본문내용
1. 분자생물학의 역사와 발전
1.1. DNA의 발견과 구조 규명
프리드리히 미셔는 인간의 백혈구에서 DNA를 최초로 분리하였다. 그는 DNA에 인(phosphorus)를 다량 포함하고 있다는 것을 발견하여 nuclein이라 명명하였고, DNA가 핵 내에 많이 존재한다는 것을 알아냈다. 멘델은 유전인자의 존재를 발견하였으며, 보베리와 서턴은 염색체 이론을 정립하여 체세포 분열과 생식세포 분열 과정에서 염색체 수의 변화를 관찰하였다. 모건은 초파리 실험을 통해 염색체가 특정 형질을 발현시킨다는 것을 발견하였다.
그리피스는 폐렴균 실험에서 열처리한 병원성 S형 폐렴균을 비병원성 R형 폐렴균과 섞었을 때 R형 폐렴균이 병원성을 획득하는 현상을 관찰하였고, 이를 통해 유전 물질이 DNA일 것이라 추정하였다. 에이버리, 맥클로드, 맥카티는 S형 폐렴균을 분쇄하여 DNA를 분리하고 R형 폐렴균과 섞었을 때 병원성이 나타나는 것을 보여주어 DNA가 유전 물질임을 주장하였다.
차가프는 DNA의 염기 조성이 A-T와 G-C의 비율이 같다는 것을 발견하였고, 허시와 체이스는 박테리오파지가 세균을 감염할 때 DNA만 주입된다는 것을 확인하였다. 프랭클린, 윌킨스, 왓슨, 크릭은 DNA 이중나선 구조를 규명하였다. DNA는 두 개의 polynucleotide chain이 이중나선 구조를 형성하고 있으며, 그 내부에 A, T, G, C의 염기들이 쌍을 이루며 배열되어 있다. 이러한 염기 간 상보적 결합에 의해 DNA의 유전 정보가 보존되고 전달될 수 있다.
1.2. 유전물질과 염색체 이론의 발전
멘델은 유전자의 개념을 발견하였고, 보베리와 서튼은 염색체가 체세포 분열과 생식세포 분열에서 역할을 한다는 것을 관찰하였다. 이를 통해 염색체 이론이 발전하였다. 그리고 모건은 초파리 실험을 통해 염색체가 특정 형질을 발현시킨다는 것을 밝혀내었다. 한편, 그리피스는 폐렴균 실험을 통해 유전 물질이 DNA일 것이라는 가설을 제시하였고, 에이버리와 동료들은 이를 확인하였다. 즉, DNA가 유전 물질이라는 사실이 밝혀진 것이다. 이후 샤가프는 DNA의 염기 조성이 일정하다는 사실을 발견하였고, 허시와 체이스는 박테리오파지가 DNA만을 주입한다는 것을 확인하였다. 마지막으로 프랭클린, 윌킨스, 왓슨과 크릭은 DNA의 이중나선 구조를 규명함으로써 유전물질과 염색체 구조에 대한 이해가 크게 발전하였다.
1.3. 유전자 발현 및 유전 정보의 전달
유전자 발현 및 유전 정보의 전달이다. DNA의 유전 정보가 전사에 의해 RNA로 복사되고, 이 RNA가 번역 과정에서 아미노산 서열을 가진 단백질로 합성되는 것이 유전정보 발현의 핵심 과정이다.
RNA 중합효소가 DNA의 프로모터 부위에 결합하여 전사를 개시한다. 프로모터의 염기서열에 따라 RNA 중합효소의 작용이 조절되며, 전사 인자들의 결합으로 전사 활성이 조절된다. 전사 개시 후 RNA 중합효소가 주형 DNA를 따라 이동하며 RNA를 합성하는데, 이 과정에서 일부 염기들이 제거되고 다른 서열이 추가되어 최종적인 성숙 mRNA가 완성된다.
핵 내에서 합성된 mRNA는 핵공을 통과하여 세포질로 이동한다. 이때 mRNA에는 번역에 필요한 특수한 구조들이 형성되어 있다. 세포질에서 리보솜이 mRNA에 결합하여 아미노산을 차례로 연결하며 단백질이 합성된다. 이 과정에서 tRNA가 특정 아미노산을 운반하고 리보솜이 이를 인식하여 단백질 사슬이 연장된다.
