[분자생물학] DNA 복제 과정과 특성 (개시, 신장, 종결)

개시 (원핵 생물 기준)

DNA 복제가 개시되려면 DNA Polymerase가 단일 사슬에만 결합하기 때문에 이중 나선이 분리되어야 합니다.

복제 원점은 DNA 이중나선이 분리되는 지점이고 이중 결합을 하는 A, T가 많고 삼중 결합을 하는 G, C 비율이 낮습니다.

 

- 원핵 생물은 복제 원점이 1개이며, 복제 단위(한 번에 복제하는 양)가 큽니다.

- 진핵 생물은 복제 원점이 여러 개이며, 복제 단위가 작습니다.

 

먼저 복제 원점(공통 서열)을 인식하는 DnaA가 DNA 이중나선을 뒤틀어 복제 기포를 만듭니다.

+ 양방향성 복제 기포는 계속 커지고, 일방향성 전사 기포는 크기가 일정합니다.

이후 DnaC의 도움으로 DnaB(= Helicase)가 지연 가닥의 복제 분기점에 붙습니다. (셋 다 ATP 소모함)

 

DnaB(= Helicase)는 이중나선을 단일 가닥으로 푸는 것을 촉진합니다.

- 양방향성이지만, 복제할 때만 지연가닥의 5' 말단에서 3' 말단으로 이동합니다. (= 주형가닥에서의 이동 방향)
- 두 가닥 사이의 틈이 있어야 작용할 수 있으며, 이 때 단일 가닥의 길이가 어느 정도 있어야합니다.
- SSB(= 단일가닥 결합 단백질, 안정화 역할)가 있을 때 작용이 잘 일어납니다.

 

마지막으로 DnaG(= Primase)가 RNA Polymerase로써, (3'-OH 필요없음)

주형 가닥의 3' 말단을 인식하여 RNA 프라이머(OH기 제공)를 붙여줌으로써 개시가 끝나게 됩니다.

 

+ gyrase(topoisomerase II, DNA 회전효소)는 양성 초나선을 음성 초나선으로 바꿔 안정화시킵니다.

 

DNA는 기본적으로 우나선성(양성, 시계)이므로 반시계 방향으로 Strain(Lk = Tw + Wr)을 받고 있습니다.
Helicase에 의해 이중 나선을 단일 가닥으로 열어나갈수록 나선 구조의 앞쪽이 더 꼬여버리므로,
gyrase가 음성 초나선(반시계, Wr < 0)으로 바꾸어 주는 것입니다. (끊었다가 다시 연결)

** EtBr과 반응시키면 초나선형은 EtBr 삽입이 잘 안 일어나 밀도가 크고, 선형은 잘 일어나 밀도가 작습니다.

 

 

신장 (원핵 생물 기준)

DNA Polymerase III가 RNA 프라이머에서부터 주형가닥과 상보적인 뉴클레오타이드들을 연결해나갑니다.

5'->3' polymerase의 작용으로 붙이다가 잘못 붙이면 3'->5' exonuclease의 작용으로 제거하고 다시 붙여나갑니다.

 

DNA Polymerase III의 작용은 다음 RNA 프라이머를 만날 때까지 지속됩니다.

위의 그림에서 형광펜으로 동그라미 친 부분에 대해서 자세히 그려보겠습니다.

 

다음 RNA 프라이머를 만나면 DNA Polymerase III이 떨어지고,

DNA Polymerase I이 와서 RNA 단위체를 하나씩 dNTP로 바꿉니다. (dNTP에 인산기 있어서 ATP 사용 X)

그러다가 다음 DNA 절편을 만나면 인산기가 1개밖에 없어서 연결을 못하고 떨어집니다.

이 때 생기는 틈은 Ligase가 ATP를 소모하여 연결합니다.

 

 

정리하면 DNA Polymerase의 효소(Polymerase의 일부분)들은 다음과 같은 기능을 합니다.

 

5'->3' polymerase activity는 5'에서 3' 방향으로 dNTP들을 붙이는 역할이고 I과 III 모두 가능합니다.

3'->5' exonuclease activty는 교정판독을 하며 잘못된 연결을 제거하는 역할이고 I과 III 모두 가능합니다.

5'->3' exonuclease activity도 마찬가지이나 III은 RNA 프라이머를 제거하지 못하므로 I만 가능합니다.

** 잘못된 염기를 찾아 분리하기 시작할 때에는 endonuclease(핵산중간분해효소)가 작용합니다.

+ DNA Polymerase II는 기능이 밝혀지지 않았습니다.

 

클레나우 절편은 DNA Polymerase I의 큰 조각을 부르는 말이고, 5'->3' pol~과 3'->5' exo~의 기능을 합니다.

(물론 작은 조각은 5'->3' exo~의 기능을 하겠죠.)

 

+ 방사성 표지 후 즉시 원심분리하는 Pulse-labelling 실험과

   방사성 표지 및 배양 후, 비표지 배지에서 배양하는 Pulse-chase 실험을 수행하면 위와 같습니다.

 

 

 

종결 (진핵 생물 기준)

진핵 생물의 선형 DNA는 지연 가닥 말단에 Primer가 붙어있던 자리는 DNA 복제 시마다 손실됩니다.

(주형 가닥의 3' 말단 쪽에는 TTAGGG가 반복되는 중간 빈도 반복 서열 텔로미어가 있습니다.)

 

암세포나 배아세포(초기), 조혈모세포 등에는 역전사효소(RNA로 DNA 역전사) Telomerase가 있어서,

5' 말단에 TTAGGG와 상보적인 CCCUAA를 가지고 있어 텔로미어를 신장시키는 역할을 합니다.

 

Telomerase에 의한 신장 이후 혼자만 돌출된 3' 말단은 위와 같은 고리 구조를 형성해 exonuclease(핵산외부가수분해효소)로부터 분해되는 것을 막습니다.