DNA 복제 과정

DNA 복제의 특징 요약

반보존성 (Semi-conservative) ☞ 주형 (template)

방향성 (5’→3’ Directionality)

중합성 (Polymerization)

 

 

*복제모델

보존적 (conservative) 복제 : parent DNA (2개의 strand)로부터 새로운 DNA 이중나선이 만들어지는 방식

반보존적 (semi-conservative) 복제 : parent DNA의 2개의 strand를 각자 주형으로 이용하여 새로운 2개 strand를 만드는 방식

분산적 (dispersive) 복제 : parent DNA의 단편을 복제한 다음 임의적으로 새로운 DNA 이중나선을 구성하는 방식

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  DNA 복제 메커니즘

1) DNA 복제는 2단계에 걸쳐서 일어난다. 두 가닥 사이의 수소결합이 풀린 다음 각각의 가닥이 새로운 염기쌍 형성에 참여한다. 새로 유입된 뉴클레오티드는 기존의 DNA 가닥에 한 분자씩 공유결합을 통해서 부착한다(3’-end). Deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP)에 존재하는 3개의 인산기는 5’-end에 부착되기 때문에 항상 기존 DNA 가닥의 3’-end의 free –OH group 하고만 결합하게 된다. 따라서 5’→ 3’ 방향성 3개의 인산기 가운데 2개가 방출될 때 발생하는 에너지를 이용하여 DNA를 합성하게 된다.

2) Replication complex

단백질 복합체에 의해서 DNA 복제가 일어난다. 복제복합체 (replication complex)는 염색체에 있는 복제 원점 (복제 기점: replication origin)을 인식 DNA 복제는 복제 원점을 기점으로 하여 양방향으로 진행한다. 이때 2개의 복제 분기점 (replication forks)을 형성 이후 연구에서는 복제복합체는 정지되어 있으며 DNA가 이를 통과하면서 복제가 일어난다는 모델도 제시되고 있다.

3)  Replication origin (복제 원점)

DNA 복제는 복제 원점 (replication origin)에서부터 양방향으로 진행된다. (E. coli에서는 단일의 ori 부위) 복제 분기점 (replication fork)은 DNA가 풀리면서 염기 노출 진핵생물의 염색체는 선형이어서 다수의 복제 원점이 존재한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Replication complex 구성 단백질

1) DNA Helicase: ATP 가수분해시 방출되는 에너지를 이용하여 DNA의 두 가닥을 푸는 역할을 수행

2) Single-Strand Binding Proteins (단일 사슬 결합 단백질): DNA 각 가닥에 결합해서 다시 재결합을 못하게 함

3) DNA Topoisomerase: 복제과정 시작 전-후에는 DNA 분자는 서로 맞물려있기 때문에 topoisomerase를 이용하여 분리함

4) DNA polymerase

DNA polymerases는 새로운 사슬을 만들 수는 없고 기존에 있는 가닥 (primer)에 뉴클레오티드를 부착시키는 것만 가능하다. DNA 복제에서는 DNA 주형가닥과 상보적 염기서열을 가지는 짧은 길이의 DNA 혹은 RNA가 primer로서 사용된다. (주로 RNA) Primase가 primer를 합성한다.

 

 

*Primosome 주요 구성요소: Helicase, ssDNA binding proteins, Primase, DNA polymerase

대부분의 세포는 하나 이상의 DNA polymerase를 가지고 있으나 실제로 염색체 DNA의 복제과정에는 이 가운데 하나만 작용한다. (원핵생물: DNA polymerase III /진핵생물: DNA polymerase δ/ε ) 다른 DNA polymerase는 primer 치환이나 DNA 손상 복구과정에서 주로 역할을 하고 있다. DNA polymerase는 processive 한 특성이 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. DNA 복제 과정

1) DNA는 항상 5’→3’ 방향으로만 합성되기 때문에 (역평행 구조) DNA 이중나선의 2개의 가닥은 합성방식이 달라야 한다. 2개의 DNA 가닥이 복제복합체를 통과하는 과정에서 Leading strand (선도 가닥)은 정상적인 방향으로서 연속적인 DNA 합성이 일어난다. (분기점 → DNA가 풀리는 안쪽; 점차적으로 진행)  Lagging strand (지연 가닥)은 반대방향으로서 안쪽 → 바깥쪽 (분기점)으로 나오면서 단속적인 합성이 일어난다.

 

2) Lagging strand의 합성

Lagging strand에서의 DNA 합성은 비연속적으로 작은 크기의 오카자키 절편 (Okazaki fragments)을 이용하여 일어난다. (원핵생물: 1,000~2,000 nucleotides / 진핵생물: 100~200 nucleotides ) 각각의 Okazaki 절편도 합성되기 위해서는 RNA primase가 만드는 RNA primer가 필요하다. (leading strand는 1개만 필요) DNA polymerase III가 primer의 3’-end 다음부터 DNA 합성을 개시하는데 다음번 Okazaki fragment 부위까지 진행된다. (이 지점에 오게 되면 DNA로부터 이탈) DNA polymerase I이 RNA primer를 제거하면서 DNA로 대체 DNA ligase가 두 개의 Okazaki fragments를 인산디에스터 결합 (phosphodiester linkage)을 통해 연결; lagging strand 합성 완성된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) DNA 복제 시 말단의 문제점

Lagging strand의 복제는 RNA primer에 Okazaki fragment가 부착되는 형식이기 때문에 선형 DNA의 최종 말단에서는 primer를 결합시킬 수 없게 된다. 이때 남는 단일 가닥의 DNA 부위 overhang은 잘려나가게 된다. 따라서 DNA의 복제가 일어날 때마다 염색체를 구성하는 DNA 분자는 이 priming 부위만큼 조금씩 짧아지게 된다 (telomere)

 

4)  Telomere (말단소체)

Telomerase 대부분의 진핵생물 염색체 말단에는 telomere (말단소체)라고 하는 반복 서열이 있어서 세포분열을 할 때마다 조금씩 짧아지게 된다. 인간 telomere의 서열은 (TTAGGG)n, n 25,000 일정 횟수 이상 세포분열을 하게 되면 이 telomere가 점차 짧아지게 되어서 어느 순간부터는 더 이상 염색체 구조가 안정이 되지 않게 되고 그 결과 세포분열은 멈추게 된다 ☞ 노화를 설명하는 하나의 기작으로 생각 골수, 생식세포, 줄기세포 그리고 대부분의 암세포에서는 telomerase라고 하는 효소 (자체적으로 상보적인 RNA를 가지고 있음)를 발현시키고 있어서 telomere가 짧아지지 않게 한다.