세균의 DNA 복제

-. 세균의 DNA 복제기구는 분리되어 그 기능이 시험관 내에서 탐구되었다.

대장균 복제기구는 많은 서로 다른 단백질 성분들로 구성되어 있는데, 복제가 시작되기 전에 DNA상에서 조립되어야 한다. DNA 복제의 첫 단계는 개시로써 세균 염색체상에 유일한 장소에서 복제기구의 조립이 일어나는 것을 포함하고 있다. 이들 단백질의 일부는 복제 과정에 더 이상 참여하지 않는다. 개시 단계 다음은 신장(elongation)으로 선도가닥에서는 연속적인 합성이 일어나고 지체가닥에서는 불연속적인 합성이 진행된다. 복잡한 복제기구는 DNA 신장에 요구된다. 복제의 마지막 단계는 종결로써 두 복제 분기점이 대략 세균 DNA 분자의 절반 되는 지점에서 서로 만날 때 시작된다.

-. 돌연변이 연구는 세균의 DNA 복제에 관여하는 효소들의 중요한 정보를 제공한다.

분자생물학자들은 복제의 특정 단계를 차단하는 돌연변이체 연구를 통해 DNA 복제 과정에 관한 상당한 지식을 얻을 수 있었다. DNA 합성에 대한 결핍은 치명적이기 때문에, 대부분의 연구에 필요한 복제 돌연변이체들은 온도에 민감한 성격을 지닌다. 초기 복제 돌연변이체들은 그 변형된 유전자들의 기능들을 알기 이전에 분리되었으므로 dna A, dnaB, dnaC 등등으로 명명되었다. 돌연변이체 분석에 의해 동정된 유전자들의 일부는 DNA 복제에 직접적이기 보다 간접적으로 영향을 준다는 것이 나중에 알려지게 되었다. 예를 들면, 처음 dnaF로 명명된 유전자는 리보뉴클레오티드를 데옥시리보뉴클레오티드로 바꾸어 주는 효소인 리보뉴클레오시드 이인산 환원효소의 소단위체에 대한 구조 유전자로 알려지면서 nrdA로 개명되었다. 복제 과정이 더욱더 알려지게 되면서, 그리고 추가적인 돌연변이체들이 발견되면서, 연구자들은 새로운 유전자를 그 기능에 따라 명명하게 되었다. 예를 들면, gyrA와 gyrB는 DNA gyrase 내의 2개의 소단위체에 대한 구조 유전자들로, 그들의 기능에 따라 명명하게 된 경우이다.

-. 복제단위 모델은 DNA 복제가 시작될 때 개시단백질이 복제서열이라 불리는 DNA 서열에 결합해야 한다는 사실을 제안하고 있다.

비록 유전자들이 더욱 큰 염색체의 일부분으로써 복제되지만, 대부분은 독립적인 단위로 복제될 수는 없다. 독립적으로 복제하는 DNA 단위는 세균의 염색체나 플라스미드로 세포 내에서 안정적인 존재로서 유지되는 소위 레플리콘이라 불리는 복제단위이다.

1960년대 초반 프랑소아 쟈코브와 시드니 브레너는 DNA 분자가 어떻게 자체적으로 복제하는지를 설명하는 레플리콘 모델을 제안하였다. 레플리콘 모델은 개시단백질과 복제서열, 2개의 특정 성분이 필요하다. 개시단백질은 레플리콘 내의 특정 세트의 서열인 복제서열에 결합한다. 복제서열은 복제되는 DNA의 일부분이기 때문에 이를 cis-acting으로 부른다. 복제서열에 결합하면, 개시단백질은 DNA가 풀리도록 돕고 복제기구의 성분들을 끌어들인다. DnaA 단백질이 세균 DNA 복제의 개시단백질이다.

복제서열 내의 특정 위치 즉, 복제가 시작되는 지점을 복제 원점이라 한다. 세균 세포들은 일반적으로 하나의 복제 원점이 필요하다. 세균의 복제서열이 일반적으로 매우 짧으므로, 기술적으로 "복제 원점"이 "복제서열"의 일부임에도 불구하고, "개시서열"과"복제 원점"이라는 용어는 서로 같은 말로 통용된다. 진핵세포의 염색체는 세균 염색체보다 훨씬 크므로 많은 복제 원점이 필요하다.

-. 대장균 염색체의 복제는 oriC 상에서 일어난다.

대장균의 복제 원점은 oriC로서 대장균 염색체 지도의 84분 지점에 있고 있다. 대장균 염색체의 큰 크기와 부서지기 쉬운 성질 때문에 oriC의 구조와 기능을 시험관 내에서 온전한 염색체 상태로 연구하는 데 어려움이 있었다. 운이 좋게도 oriC 구조와 기능은 시험관 내에서 그 복제에 oriC에 의존하는 플라스미드를 제작함으로써 시험관 내에서 연구될 수 있었다. 이 플라스미드를 제작하는 데 이용되는 방법을 소개하였다. 제한효소를 사용하여 세균 염색체를 절단하여 절편들로 조각을 낸다. 동일한 제한효소를 사용하여 플라스미드 DNA를 잘라 약제 저항성 유전자를 포함하지만 복제 원점은 지니고 있지 않은 조각으로 만든다. 서로 섞어 준 후, 세균과 플라스미드 DNA를 DNA 결합효소로 연결하고, 형성된 재조합 플라스미드 DNA를 이용하여 세균을 형질전환 시킨 후 형질전환된 세균들을 앰피실린이 포함된 배지 위에 도말한다. 오로지 약제 내성 유전자와 oriC만을 지니는 재조합 플라스미드 DNA만이 이 생장 조건에서 군체를 형성한다. 세포 내부의 핵산분해효소들은 결국 자체적으로 복제하지 못하는 DNA를 부수게 된다. 플라스미드 복제에 필요한 최소 oriC 염기서열은 클로징된 oriC 지역의 양 끝을 잘라 내는 일련의 실험을 통해 245 bp의 길이로 결정되었다.

대장균 oriC는 또 다른 하나의 독특한 특질을 갖고 있다. 완전히 무작위적인 뉴클레오티드 서열에 기초할 때, 우리는 oriC가 하나 또는 2개의 GATC 자리를 갖고 있을 것으로 예상할 수 있다. 사실, oriC는 몇 개의 GATC 자리를 갖고 있는데, 이 사실은 이 지점들이 진화 과정에서 보존된 중요한 기능을 포함할 것을 강하게 제시하고 있다. 이 GATC 자리들은 실제로 DNA 복제를 조절하는 데 관여한다.