진핵생물에서의 복제

개요

진핵세포(eukaryotic cell)의 DNA 복제(replication)는 고도로 보존되고 엄격하게 조절됩니다. 여러 개의 선형(linear) 염색체는 세포 분열 전에 높은 정확도(fidelity)로 복제되어야 하기 때문에 복제 과정에서 전문화된 역할을 하는 단백질이 많습니다. 복제는 개시(initiation; 시작), 연장(elongation; 신장), 종결(termination; 종료), 이렇게 세 단계로 이루어지며, 종결 후엔 핵 안에 두 개의 완전한 염색체 집합이 있게 됩니다.

많은 단백질이 복제기점에서 복제를 조정합니다.

진핵 DNA 복제는 원핵 DNA 복제와 동일한 여러 원리들을 따르지만, 유전체가 훨씬 더 크고 염색체가 원형이 아니라 선형이기 때문에 더 많은 단백질이 필요하며, 따라서 몇 가지 중요한 차이를 보입니다. 복제는 각 염색체를 따라 여러 복제기점(origin of replication; origin; 복제원점)에서 동시에 일어납니다. 개시 단백질(initiator protein)은 복제기점을 인식해 결합하고, DNA 이중 나선을 풀기 위해 나선효소(helicase; 헬리케이스)를 모집합니다. 각 복제기점에서 2개의 복제 분기점(replication fork; 복제 포크)이 형성됩니다. 그런 다음 프리메이즈(primase; 프라이메이즈)가 DNA의 단일 가닥에 짧은 RNA 프라이머(RNA primer; RNA 시발체)를 추가하는데, 이 프라이머는 DNA 중합효소(DNA polymerase; DNA 폴리머레이스)가 결합하고 염기서열을 복제하기 시작하는 출발점 역할을 합니다. DNA는 5’에서 3’ 방향으로만 합성될 수 있으므로, 복제가 한 복제 분기점의 양쪽 가닥에서 두 방향으로 진행됩니다. 선도가닥(leading strand; 앞서는 가닥)은 연속해서 합성되는 반면, 지연가닥(lagging strand; 뒤쳐지는 가닥)은 길이가 100-200개의 염기쌍으로 짧게 합성되는데, 이를 오카자키 절편(Okazaki fragment; 오카자키 분절)이라고 부릅니다. 복제가 거의 완료되면 RNase(ribonuclease; 리보핵산가수분해효소) 효소가 RNA 프라이머를 제거하고 DNA 연결효소(DNA ligase)가 새로운 가닥의 틈을 채웁니다.

중합효소 간 복제 작업의 분업

진핵생물의 DNA를 복제하는 작업은 여러 종류의 DNA 중합효소 간 분업됩니다. 모든 유기체의 DNA 중합효소 계열은 단백질 구조와 아미노산 서열의 유사성에 따라 분류됩니다. 처음 발견된 계열은 A, B, C, X로 불렸고, Y, D 계열은 나중에 확인되었습니다. 진핵생물의 B 계열 중합효소( Family B polymerase)는 복제 분기점의 프리메이즈 역할도 하는 Pol α와 DNA 복제 작업의 대부분을 하는 효소 Pol δ와 Pol ε(각각 주형(template)의 지연가닥과 선도가닥에서 작업)을 포함합니다. 다른 DNA 중합효소는 DNA 손상을 복구하고, 미토콘드리아와 색소체(plastid) DNA를 복사하고, RNA 프라이머가 제거된 후 지연가닥의 DNA 서열의 틈새를 채우는 것과 같은 작업을 담당합니다.

텔로미어는 염색체의 끝을 분해로부터 보호합니다

진핵생물 염색체는 선형이기 때문에 끝부분에서 분해되기 쉽습니다. 염색체의 끝에는 중요한 유전 정보를 손상으로부터 보호하기 위해 텔로미어(telomere; 말단소체)가 있습니다. 텔로미어는 비암호화(non-coding; 비부호화; 논코딩)되고 고도로 보존된 G-rich(즉 구아닌(guanine)이 많은) 서열이 반복된 DNA 구간입니다. 염색체의 양쪽 끝에 있는 짧은 단일 가닥 3’ 돌출부는 핵 내에서 염색체를 안정시키는 특수 단백질과 상호작용합니다. 매 세포 분할 시 텔로미어 구간 일부는 지연가닥이 합성되는 방식 때문에 복제될 수 없습니다. 그 결과, 텔로미어는 여러 세포 주기를 거치며 점점 짧아지고, 따라서 세포 노화의 지표로 측정될 수 있습니다. 생식세포(germ cell)와 줄기세포(stem cell) 같은 특정 세포군은 텔로미어를 연장하는 효소인 텔로머레이즈(telomerase; 텔로머레이스)를 발현하여 텔로미어가 짧아지기 전에 세포가 더 많은 세포 주기를 거칠 수 있도록 만듭니다.