21.11: DNA 복제

DNA 복제에는 이중 나선의 두 가닥이 분리되는 과정이 포함되며, 각 가닥은 새로운 상보 가닥이 복사되는 주형 역할을 합니다. 복제 후, 각 이중 가닥 DNA에는 하나의 모 가닥 또는 "오래된" 가닥과 하나의 "새" 가닥이 포함됩니다. 이를 반보존적 복제라고 합니다. 생성된 DNA 분자는 동일한 서열을 가지며 두 개의 딸세포로 동일하게 나뉩니다.

원핵생물에서의 복제

DNA 복제에는 수많은 단백질과 효소가 사용됩니다. 효소 헬리카제는 DNA의 두 가닥을 분리합니다. 헬리카제는 DNA를 따라 이동하면서 두 가닥을 분리하여 복제 분기점(Replication Fork)으로 알려진 Y자 모양의 구조를 형성합니다. 그 후, 효소 프리마제는 DNA 합성을 담당하는 효소인 DNA 중합효소에 의한 DNA 합성을 시작하기 위해 프라이머로 알려진 짧은 RNA 가닥을 추가합니다. 박테리아에서는 DNA 중합효소의 세 가지 주요 유형, 즉 DNA pol I, DNA pol II 및 DNA pol III이 알려져 있습니다. DNA pol III은 DNA 합성에 필요한 효소입니다. DNA pol I과 DNA pol II는 주로 복구에 필요합니다. DNA pol III은 주형 가닥의 뉴클레오티드에 각각 상보적인 디옥시리보뉴클레오티드를 성장하는 DNA 사슬의 3'-OH 그룹에 하나씩 추가합니다. DNA 중합효소 III은 5'에서 3' 방향으로만 확장될 수 있습니다. 이러한 뉴클레오티드를 추가하려면 에너지가 필요합니다. 이 에너지는 아데노신 삼인산(ATP)의 인산 결합에 에너지가 저장되는 방식과 유사하게 각 뉴클레오티드에 부착된 세 개의 인산기 결합에 존재합니다. 인산염 사이의 결합이 끊어지고 이인산염이 방출되면 방출된 에너지로 인해 탈수 합성에 의해 공유 포스포디에스테르 결합이 형성됩니다.

DNA 이중나선은 역평행입니다. 즉, 한 가닥은 5'에서 3' 방향으로 배열되고 다른 가닥은 3'에서 5' 방향으로 배열됩니다. 복제 동안, 3'에서 5' 모체 DNA 가닥에 상보적인 한 가닥은 중합효소가 이 방향으로 뉴클레오티드를 추가할 수 있기 때문에 복제 분기점을 향해 연속적으로 합성됩니다. 이렇게 연속적으로 합성되는 가닥을 선도 가닥이라고 합니다. 5'에서 3'의 모 DNA에 상보적인 다른 가닥은 복제 분기점에서 멀어지므로 중합효소는 복제 분기점에서 멀어지는 방향으로 다시 복제 분기점에서 멀어지는 방향으로 새로운 프라이머에 염기를 추가하기 시작하기 위해 복제 분기점 쪽으로 다시 이동해야 합니다. 이전에 합성된 가닥에 부딪힐 때까지 그렇게 한 다음 다시 뒤로 움직입니다. 이 단계에서는 각각 RNA 프라이머로 분리된 오카자키 단편으로 알려진 작은 DNA 서열 단편이 생성됩니다. 오카자키 단편이 있는 가닥은 지연가닥으로 알려져 있으며, 그 합성은 불연속적이라고 합니다.

DNA 중합효소 III에 의해 합성된 후 DNA 중합효소 I의 엑소뉴클레아제 활성에 의해 프라이머가 제거되고 틈이 채워집니다. 새로 합성된 DNA(RNA 프라이머를 대체한)와 이전에 합성된 DNA 사이에 남아 있는 닉은 한 DNA 단편의 3'-OH 말단과 다른 단편의 5' 인산 말단 사이의 공유 포스포디에스테르 결합 형성을 촉매하는 효소 DNA 리가제에 의해 밀봉되어 DNA 분자의 당-인산 백본을 안정화시킵니다.

진핵생물에서의 복제

진핵생물 게놈은 원핵생물 게놈보다 훨씬 더 복잡하고 크며 일반적으로 여러 개의 선형 염색체로 구성됩니다. 예를 들어 인간 게놈에는 반수체 염색체 세트당 30억 개의 염기쌍이 있으며 복제 중에 60억 개의 염기쌍이 삽입됩니다. 각 진핵생물 염색체에는 여러 복제 기원이 있습니다. 인간 게놈에는 30,000~50,000개의 복제 기원이 있습니다. 복제 속도는 초당 약 100개의 뉴클레오티드로-원핵생물 복제보다 10배 느립니다.