단백질 합성 후에는 단백질이 적절한 입체 구조로 접히도록 다양한 보조 인자들이 작용한다. 또한 불필요한 단백질은 분해 과정을 통해 제거된다. 이러한 일련의 과정을 통해 유전 정보가 최종적으로 기능을 발휘하는 단백질로 전환된다.
2. DNA의 구조와 성질
2.1. DNA 이중나선 구조
DNA는 두 개의 폴리뉴클레오티드 사슬로 이루어진 이중 나선 구조이다. DNA 백본은 인산과 2'-deoxyribose로 구성되며, 내부에는 염기들이 쌍을 이루며 존재한다. 이 염기쌍은 서로 반대방향(antiparallel)으로 배열되어 있다. 한 나선에서 매 10.5 염기쌍마다 1회전하는 구조를 가지며, 직경은 약 2nm이다.
염기쌍 사이에는 수소결합이 존재하는데, 아데닌(A)과 티민(T) 사이에는 2개의 수소결합이, 구아닌(G)과 시토신(C) 사이에는 3개의 수소결합이 형성된다. 이러한 상보적 염기 결합 덕분에 DNA는 복제 과정에서 염기 서열이 보존될 수 있다.
염기들은 각각 두 개의 타우토머 형태를 가지는데, 이 중 가장 안정한 형태로 결합한다. 아데닌과 구아닌은 주로 아미노 그룹이 결합한 형태로, 티민과 시토신은 주로 케토 그룹이 결합한 형태로 존재한다.
DNA는 대부분 오른나사 방향으로 감겨있는 B형 이중나선 구조를 가지나, 환경 조건에 따라 다양한 형태의 변형이 가능하다. 높은 습도에서는 B형 구조가, 낮은 습도에서는 A형 구조가 주로 나타난다. 또한 염도가 높은 환경에서는 left-handed Z형 구조가 나타나기도 한다.
DNA 이중나선 구조에 열이나 pH 변화가 가해지면 수소결합이 끊어져 단일 가닥 구조로 분리되는 변성(denaturation) 현상이 일어난다. 반대로 변성된 단일 가닥이 다시 수소결합을 형성하여 원래의 이중나선 구조로 돌아가는 것을 재결합(renaturation)이라 한다. 또한 변성된 단일 가닥은 다른 DNA 가닥과 결합하여 새로운 이중나선 구조를 형성할 수 있는데, 이를 하이브리드화라 한다.
2.2. 염기쌍과 수소결합
DNA의 염기쌍과 수소결합이다. DNA는 두 개의 polynucleotide chain이 이중나선 구조를 형성하고 있는데, 이때 DNA의 내부에는 염기들이 쌍을 이루며 구성되어 있다. 염기들은 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C)의 네 종류가 있다. 이 중 A는 T와, G는 C와 특이적으로 결합하여 염기쌍을 이루게 된다. A와 T는 두 개의 수소결합으로, G와 C는 세 개의 수소결합으로 연결되어 있다. 이러한 염기들 간의 상보적인 결합에 의해 복제 후에도 염기 서열이 보존되어 유전이 가능하다. 또한 염기들 사이의 전자 공유를 통한 stacking interaction에 의해서도 DNA 구조가 안정화된다. 염기들은 tautomer 형태로 변형될 수 있는데, 이는 DNA 합성 과정에서 오류를 일으킬 수 있다. 따라서 염기들의 상보적인 결합과 수소결합이 DNA의 안정성과 유전 정보 보존에 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다.
