DNA STRUCTURE AND REPLICATION

생물학개론 13주차 강의

DNA 구조와 복제

DNA의 구조와 복제 유전물질이 DNA임을 증명한 실험

DNA가 형질을 결정 유전물질은 단백질이 아니라 DNA DNA의 구조

DNA의 3차구조 (이중나선 구조; Double Helix) DNA의 상보적 결합 (A-T, G-C) DNA의 Packing.

DNA의 복제 (replication) 반보존적 (semi-conservative) DNA 복제 과정에 참여하는 단백질

DNA의 복구 (repair)

영화: 쥬라기 공원 재판에서 DNA 증거, 유전자 검사와 치료, 생물과 무생물을 구분하는 특징 중에서 생명의 연속성인 생식-이것이 결국 DNA에 의해 수행. DNA 단백질. 하지만 DNA가 생명의 결정적 역할을 하는 것이 알려지기까지 많은 시간이 걸림.

DNA의 중요성

유전물질이 DNA임을 증명한 실험 • 미셔 (Friedrich Miescher, 1869): 세포의 핵 속에서 질소와 인을 포함하는 산성물질을 발견 핵산이라 명명.

• 당시는 단백질이 유전물질이라 믿음. • 게로드 (1923): 대사질환 환자의 특정 단백질 결핍을 통해 단백질과 질환의 연관관계를 밝힘.

• 다른 학자들도 비 정상적인 초파리 등에서 단백질과의 관계를 주장

• 하지만 단백질이 어떻게 형질을 결정하는가는 알지 못했다.

그리피스의 실험 (1928) 폐렴쌍구균에는 병원성이 있는 S형과 병원성이 없는 R형이 존재

S(smooth)형 : 다당류 성분의 캡슐로 둘러싸여 군체가 미끄러운 모양. 다당류가 병원성의 원인

쥐에 주입시 페렴을 일으킨다.

열처리로 죽은 S형은 쥐에 폐렴을 일으키지 않는다.

R (rough)형 : S형의 돌연변이로 캡슐이 없어서 표면이 거칠다

페렴을 일으키지 않는다.

그리피스의 실험

• 열처리를 해서 죽은 S형과 살아있는 R형을 주사한 쥐는 죽는다

• 죽은 쥐의 폐에서 살아있는 R형 검출

• 죽은 S형에 있는 무엇인가가 R형을 S형으로 바꿔주었다.

• R형이 S형으로 형질이 전환됨

• 이 물질을 형질전환물질 (transformation particle)로 명명.

에이베리, 멕레오드, 맥카티의 실험

• 죽은 S형을 단백질분해효소로 처리하면 RS의 형질전환 일어남 단백질은 형질전환에 아무런 영향을 끼치지 않는다.

• 죽은 S형을 DNA 분해효소로 처리는 R형을 S형으로 형질전환이 안됨 DNA가 없으면 형질전환 안됨

• 죽은 S형에서 DNA 추출하여 살아있는 R에 주입, 죽음 • 그리피스가 발견한 형질전환의 정체는 DNA임을 밝힘

에이베리의 실험 후

여전히 학자들은 에이베리의 실험을 믿지 않았다.

왜?

단백질의 20개의 아미노산, DNA는 4개의 뉴클레오티드로 구성, 따라서 더 많은 정보를 암호화 가능하다 믿음.

핵산보다는 단백질에 대한 연구가 더 많았음

허시와 체이스의 실험 (1952) •대장균과 T4 파지 phage 이용 •파지 : 세균을 숙주로 사용해서 자손을 번식하는 바이러스 •한 개의 단백질 외투막과 한 개의 핵산으로 구성 •단백질과 DNA의 차이

•단백질에는 황 (32S)이 있고, DNA에는 인(31P)이 있음 •황과 인을 방사성 원소로 표지 •방사성 황 (35S) 이 든 배지에서 파지를 키우면 외투막이 방사성으로 표지 •방사성 인 (32P) 이 든 배지에서 키우면 파지의 DNA에서만 방사능 검출

허시와 체이스의 실험

• 그 후 대장균을 파지로 감염시킴

• 단백질이 유전물질이면 대장균 안에서 방사능 35S이 들어갈 것이고, DNA가 유전물질이면 대장균 안으로 방사성 32P가 들어갈 것임

• 감염된 대장균에서는 32P가 검출됨 유전물질은 DNA임이 증명

DNA 구조 • 레빈 : 핵산에서 리보오스와 디옥시리보오스를 발견

• RNA 와 DNA 의 차이를 밝힘 • 당 (리보오스, 디옥시리보오스), 염기, 인산이 하나씩 존재하고 염기는 4종류 (A,T,G, C)중 하나만 있다는 것을 밝힘

DNA의 구조 분석 • 1950년 초 DNA 구조를 보이는데 기여한 두 가

지 증거: 사가프: 아데닌/티민, 구아닌/시토신이 각각 동일한 농

도로 존재. 월킨스, 프랭클린: DNA에 X 선 투사, DNA는 뉴클레오

티드가 일정한 간격을 두고 있음. X선 회절패턴

• 1953년 왓슨, 크릭은 이중나선구조를 제안. 1962년 노벨상.