진핵생물의 복제의 필수 단계는 원핵생물의 복제 단계와 동일합니다. 복제가 시작되기 전에 DNA를 주형으로 사용할 수 있어야 합니다. 진핵생물의 DNA는 고도로 초나선으로 되어 있고 포장되어 있으며, 이는 히스톤을 포함한 많은 단백질에 의해 촉진됩니다. 복제가 시작된 후 원핵생물에서 발견되는 것과 유사한 과정에서 진핵생물의 DNA 중합효소에 의해 신장이 촉진됩니다. 선도가닥은 진핵생물의 중합효소인 pol δ에 의해 연속적으로 합성되는 반면, 지연가닥은 pol ε에 의해 합성된다. 박테리아에서처럼 DNA 중합효소 대신 리보뉴클레아제 H(RNase H) 효소가 RNA 프라이머를 제거한 다음 DNA 뉴클레오티드로 대체합니다. 남아 있는 틈은 DNA 리가제에 의해 밀봉됩니다.

원핵생물과 마찬가지로 진핵생물의 DNA 중합효소는 5'에서 3' 방향으로만 뉴클레오티드를 추가할 수 있습니다. 선도 가닥에서 합성은 염색체 말단에 도달하거나 반대 방향으로 진행되는 또 다른 복제 분기점에 도달할 때까지 계속됩니다. 지연 가닥에서 DNA는 짧은 길이로 합성되며, 각각은 별도의 프라이머에 의해 시작됩니다. 복제 분기점이 선형 염색체 말단에 도달하면 염색체 말단에 복사할 DNA 단편에 대한 프라이머를 만들 수 있는 곳이 없습니다. 따라서 이러한 끝은 짝을 이루지 않은 상태로 유지되며 시간이 지남에 따라 세포가 계속 분열됨에 따라 점차 짧아질 수 있습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Microbiology, Chapter 11.2: DNA Replication.

DNA 복제는 기존 가닥을 주형으로 사용하여 새로운 DNA 가닥을 합성하여 발생합니다. 두 개의 새로운 이중 나선은 각각 원래의 주형 가닥과 새로 합성된 딸 가닥을 포함하며 따라서 이 과정은 반보존적복제로 불리웁니다. 복제를 시작하기 위해 효소인 헬리카제는 DNA 나선을 풀고 두 가닥 사이의 수소 결합을 끊습니다.

그 다음 복제 포크로 알려진 Y형 구조를 형성하는 개별적인 가닥을 분리하는데 여기서 주형 가닥은 추가 효소에 의해 접근할 수 있습니다. 또 다른 효소인 프리메이즈는 프라이머라고 하는 짧은 RNA 단편을 각 주형 가닥에 추가합니다. 이러한 프라이머는 DNA 중합 효소가 기존 가닥에만 뉴클레오티드를 추가할 수 있기 때문에 DNA 합성에 필수적입니다.

DNA 중합 효소는 모든 주형 DNA 가닥에서 성장하는 딸가닥에 추가됩니다. 뉴클레오타이드의 추가는 DNA 쌍 규칙에 따라 원래의 DNA 가닥의 서열에 의해 유도됩니다. 딸가닥 중의 하나인 선도가닥의 합성은 복제 포크 이동 방향으로 발생합니다.

다른 가닥인 지체가닥은 반대 방향으로 합성됩니다. 이로 인해 선도가닥이 연속 중합체로 합성되는 반면 지체가닥은 짧은 단편으로 합성됩니다. 이는 DNA가 5'에서 3'방향으로만 합성될 수 있기 때문에 발생합니다.

성장하는 중합체에 첨가되기 전에 뉴클레오티드는 디옥시리보뉴클레오사이드 삼인산염으로 존재하며 3개의 인산염이 당에서 다섯 번째 탄소에 부착됩니다. 이 자유 뉴클레오티드 삼인산염은 3'히드록실기와 반응합니다. 이는 성장하는 가닥의 끝에 있는 당의 세 번째 탄소에 부착된 OH입니다.

이 반응은 피로인산염을 방출하고 두 뉴클레오티드 사이에 포스포디에스테르 결합을 형성합니다. 새로운 가닥인 RNase H 또는 DNA 중합효소의 추가 변형을 합성한 후 프라이머를 제거하고 그 자리에 DNA를 합성합니다. 단편 사이의 틈새는 DNA 리가제로 밀봉되어 연속 가닥을 생성합니다.

뉴클레오티드의 추가는 두 복제 포크가 서로 만날 때까지 계속되며 결국 복제가 완료됩니다.