2.3. DNA 염기 서열의 다양성
DNA 염기 서열의 다양성은 유전 정보를 저장하고 전달하는 DNA의 고유한 특성이다. DNA는 4종류의 염기로 구성되어 있으며, 이들 염기가 다양한 순서로 배열되어 방대한 유전 정보를 저장할 수 있다. 인간의 유전체가 약 30억 개의 염기쌍으로 구성되어 있으며, 이는 DNA 염기의 배열 조합을 통해 나타나는 다양성을 보여준다. 또한 염기의 배열 차이에 따라 유전자와 단백질의 구조와 기능이 달라질 수 있어, 생물체의 고유한 형질과 특성이 발현되는 근간이 된다. 더욱이 DNA 복제 과정에서 발생할 수 있는 오류나 변이에 의해 염기 서열이 달라지면 새로운 유전 정보가 만들어지기도 한다. 이처럼 DNA 염기 서열의 다양성은 생명체의 복잡성과 진화의 기반이 되며, 생물학적 연구와 응용 분야에서 필수적인 요소로 작용한다. 따라서 DNA 염기 서열의 다양성은 생명체의 유전 정보 저장과 발현, 진화적 변화 등을 가능하게 하는 근본적인 특성이라 할 수 있다.
3. DNA 복제와 유지
3.1. 복제 Fork와 복제 기작
DNA 복제 과정에서 DNA 이중나선은 열리면서 복제 포크(replication fork)가 형성되고, 새로운 상보적인 DNA가 합성된다. 복제 포크에서는 두 가지 방향으로 진행되는 복제 기작이 일어나는데, 선도 가닥(leading strand)에서는 연속적으로 DNA가 합성되지만, 지연 가닥(lagging strand)에서는 불연속적으로 단편(Okazaki fragment)이 합성된다.
복제 포크에서 DNA 이중나선이 열리면 주형 가닥으로 사용되고, DNA 중합효소(DNA polymerase)에 의해 새로운 DNA가 합성된다. DNA 중합효소는 화학적 구조가 달라 두 가지 작용을 한다. 하나는 선도 가닥에서 연속적으로 DNA를 합성하고, 다른 하나는 지연 가닥에서 불연속적으로 Okazaki 단편을 만들어낸다. 이때 Okazaki 단편들은 나중에 연결되어 하나의 연속적인 DNA 가닥을 형성한다.
복제 포크의 진행과 함께 DNA의 topology가 변화하게 되는데, 선도 가닥이 계속 합성되면서 이중나선이 풀려 주변 DNA에 음의 supercoiling이 발생한다. 이를 해소하기 위해 토포아이소머라아제(topoisomerase)가 작용하여 DNA 이중나선을 적절히 풀어준다. 토포아이소머라아제는 ATP를 소모하며 DNA 가닥을 일시적으로 절단하고 다시 연결하여 DNA 토폴로지를 조절한다. 이를 통해 복제 포크의 진행을 원활히 하고 DNA 손상을 방지한다.
따라서 복제 포크에서는 DNA 중합효소에 의한 연속적인 선도 가닥 합성과 불연속적인 지연 가닥 합성, 그리고 토포아이소머라아제의 DNA 토폴로지 조절 작용이 유기적으로 이루어져 DNA 복제가 정상적으로 진행된다. 이러한 복제 기작은 유전 정보의 정확한 전달을 보장하여 세포 분열과 성장에 필수적이다.
3.2. DNA 토폴로지와 Supercoiling
DNA는 단순한 직선 구조가 아닌 복잡한 토폴로지(topology)를 가지고 있다. DNA에는 두 가지의 토폴로지적 변형인 twist와 writhe가 존재하는데, twist는 DNA 이중나선의 꼬임 정도를 나타내고 writhe는 DNA 분자 전체가 얼마나 구부러져 있는지를 나타낸다.
DNA의 twist number(Tw)는 DNA 이중 가닥이 꼬여있는 횟수이고, linking number(Lk)는 DNA 이중 가닥을 완전히 풀기 위해 회전시켜야 하는 횟수이다. 이때 Lk는 Tw와 writhe(Wr)의 합으로 표현되는데, Lk = Tw + Wr이다. 이 linking number는 DNA 이중 나선 구조가 변화하더라도 항상 일정하게 유지된다.
DNA가 가장 안정된 상태에서의 linking number는 Lk°(Lk not)이라고 하는데, DNA가 어떤 형태로 감겨있는지에 따라 Lk와 Lk°가 다를 수 있다. Lk와 Lk°의 차이를 ΔLk라고 하며, ΔLk가 음수(-)이면 negative supercoiling, ΔLk가 양수(+)이면 positive supercoiling 상태라고 한다.
DNA는 대부분 negative supercoiling 상태로 존...
