I. DNA Replication과 Telomere
■ DNA의 복제시작
- Origin of replication : DNA가 복제되기 시작하는 부분을 말한다.
- Replication of fork : DNA 이중나선 구조가 분리되고 새로운 DNA가 합성되는 Y자 구조
- Prokaryotes (원핵생물) : single origin / circular DNA
- Eukaryotes(진핵생물) : Multiple origin / linear DNA
■ Telomere(텔로미어)
- telomere란, 양 끝단 dna에 존재하고 단백질을 코딩하지 않고 BUFFER 용도의 DNA임.
- 텔로미어가 세포분열을 할 때마다 짧아지고 다 없어지면 Apoptosis : 세포의 자살유도
- 진핵세포에만 있는 구조로 노화의 원인으로 지목
- 사람의 일부세포 중 생식세포, 암세포에서는 텔로미어를 만드는 효소인 telomerase 존재하여 텔로미어 복구 가능함.
- 암세포와 달리 생식세포는 체계적이고 복구기작이 더 좋아서 mutation 문제 더 적음
- 염색제의 단완을 p, 장완을 q라 함.
II. DNA polymerase(DNA 중합효소)와 RNA polymerase(RNA 중합효소)의 작용과 그 차이점
■ DNA polymerase와 RNA polymerase의 공통과정
1) 새로 합성되는 DNA(or RNA)는 주형가닥과 상보적(complementary)이다.
2) 새로 합성되는 DNA(or RNA)는 주형가닥과 반대방향(anti paralell)이다.
- DNA중합효소와 RNA중합효소 모두 주형가닥을 3' to 5' 방향으로 읽고 5' 에서 3' 방향으로 각각 DNA (or RNA)를 합성
- 중합효소는 항상 5'to 3' 방향으로만 합성한다는 게 매우 중요
■ DNA 중합효소와 RNA 중합효소의 차이점
1) Primer의 필요여부
- DNA 중합효소는 바로 주형가닥 DNA 부착하여 작동할 수 없다
- 먼저, RNA primer라는 짧은 RNA 염기서열이 주형가닥에 붙은 뒤 그 뒤로 붙어 DNA 중합효소가 작동된다.(위 그림에 붉은 화살)
- RNA 중합효소는 primer 없이 바로 주형가닥에 붙어 상보적인 RNA를 만들어낸다
2) 사용되는 핵산의 차이
- DNA 중합효소는 dNTP(deoxyribose)를 이용하고, RNA 중합효소는 NTP(oxyribose)를 이용
- DNA의 합성 시 주재료는 dNTP, NTP(triphosphate)고, 결합 시 인산결합 두 개를 소모하여 DNA 자체에는 dNMP, NMP(monophosphate)가 남고, 핵산끼리 PDE(phosphodiester) 결합을 형성함.
- RNA 중합효소의 경우 주형가닥에 A(아데닌)이 있을 경우 T(티민)이 아니라 U(유라실)이 만들어짐
3) Proofreading activiy의 유무
- DNA 중합효소의 경우 5' to 3'으로 DNA를 중합하다가 오류가 발생할 경우 3' to 5' 방향으로 되돌아가 수정할 수 있음
- DNA 중합효소는 수정할 수 있는 3' to 5' exonuclease 가 존재하기 때문
- DNA의 오류는 암으로 이어질 수 있기 때문에 수정기능이 존재
- RNA의 경우 수명이 DNA 대비 매우 짧아 오류가 발생해도 상대적으로 괜찮음, Proofreading activity X
| DNA polymerase | RNA polymerase | |
| 합성하는 핵산의 종류와 방향 | 5' to 3' , DNA | 5' to 3' , RNA |
| 요구하는 주형가닥의 종류 | DNA (3' to 5' 방향으로 읽음) | DNA (3' to 5' 방향으로 읽음) |
| 요구하는 핵산기질 | dATP, dGTP, dTTP, dCTP | ATP, GTP, UTP, CTP (RNA에서는 thymine 말고 uracil ) |
| 프라이머 필요 | 필요함(대부분 RNA primer) | 필요없음 |
| Proofreading activity (3' to 5' exonuclease) |
있음 | 없음 |
| * 일부 바이러스의 경우 주형가닥을 RNA로 이용할수도 있음(역전사) | ||
III. DNA의 복제과정 : 선도가닥과 지연가닥(Leading strand and lagging strand)
■ Replication Fork
- DNA의 복제가 시작되는 지점
- Helicase가 DNA 사이 수소결합을 끊고, 이중가닥을 풀어냄
- 한 복제원점에 양방향으로 복제가 시작되기 때문에 두 개의 선도가닥, 두 개의 지연가닥 발생
■ Leading strand (선도가닥합성)
1) primase가 primer를 5' to '3으로 합성함
2) DNA 중합효소가 primer에 이어 replication fork 쪽으로 합성함
3) Helicase(◀)가 지속적으로 DNA 이중가닥을 푼다
> 선도가닥은 helicase가 dna이중가닥을 푸는 방향대로 진행되기 때문에 continuous 함.
