장균을 N14 배지로 옮겨 배양하였다. 그 결과 세대가 거듭될수록 DNA 분자의 평균 밀도가 감소하여 결국 N14 DNA로 구성된 DNA만이 존재하게 되었다. 이는 DNA가 반보존적으로 복제되어 세대 간 전달된다는 사실을 보여주는 것이었다.
즉, 메설손-스탈 실험에서는 DNA가 복제 시 원래의 염기서열을 유지하며 두 개의 DNA 분자로 나누어지고, 이 두 개의 DNA가 각각의 세포로 분리되어 전달된다는 것을 밝혀냈다. 이러한 반보존적 복제 메커니즘은 유전 정보의 안정적인 전달을 가능하게 하였다.
2.2. 유전 정보의 전달 메커니즘
메설손-스탈 실험에 의해 DNA가 생명체 유전 정보의 주된 담지자라는 사실이 밝혀졌다. DNA는 반보존적 복제를 통해 해당 정보를 자손 세대로 전달한다.
DNA 복제는 두 가닥이 서로 다른 주형으로 작용하여 각각 새로운 가닥을 합성하는 방식으로 이루어진다. DNA 복제 과정에는 DNA 중합효소, 헬리케이스, 토포이소머라아제 등의 효소들이 관여하여 이중나선 구조를 풀어내고 새로운 가닥을 합성한다. 이들 효소는 DNA 복제 과정에서 발생할 수 있는 다양한 부작용들을 해결하는 역할을 수행한다.
유전 정보는 DNA로부터 RNA를 거쳐 단백질로 최종 전달된다. 이러한 유전 정보의 흐름은 중심 원리(central dogma)라 불리는데, DNA에 저장된 정보가 전사 과정을 통해 mRNA로 전달되고, 이 mRNA가 번역 과정에서 아미노산 서열을 지정하여 단백질이 합성되는 것이다.
전사 과정에서는 RNA 중합효소가 promoter 영역에 결합하여 DNA 주형 가닥의 염기 서열을 읽고 상보적인 RNA를 합성한다. 이렇게 생성된 mRNA는 핵 밖으로 이동하여 리보솜에서 번역 과정을 거치게 된다. 번역 과정에서는 tRNA가 코돈-아미노산의 대응 관계에 따라 아미노산을 공급하고, 리보솜이 이를 인식하여 펩타이드 결합을 형성하며 폴리펩타이드 사슬을 합성한다.
유전 정보의 전달 과정에는 다양한 조절 기작이 작용한다. 전사 단계에서는 전사 인자, 에피유전체...
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