13.2: 게놈 복사 오류

DNA 복제는 각 세포 분열 동안 수백만 개의 염기쌍을 높은 정확도로 복사하는 잘 진화된 과정입니다. 때때로 잘못된 베이스나 잘못된 베이스의 길게 늘어진 부분이 딸 가닥에 추가될 수 있습니다. 오류를 확인하지 않고 방치하면 세포는 생존을 위협할 수 있는 여러 돌연변이를 축적할 수 있습니다. 따라서 복사 오류는 세 가지 수준에서 확인되고 수정됩니다.

1. 교정 - 예를 들어 DNA 중합효소는 100,000개 염기당 1개의 잘못된 뉴클레오티드를 도입합니다. 이러한 오류는 DNA 중합효소에 의해 DNA 복제 자체 중에 감지되고 수정됩니다. 이 효소는 딸 가닥에서 잘못된 염기를 제거하고 이를 올바른 뉴클레오티드로 대체하는 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성을 가지고 있습니다.
2. 불일치 복구 - DNA 복구 효소는 복제 후 유사분열 이전에 DNA의 잘못된 염기 또는 점 돌연변이를 복구합니다.
3. DNA 손상 복구 경로 - DNA는 돌연변이 유발 물질로 인해 물리적 또는 화학적 손상을 받기 쉽습니다. DNA 손상 복구 메커니즘은 세포 주기 전반에 걸쳐 작동하며 점 돌연변이와 대규모 게놈 재배열을 복구할 수 있습니다. DNA 손상이 심하면 복구 경로가 세포 주기 진행을 차단하고 세포사멸을 시작합니다.

DNA 복제 중 오류 외에도 트랜스포손이라는 이동성 유전 요소로 인해 돌연변이가 발생할 수도 있습니다. 이는 DNA 가닥의 한 위치에서 다른 위치로 점프하여 삽입 위치에서 유전자 기능을 방해할 수 있는 작은 DNA 반복 요소입니다. 또한 역위, 유전자 복제를 일으키거나 새로운 유전자를 생성할 수도 있습니다. 트랜스포존에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 즉, DNA로 직접 전이되는 DNA 트랜스포존과 RNA 중간체를 통해 전이되는 RNA 또는 레트로트랜스포존입니다. 이 트랜스포존 중 일부는 염색체의 새로운 부위에 삽입되는 동안 표적 부위 중복을 초래합니다. 표적 부위에서의 이러한 복제는 유전자 복제를 초래할 수 있으며, 이는 세포 기능에 해를 끼칠 수 있습니다.

인간 세포가 분열할 때마다 DNA 중합효소는 30억 개 이상의 염기쌍을 높은 충실도로 복제하여 딸세포로 전달합니다.

그러나 복제되는 정보의 양이 너무 많기 때문에 DNA 중합효소는 복사하는 동안 때때로 오류를 범합니다. 예를 들어, 티민(thymine) 대신 시토신(cytosine)과 같이 새로 합성된 가닥에 잘못된 염기가 추가될 수 있습니다.

어떤 경우에는 낫 모양의 적혈구를 유발하는 베타 헤모글로빈 유전자에서 단일 뉴클레오티드가 GAG에서 GTG로 변하는 것과 같이 이러한 변화가 해로울 수 있습니다. 이로 인해 적혈구의 산소 운반 능력이 감소하여 겸상 적혈구 빈혈이 발생합니다.

유전자에서 여분의 염기가 추가되거나 삭제될 수도 있습니다. 이러한 돌연변이를 통칭하여 인델(indels)이라고 합니다. 낭포성 섬유증에서, CFTR 유전자에 추가되거나 삭제된 단일 염기는 유전자가 결함이 있는 단백질을 암호화하도록 판독 프레임을 이동할 수 있습니다. 이 단백질은 폐 상피 세포 밖으로 염화물 이온을 운반할 수 없어 두꺼운 접착제 같은 점액이 축적되어 폐 감염의 위험을 높입니다.

다행히도 이러한 복사 오류는 100,000 염기당 약 1 개의 오류로 낮은 빈도로 발생합니다.

또한 이러한 오류의 대부분은 DNA 중합효소의 교정 활성에 의해 복제 중에 수정되어 딸 세포로 전달되거나 DNA 복구 효소에 의해 복제 후 수정됩니다. 그럼에도 불구하고 드문 경우지만 오류가 복구 프로세스를 벗어나 다음 세대로 전달될 수 있습니다.

그러나 모든 돌연변이가 유기체에 해로운 것은 아니며, 대부분의 돌연변이는 중립적이며, 일부는 생존에 이점을 줄 수 있다.

항생제 내성은 돌연변이를 통해 발생할 수 있는 유익한 특성 중 하나입니다.

예를 들어, 항생제인 플루오로퀴놀론은 DNA 자이라제(DNA gyrase)라는 박테리아 효소에 결합하여 박테리아 성장을 억제합니다. 그러나 효소 DNA 자이라제(DNA gyrase)를 암호화하는 유전자가 무작위 염기 치환을 축적하면 효소의 돌연변이 버전이 생성됩니다. 항생제는 더 이상 이 돌연변이 효소에 결합할 수 없으며, 이는 항생제가 있는 경우에도 박테리아의 생존과 성장을 유도합니다.