DNA의 교정 및 수선/염색체의 구성이란?(+말단소체)

저번 글에서는 DNA 복제의 구체적인 과정에 대해 살펴보았습니다. 이번 글에서는 DNA의 교정과 수선 과정, 그리고 염색체의 구성에 대해 알아보겠습니다.

1. DNA의 교정과 수선

 초기 염기쌍의 오류는 10^5개의 염기쌍 중 1번 꼴로 꽤 빈번합니다. 그러나 복제가 완벽히 끝난 DNA 분자에서 오류 확률을 조사하면 100억 개의 뉴클레오타이드 중 1개 꼴로 오류가 10만 분의 1 감소합니다. 바로 DNA 복제 과정 동안 DNA 중합 효소가 새 가닥의 뉴클레오타이드를 교정하기 때문입니다. 잘못된 염기쌍을 발견하면 중합효소는 합성을 다시 합니다. 간혹 잘못된 염기쌍이 그대로 존재할 수도 있습니다. 그때 이것을 수선하는 과정이 짝틀림 수선(mismatch repair)입니다. 만약 수선효소에 문제가 있다면 암이 유발될 수 있습니다. 복제 후에도 잘못된 염기쌍이 만들어지거나 뉴클레오타이드에 돌연변이가 나타날 수 있습니다. 예를 들어, DNA 분자는 유해한 약품 등에 손상을 받거나 정상 세포 환경에서도 스스로 화학적인 변화가 일어나기도 합니다. 일반적으로 DNA에 변화가 생겼을 때 다행히 수선됩니다. 모든 세포는 유전물질의 변화 감지 및 수선 가능한 시스템을 가집니다. 인간의 경우 170여 종의 수선효소가 있습니다.

 DNA에서 잘못 연결된 뉴클레오타이드를 수선하기 위해 DNA의 염기쌍 구조를 이용합니다. 핵산분해효소(nuclease)는 손상된 DNA 가닥의 부위를 절단하고, 그것에 의해 생긴 틈을 DNA 중합효소와 연결효소가 채웁니다. 이렇게 DNA를 수선하는 것을 뉴클레오타이드 절제 수선(nucleotide excision repair)이라고 합니다. 그런데도 오류가 발생하여 딸 분자에서까지 보존되기도 합니다. 이것을 돌연변이(mutation)라고 합니다. 돌연변이는 한 생물체의 표현형을 바꿀 수 있으며, 생식세포에서의 돌연변이는 다음 세대로 전달됩니다. 즉, 자연선택이 작용 가능한 변이의 시작이라고 볼 수 있습니다.

-DNA 분자의 말단 복제

 진핵생물의 염색체 DNA는 선형으로, DNA 복제가 반복될수록 짧은 DNA 분자가 생깁니다. 왜냐하면 RNA 프라이머가 제거되면 뉴클레오타이드를 붙일 수 있는 3' 말단이 없기 때문입니다. 이와 비교해 원핵생물은 말단이 없는 원형 염색체를 가지므로 이러한 문제는 없습니다. 선형 염색체의 경우 짧아지면 없어지는 유전자도 있을 텐데 그럼 이것을 어떻게 보호할 수 있을까요? 바로 말단소체(telomeres)라는 뉴클레오타이드 서열이 있습니다. 말단소체는 유전정보를 가지지는 않으며, 짧은 뉴클레오타이드 서열이 반복적으로 이루어집니다. 인간의 경우, TTAGGG가 100~1000번 정도 반복되는 말단소체를 가지고 있습니다. 말단소체의 기능은 2가지입니다. 말단소체 DNA와 관련된 특정 단백질이 딸 분자의 엇갈린 말단에 의해 DNA 손상 점검 시스템이 활성화되지 않도록 합니다. 그리고 유전자들이 소실되는 것을 지연시킵니다. 말단소체는 복제가 반복됨에 따라 점점 짧아지며, 이것은 노화 과정과 연관이 있을 것으로 보입니다. 말단소체가 짧아지는 것은 체세포의 세포분열 수를 제한해 암으로부터 보호할 수 있습니다. 그렇다면 말단소체는 계속 짧아지기만 하는 것일까요? 그렇지는 않습니다. 텔로머레이스(telomerase)라는 효소가 진핵생물의 생식세포에서 말단소체가 길어지도록 합니다. 말단소체의 원래 길이는 보존됩니다. 텔로머레이스의 활성은 암에 걸린 체세포에서 높습니다. 텔로머레이스가 암세포를 유지하도록 하는 것입니다. 이렇듯 말단소체와 텔로머레이스는 암과 관련해 연구도 진행되고 있습니다.

2. 염색체의 구성

 이제 DNA가 구성하는 염색체에 대해 알아보겠습니다. 세균의 유전체는 단백질이 소량으로 있는 이중나선 원형 DNA 분자 1개입니다. 세균 세포의 한 부분에 밀집된 DNA는 핵양체(nucleoid)라고 하며, 이것은 핵막에 싸여 있지 않습니다. 진핵세포 염색체는 이와 달리 많은 단백질이 결합된 선형 DNA 분자 1개로 이루어집니다. 인간에서는 뉴클레오타이드 염기쌍 1.5x10^8개로 이루어져 있습니다. 이것은 4cm 길이이며, 1개의 염색체만 고려한 것입니다. DNA와 단백질의 복합체는 염색질(chromatin)이라고 하며, 핵 안에 채워집니다. 염색질이 어떻게 포장되어 있는지 공부해 보겠습니다. 우선 DNA 이중나선은 지름이 약 2nm이며, 히스톤(histone) 단백질이 이와 결합합니다. 히스톤 단백질은 4가지 유형이 가장 흔합니다. 8개의 히스톤 단백질을 중심을 두 번 감은 DNA는 뉴클레오솜(nucleosome)이라고 합니다. 이것이 DNA 포장의 기본 단위라고 할 수 있습니다. 세포주기 중 DNA가 복제되는 동안이나 전사 과정에서 히스톤이 DNA와 유리됩니다. 뉴클레오솜의 히스톤 꼬리가 연결 DNA를 통해 다른 뉴클레오솜 꼬리와 결합하면 10nm 섬유가 감겨 30nm 지름의 염색질 섬유를 만들도록 합니다. 그리고 이것은 염색체 골격에 붙어 고리 형태를 만들고, 300nm 섬유가 됩니다. 체세포분열 염색체에서 이 고리 형태는 염색질을 응축해 중기 염색체를 만듭니다. 세포주기 중 간기 동안에 염색체의 어떤 부위가 응축되어 보이는 구조가 나타나는데 이것을 이질염색질(heterochromatin)이라고 합니다. 이와 비교해 진정염색질(euchromatin)은 덜 응축되고 퍼져 있습니다. 이번 글에서는 DNA 복제의 구체적인 과정, 말단소체, 염색체의 구성에 대해 알아보았습니다. 다음 글에서는 유전자의 발현에 대해 공부하겠습니다.