■ Lagging strand (지연가닥합성)
1) primase가 primer를 5' to 3'으로 합성함
2) DNA 중합효소가 primer에 이어 replication fork와 멀어지는 쪽으로 합성함
3) DNA 중합효소가 합성하다 primer를 만다면 합성은 중단된다(이를 Okazaki fragment)
4) Helicase(◀)가 복제원점을 더 확장하면 새로운 Okazaki fragment가 추가됨
> 지연가닥은 helicase가 이중바닥을 푸는 반대방향으로 진행되기 때문에 short discontinous segment를 만듦
IV. DNA의 복제 과정 : RNAase와 DNA ligase 작용과 그 외의 효소들
■ RNase H (5' exoribonuclease)의 작용
- RNA를 제거하는 효소로, 만들어진 rna primer를 제거한다
- 제거한 RNA를 DNA 중합효소가 DNA로 메꾼다
- 원핵생물(prokaryotic cell)의 경우 DNA polymerase I 이 RNase H의 역할을 수행한다
■ DNA ligase
- RNA 프라이머가 제거되고, DNA로 채워진 곳에서 작용하는 효소이다
- DNA의 사이에 phosphodiester bond를 형성하며 DNA를 완전히 연결해 준다.
■ DNA topoisomerase
- DNA helicase가 DNA이중나선을 풀기 전 DNA를 relaxing 해주는 효소이다
- Break helix or remove supercoli
■ Single-stranded binding protein
- 분리된 DNA 가닥의 안정성을 유지하기 위한 단백질
- DNA의 degradation 억제
- DNA의 reannealing 억제 (분리한 DNA가 서로 다시 붙는 걸 억제함)
V. 원핵세포와 진핵세포에서 DNA복제과정의 차이점, 총정리
| Replication Step | Prokaryotic cell(원핵세포) | Eukaryotic cell(진핵세포) |
| Origin of replication | one site | multiple site |
| unwinding DNA double helix | Helicase | |
| stabilization of DNA strand | Single-stranded DNA binding protein (SBB) | |
| synthesis of RNA primer | Primase | |
| synthesis of DNA | DNA polymerase III | DNA polymerase α + δ |
| remove of RNA primer | DNA polymerase I | RNase H |
| Replacement of RNA with DNA | DNA polymerase I | unknown |
| Joining of Okazaki fragment | DNA ligase | |
| Removal of supercolis of DNA | DNA topoisomerase II (DNA gyrase) |
DNA topoisomerase II |
| Synthesis of Telomeres | X | Telomerase |
VI. DNA 복제과정과 관련된 임상활용
■ DNA topoisomerase 관련
- DNA의 복제과정에서 DNA를 이완하는 효소
- 원핵생물의 DNA gyrase를 타깃으로 하는 항생제 : Quinolones
- 사람의 DNA topoisomerase를 타깃으로 하는 항암제 : Etopocide
- scleroderma(전신경화증)에서 Anti-topoisomerase Ab 발견가능