진핵세포의 DNA 복제

-. SV40 DNA 복제 시스템은 시험관 내의 진핵세포 DNA 복제의 좋은 표본이다.

우리는 진핵세포의 복제 연구를 SV40 DNA 복제를 살펴봄으로써 시작하는데, 이 시스템은 진핵세포 DNA 복제에 관한 많은 정보를 제공하고 있기 때문이다. SV40 DNA는 공유 결합적으로 닫힌 원형 이중나선 구조로 하나의 복제 원점을 갖고 있다. 그러므로 이것의 복제는 진핵세포의 복제기구의 성분 중 여러 개의 복제 원점이 있어야 하는 복제를 동조하는 것들이나 복제 과정 중에 짧아지는 염색체 말단부를 신장시키는 것들을 필요로 하지 않는다. 1984년 조아침 리와 토마스 켈리는 SV40에 감염된 원숭이 세포로부터 유도된 수용성 추출물이 SV40 DNA를 복제할 수 있음을 설명하였다. 차후의 연구는 감염되지 않은 원숭이 세포로부터의 추출물 역시 바이러스에 암호화된 큰 종양 항체가 첨가되면 SV40 DNA를 복제하는데, 이 단백질은 개시자와 나선풀림효소로 작용한다고 설명하였다. 숙주세포는 SV40 DNA 복제에 요구되는 다른 모든 효소를 제공한다.

6개의 동일한 T 항원 단백질 분자는 결합하여 나선풀림효소를 형성하여 SV40 복제 원점에 결합한다. 그러나 이 부위 중 단지 64bp만이 이른바 중심서열이라 불린다. 중심 서열 양면의 필수적이지 않은 서열들은 개시 과정을 촉진한다. 이후의 연구를 통해 어떻게 T 항원이 DNA를 푸는지를 결정해야 하며, 복제 분기점에서 복제기구의 조립 단계를 설명해야 할 것이다.

T 항원은 진핵세포의 단일사슬 DNA 결합단백질과 함께 작용하여 DNA 중합효소 alpha-프라이머합성효소인 네 소단위체 단백질 복합체를 새로 발달하는 복제 버블로 이끈다. 프라이머를 합성할 수 있는 유일한 진핵세포 효소인 Pol alpha는 개시 단계에서 필수적인 참여자이다. 그 결정구조는 아직 결정되지 못했으나, 두 가지의 구별되는 촉매 활성을 갖는데 그것은 프라이머합성효소와 DNA 중합효소 활성으로서 서로 다른 소단위체로 분리되어 있다. 다른 2개의 소단위체는 중요한 구조적 기능을 담당하는 것으로 나타나지만 효소활성은 아직 밝혀진 바 없다. 포유류의 Pol alpha는 교정 활성을 갖고 있지 않다. 프라미어합성효소는 8 내지 12 뉴클레오티드 길이의 RNA 올리고머를 형성하는데, 이것이 DNA 합성의 프라이머로 작용한다. 이후 약한 연속 진행성을 갖는 Pol alpha DNA 중합효소는 15 내지 25개의 데옥시리보뉴클레오티드를 첨가한 후 DNA 주형으로부터 떨어진다. 따라서 Pol alpha에 의해 합성된 올리고뉴클레오티드는 짧은 DNA 조각과 연결된 RNA 프라이머이다. 개시자 DNA 분자의 첫 번째 쌍은 중심서열의 어느 한쪽 면에 형성되는데, 선도가닥에 대한 프라이머로 작용한다. Pol alpha에 의해 형성된 개시자 DNA 분자는 복제 과정의 나중 단계에 지체가닥 합성의 프라이머로 작용한다.

-. 진핵세포의 복제기구는 긴 선형 이중체들을 복제하기 위해서는 다수의 복제 원점을 갖고 있어야 한다.

세균과 진핵세포 DNA 복제의 주된 차이점은 세균 염색체가 공유 결합적으로 닫힌 원형이지만 진핵세포의 염색체는 긴 선형 이중체이기 때문에 발생한다. 이 차이는 다음과 같은 중요한 결과를 야기한다.

1. 세균 염색체는 단일 복제 원점을 갖지만 진핵세포의 각 염색체는 몇 개의 복제 원점을 갖는다. 진핵세포는 각 원점이 세포주기 중 S 시기에서 단지 한 번 열리도록 하는 조절 메커니즘을 갖고 있다.

2. 세균은 정상적인 복제 분기점 증식을 위해 단 하나의 DNA 중합효소인 DNA 중합효소 III 온전체를 요구하는 반면 세균은 3개의 서로 다른 효소를 요구한다.

3. 세균의 DNA 복제는 2개의 복제하는 분기점이 세균 염색체를 따라 대략 절반 정도 되는 지점에서 만난 후 연결된다. 선형 진핵세포 염색체는 텔로머라제라는 특별한 효소가 양 끝을 형성한다.

우리는 진핵세포 복제의 서로 다른 단계를 살펴볼 때 위의 차이점들을 기억하고 있어야 한다. 서로 다른 단계란 개시, 신장 그리고 종결 단계이다. 비록 DNA 복제의 모든 모습이 연구된 하나의 진핵세포 모델 시스템은 없으나, 진핵세포의 DNA 복제에 관한 방대한 최근의 지식은 효모의 연구로부터 온다. 실험할 수 있는 것들에서 우리는 효모의 복제 시스템에 초점을 두고 있으나, 다른 진핵세포들의 DNA 복제는 일부 자세한 면들은 다를 것이라는 생각은 유념하고 있어야 한다.

-. 진핵세포의 염색체는 많은 복제 원점을 보유한다.

긴 선형 진핵세포 DNA 분자는 여러 자리에서 DNA 복제를 개시한다. 이것의 증거는 여러 군데의 복제 버블들이 나타나는 복제하는 진핵세포 DNA의 전자현미경 사진으로부터, 그리고 증폭하는 세포들로부터 분리된 삼중수소로 표지된 DNA 섬유들로부터 알 수 있다. 복제 버블의 크기와 위치에 기초하여, 복제 원점은 10-300 kbp 떨어져 있는 것으로 관측된다. 각 원점에서는 개시는 정상적인 세포 생장시기에 S 시기 당 한 번으로 제한된다. 양방향 복제 버블 생장은 인접한 버블과 융 할 될 때까지 계속된다. 드물게 일어나는 한 원점에서 여러 번의 개시는 유전자 증폭을 유발하는데, 종양 세포와 정상적인 세포 발달 중 특정 유전자에서 관찰된다.

-. 노화와 암에서의 텔로머라제

사람과 다른 다세포 동물들의 체세포는 배양되어 노화 단계로 접어들었을 때, 다양하지만 제한된 횟수로 분열하는데, 나노화 단계란 살아 있으나 더 이상 분열할 수 없는 상태를 말한다. 일부 동물세포들, 곧 가장 확실하게는 생식계열의 세포들과 대부분의 암세포는 노화 단계로 들어가지 않고 무한히 복제하는데, 이 때문에 불멸이라고 얘기한다. 하워드 쿡이 1986년 수행한 실험들은 생식계열 세포들이 체세포들보다 더 긴 염색체 말단부를 갖고 있다는 것을 지적하였다. 쿡은 정상적인 인간의 체세포들 내에서는 텔로머라제가 활성을 갖고 있지 않을 것이라 추론하였다. 차후의 연구를 통해 체세포들은 매우 낮은 텔로머라제 활성을 갖고 있다는 것을 알게 되었다.