본문내용
1. DNA 구조와 복제 메커니즘
1.1. DNA의 정의와 구조
DNA는 DeoxyriboNucleic Acid의 줄임말로, 이중나선 구조로 되어있는 고분자화합물이다. DNA는 4종류의 뉴클레오타이드가 중합 과정을 통해 연결된 가닥으로 이루어져 있으며, 스스로를 복제하고 유전정보를 통해 유전자 발현이 일어나게 하는 역할을 한다. 디옥시리보스와 인산기가 중합 과정을 통해 사슬 한 가닥의 뼈대를 이루고, 핵염기들이 서로 상보적인 수소 결합을 통해 염기쌍을 이루며 이중나선을 만든다. 이중나선 구조는 DNA의 기능을 수행하는데 필수적이며, 유전정보를 저장하는 데 수소 결합으로 유지되기 때문에 쉽게 풀렸다 닫힐 수 있다. 이 때문에 이중나선은 유전자 발현을 위해 일부분이 풀렸다가 닫히고 세포 분열 과정에서 완전히 풀리면서 복제된다.
1.2. DNA 복제 과정
DNA는 두 가닥의 폴리뉴클레오타이드가 이중나선 구조를 이루고 있는 고분자화합물이다. DNA 복제는 이중나선 구조를 풀어내어 각각의 가닥을 주형으로 삼아 새로운 DNA 분자를 합성하는 과정이다. DNA 복제는 DNA 복제 효소인 DNA 중합효소에 의해 이루어지며, 이 과정에서 DNA 미스매치가 발생할 수 있다.
DNA 복제 과정은 다음과 같다. 먼저 DNA 이중나선 구조가 풀리면서 양쪽 가닥이 분리된다. 그리고 각 가닥을 주형으로 하여 새로운 상보적인 가닥이 합성된다. 이때 DNA 중합효소가 4종류의 뉴클레오타이드(A, T, G, C)를 이용하여 새로운 가닥을 합성한다. 새로 합성된 가닥은 원래 가닥과 상보적인 염기 서열을 가지게 된다. 즉, 원래 가닥의 A는 새로운 가닥의 T와 쌍을 이루고, G는 C와 쌍을 이루는 식이다. 이렇게 복제가 완료되면 두 개의 동일한 DNA 분자가 생성된다.
DNA 복제 과정에서 DNA 중합효소가 새로운 가닥을 합성할 때 간혹 잘못된 뉴클레오타이드를 삽입하는 경우가 있으며, 이를 DNA 미스매치라고 한다. DNA 미스매치가 발생하면 다음 세대에 돌연변이가 발생할 수 있으므로, DNA 미스매치를 신속히 수정하는 것이 중요하다. DNA 미스매치 수정 기전은 대장균에서 잘 알려져 있는데, MutS, MutL, MutH 단백질 등이 관여한다. 이 단백질들은 미스매치를 인식하고 새로 합성된 가닥을 절단한 후 DNA 중합효소가 새롭게 합성하도록 한다. 이를 통해 정확한 염기 서열이 유지될 수 있다.
따라서 DNA 복제 과정에서 발생할 수 있는 DNA 미스매치를 신속히 수정하는 것이 유전 정보의 정확한 전달을 위해 매우 중요하다. 이와 같은 DNA 미스매치 복구 기전은 대장균을 비롯한 다양한 생물종에서 보편적으로 발견되며, 인간에게서도 유사한 메커니즘이 작용한다.
1.3. DNA 복제 기전
DNA 복제는 DNA 중합효소에 의해 진행되며, 이 과정에서 DNA 중합효소는 약 105 중 1번 정도 상보적이지 않은 염기 쌍을 만들어내는 실수를 하게 된다. 이렇게 상보적이지 않은 염기 쌍을 DNA 미스매치라고 하며, 사람의 전체 염기 쌍 중 약 30,000개 정도가 이러한 미스매치가 된다.
그러나 DNA 중합효소는 자체적으로 이러한 DNA 미스매치를 인식하고 제거할 수 있는 기능을 가지고 있다. 먼저 DNA 중합효소는 합성한 DNA의 일부를 제거하고 다시 합성하는데, 이를 통해 107 중 1번 정도의 미스매치만 남게 된다.