DNA의 구조 결정

DNA X-선 회절 모양

DNA 의 구조 • DNA는 이중나선 (double helix) • A-T의 염기쌍, G-C의 염기쌍의 수소 결합 • 축은 공유결합으로 연결된 당과 인산의 배열 • 이중고리를 갖는 퓨린 (아데닌, 구아닌) • 단일 고리를 갖는 피리미딘 (시토신, 티민) • 이중나선을 구성하는 두 개의 사슬이 서로 반대방향 (역평행)

DNA의 구조

• 46개 염색체, 30억 쌍의 DNA염기, 책에 적는다면 500페이지 책 4000권에 해당하는 분량.

• 약 2미터의 DNA가 어떻게 해서 100마이크론 이하의 세포의 핵 속에 들어가는가?

• 길다란 실이 실패에 감겨있는 것처럼 DNA가 단백질에 감겨 있음

• 히스톤 단백질 8개가 합쳐진 구조를 DNA가 2바퀴 감아 DNA+ 8x 히스톤 = 뉴클레오솜 구조 형성 (10 nm = 10-8 m)

• 뉴클레오솜(Nucleosome)이 꼬여 직경 30 nm의 구조물 형성 염색질 (Chromatin)

• 히스톤에 감긴다고 DNA의 본래 구조와 염기 서열이 변하는 것은 아님

• 하지만 히스톤에 감긴 채로는 DNA 복제나 RNA 전사가 불가능

DNA의 구조

• DNA는 꼬여있다

• 어떻게 40만분의 1 센티미터 세포에 들어갈까?

• 146개의 염기쌍이 8개의 히스톤 단백질: nucleosome core

• 166개의 염기쌍 9개의 히스톤: nucleosome

• 직경은 10nm 이고 이것이 다시 꼬여서 30nm의 구조물 형성 (염색질).

DNA의 구조

DNA의 반보존적 복제

• 메셀슨, 스탈: 반보존적 DNA의 복제 주장. • 방사성 질소와 일반 질소 (15N, 14N) 이용 • 15N 이 더 무거워 원심분리 가능 • 우선 15N를 갖는 배양액에서 대장균 배양. • 14N 에서 한 세대만 배양 (시간으로 조정) 후

DNA만 분리하여 원심분리 • 다시 한 세대 더 배양 후 DNA 분리 후 원심분리

DNA의 복제

• 복제 분기점 Replication fork: 복제가 일어나는

이중나선의 벌어진 부분들.

• 사람의 염색체에는 수많은 복제분기점이 있음.

복제분기점에서 여러 DNA 절편을 만든 뒤 이어

붙임 짧은 시간에 많은 DNA를 복제하는데 필

요.

DNA 복제에 필요한 필수품

• DNA 주형 (template)

• 4종류의 뉴클리오티드 (dNTP); dATP, dCTP,

dTTP, dGTP

• RNA primer (시발자)

• DNA polymerase (DNA 중합효소)

그 외 필요한 것들

• Helicase 헬리카제: 염기쌍의 사이의 수소결합을 끊는 효소

• 결합단백질 (single strand binding protein) : 주형 DNA 가닥이 다시 붙지 않게

• Primase 프리마제 : DNA 중합효소가 새로운 뉴클레오티드를 붙일 수 있는 RNA 시발자를 만든다.

• Ligase 연결효소: 당-인산 골격을 연결

여기까지 진행된 후…

• DNA 중합효소는 복제하는 동안 잘못 삽입된 염기를 잘라내고 교정하는 작업을 수행.

• DNA 중합효소는 디옥시리보스의 노출된 3’ 말단에 새로운 뉴클레오티드를 더해간다. 5’ 3’ 한 방향으로만 진행.

• 이때 선도 가닥(leading strand)은 문제 없지만, 후발 가닥(lagging strand)에는 문제가 생김

DNA 복제

• RNA 시발자를 제거한 뒤 DNA로 바꿔놓음

(DNA 중합효소 I)

• 일반적인 DNA 중합효소는 III임.

• Ligase 연결효소가 당과 인산

(monophosphate) 사이의 틈을 메워줌

DNA Repair (복구) • 염기쌍의 불일치 (Mismatch) : 복제시의 실수 자외선에 의한 손상

• 세포가 DNA를 합성할 때 복제가 잘 되었는지를 검사.

• 10만개당 한 개 정도로 에러 발생. • 자외선은 동일 사슬에 존재하는 인접한 2개의 티민 사이에 추가로 공유결합을 형성. • 인접한 티민 사이에 이량체 형성 • 이중나선에 비틀림을 일으키고 DNA 복제과정에 손상을 줄 수 있으므로 바로 잡아야함

DNA 복구 메커니즘 • 광활성화(photoreactivation):

photolyase 가 가시광선 에너지를 흡수하여 피리미딘 이량체 사이에 존재하는 공유결합을 제거

인간의 경우에는 광활성화는 불가능

• 절단 복구 (Excision repair): 불일치하는 부분을 잘라낸 다음 그 부분을 채워주는 것

염기 절단 복구, 뉴클레오티드 절단 복구, 불일치 복구, 등이 있다.

DNA Repair Pathways

G

T

T T

A A

G

C

G

C

A

T

G

C

U

G

Alkylation UV light Carcinogen

Alkylation Oxidation

Deamination Ionization radiaton

Replication errors

Direct repair

(MGMT)

Base-excision repair (BER)

염기절단복구

Nucleotide-excision repair (NER)

뉴클레오티드 절단복구

Homologous recombination (HR)

Nonhomologous end joining (NHEJ)

Mismatch repair (MMR)

불일치 복구