미스매치가 발생한 DNA 이중나선은 국소적으로 왜곡되어 있는데, MutS라는 단백질이 이를 인식한다. MutS는 MutL 단백질과 결합하여 MutH 단백질을 활성화시키고, MutH는 미스매치가 발생한 DNA 가닥을 절단한다. 그 후 제거된 부분을 DNA 중합효소가 새롭게 합성함으로써 미스매치가 없는 DNA로 복구된다.
이때 중요한 것은 새로 합성된 가닥과 원래의 가닥을 구별하는 것인데, 이는 DNA 염기에 결합된 메틸기를 통해 이루어진다. 원래의 가닥에는 메틸기가 결합되어 있지만, 새로 합성된 가닥에는 메틸기가 없기 때문에 메틸기가 없는 가닥이 새로 합성된 가닥임을 알 수 있다.
사람의 경우에도 대장균과 유사한 방식으로 DNA 미스매치가 복구되며, 이러한 DNA 미스매치 복구 시스템에 문제가 발생하면 대장암, 방광암, 자궁내막암 등이 발생할 수 있다. 따라서 DNA 미스매치 복구 메커니즘은 유전 정보 보존에 매우 중요한 역할을 한다.
1.4. DNA 복제 오류와 미스매치 수정
DNA는 4종류의 뉴클레오타이드가 중합 과정을 통해 연결된 가닥으로 이루어져 있으며, DNA 중합효소에 의해 복제가 이루어진다. 그러나 DNA 중합효소는 복제 과정에서 약 105번 중 1번 정도 상보적이지 않은 염기들끼리 쌍을 이루는 실수를 한다. 이렇게 상보적이지 않은 염기쌍을 DNA 미스매치라고 하며, 사람이 가진 전체 염기쌍의 개수가 약 30,000개 정도 발생할 수 있다.
DNA 중합효소는 자체적으로 DNA 미스매치를 인식하고 합성된 DNA를 제거한 뒤 새롭게 합성하는 능력을 가지고 있다. 이를 통해 107번 중 1번 정도의 DNA 미스매치만 발생하지만, 여전히 300개 정도의 미스매치가 존재할 수 있다. 이러한 DNA 미스매치들은 다음 복제 과정에서 완전히 다른 염기쌍으로 바뀌게 되어 영구적인 돌연변이가 될 수 있다. 따라서 DNA 복제 과정에서 발생하는 미스매치를 신속하게 복구하는 것이 중요하다.
DNA 미스매치 복구 메커니즘은 대장균에서 잘 알려져 있다. DNA 미스매치가 발생하면 이중나선 구조가 국소적으로 왜곡되고, MutS 단백질이 이를 인식한다. MutS는 MutL 단백질과 결합한 후 MutH 단백질을 활성화시켜 미스매치가 형성된 DNA 가닥을 절단한다. 그리고 절단된 가닥 부분이 제거되고 DNA 중합효소에 의해 새롭게 합성되면서 미스매치가 복구된다. 이때 원래 가닥과 복제된 가닥을 구분하기 위해 염기에 결합한 메틸기를 이용한다.
사람의 경우에도 대장균과 유사한 방식으로 DNA 미스매치가 복구되며, 이러한 DNA 미스매치 복구 시스템의 문제가 발생하면 대장암, 방광암, 자궁내막암 등의 질환이 발생할 수 있다. 따라서 DNA 미스매치 복구 기전은 유전정보를 정확하게 전달하는 데 매우 중요한 과정이다.
2. DNA 손상과 복구 메커니즘
2.1. DNA 손상의 종류
DNA는 산화적 스트레스, 자연발생 탈아미노화와 같은 내인성 손상과 전리 방사선, 자외선, 항생제와 같은 외인성 손상으로 구분할 수 있다. 내인성 손상은 세포 대사 과정에서 생성되는 활성 산소 및 질소 화합물들에 의해 발생하며, 염기들이 알킬화되거나 변성되는 형태로 나타난다. 외인성 손상은 환경 요인에 의해 발생하는데, 전리 방사선은 DNA의 화학적 구조를 직접 변화시키고, 자외선은 인접한 시토신 염기들 간의 공유결합 형성을 유도하여 이분자체를 형성한다. 또한 일부 화합물들은 DNA 염기와 결합하여 변성을 일으킨다. 이렇게 다양한 원인에 의해 DNA가 손상되면 ...
