DNA 복제의 일반적인 특성

-. DNA 복제는 반보존적(semiconservative)이다.

Watson과 Crick은 그들의 DNA 모델이 복제메커니즘을 담고 있는 것을 인식하였는데, 이것은 2개의 부모사슬(parental strands)이 분리되어 각 분리된 사슬이 상보적인 사슬의 합성에 필요한 주형(template)으로 작용하는 것이다. 이 복제메커니즘에 따르면 각 이중사슬의 딸 DNA 분자는 보존된 DNA 사슬을 갖고 있는데, 이것은 부모 DNA로부터 유래된 것과 새로이 합성된 사슬로 되어 있다. 이 반보존적 복제 모델(semiconservative model of replication)이 제안되었을 때, DNA 변성(DNA denaturation)은 아직 이해되지 못했고 사슬 분리는 다양한 이유로 불가능할 것으로 여겨졌다. 그러므로 2개의 대안적인 모델들이 고려되었다.

이 선택적인 모델 중 첫 번째는 보존적 복제 모델(conservative model of replication)로써 다음의 두 가지 가정을 수반한다 : (1) 이중나선은 염기서열이 중합하는 효소에 의해 일어지는 정도로만 복제 부분에서 풀어진다는 것과 (2) 2개의 본래의 사슬들은 복제 후에 다시 감기게 되어 복제 후에 존재하는 2개의 DNA 분자 중 하나는 원래의(부모의) DNA 사슬을 포함하고 있고(따라서 보존적), 다른 DNA 분자는 두 가닥의 새로운 사슬로 만들어져 있다. 다른 대안적 모델은 분산적 복제 모델(dispersive model of replication)로써 일부 보존적 모델의 특징을 갖고 있지만, 딸 DNA 분자의 각 사슬은 이전과 새로운 DNA 부분들이 산재해 있다. 만약 어떤 실험방법이 새로운 DNA와 이전 DNA를 구별할 수 있도록 고안될 수 있다면, 정확한 모델을 제시하는 것이 가능할 것이다.

-.세균과 진핵생물의 DNA 복제는 양방향으로(bidirectional) 일어난다.

Meselson과 stahl이 그들의 실험은 수행하고 있을 때, 연구자들은 자연계에 존재하는 대장균 DNA 분자가 선형 이중결합체라고 잘못 생각하고 있었다. 그러나 1963년에 John Cairns에 의해 수행된 방사선자동감광법은 세균 DNA가 원형(circular)임을 보여주었다. Cairns는 또한 복제 과정 중에 있는 세균 DNA의 방사선자동감광물을 얻었다. 이 분자들의 형상이 그리스 문자인 theta와 닮았기 때문에 Cairns는 복제 중간체를 theta 구조라고 불렀다.

theta 구조는 단방향 또는 양방향 복제로 설명된다. 단방향 복제에서는 단일 생장점이 원형 DNA를 따라 복제가 완성될 때까지 이동한다. 양방향 복제에서는 2개의 생장점이 같은 지점에서 시작하여 서로 반대 방향으로 이동하여 원의 반대 지점에서 만나게 된다. 복제 버블이라 불리는 지역은 새로 합성된 DNA를 포함하고 있는데, DNA 합성이 진행됨에 따라 커진다. Cairns의 방사선자동감광 실험은 단방향과 양방향 복제를 구별할 수 없기 때문에 다른 접근법이 요구되었다.

양방향 복제는 방사성 동위원소 표지 실험을 통해 단방향 복제와 구별될 수 있다. 세포를 마이크로 몰 당 마이크로큐리가 낮은 특이 활성을 갖는 thymidine과 함께 배양하여 복제 버블을 약하게 표지한다. 이후 세포를 매우 강한 특이 활성을 갖는 thymidine과 함께 짧은 시간 동안 배양한다. 양방향 복제가 일어나면 버블의 양쪽 끝에 약하게 표지된 버블이 강하게 표지된 조각과 함께 나타날 것이고, 단방향 복제가 일어나면 버블의 한쪽 끝에만 약하게 표지된 버블이 강하게 표지된 짧은 조각과 함께 나타날 것이다. 세균과 진핵생물에서 수행된 실험들은 강하게 표지된 조각들이 양쪽 끝에 나타나는 것을 보이며, 이는 DNA 복제가 양 방향적임을 나타낸다.

-. 3' -> 5' 방향으로 성장하는 DNA 사슬은 짧은 절편의 연결로 형성된다.

세균의 시험관 내 DNA 복제 연구를 통해 연구자들은 2개의 새로 합성되는 DNA 사슬이 복제 분기점에서 같은 방향으로 길어지게 된다고 결론짓게 되었다. 따라서 사슬 하나는 전체적으로 5' -> 3' 방향으로 길어지지만, 다른 사슬은 전체적으로 3' -> 5' 방향으로 길어지게 된다. 전체적으로 3' ->5' 방향으로 길어져야 하는 것은 심각한 문제가 되는데, 알려진 모든 DNA 중합효소는 새로운 뉴클레오티드들을 생장하는 사슬의 3'에 첨가하는 5' -> 3' 생장을 촉매하기 때문이다. DNA 중합효소가 3' -> 5' 사슬 생장을 촉매하는 것을 발견하려는 큰 노력에도 불구하고, 그러한 효소는 발견될 수 없었다. 그러면 어떻게 복제기구가 딸사슬을 3' -> 5' 방향으로 생장하도록 하는 것일까?

1968년 일본에서 일했던 레이지 오카자키는 이 문제에 대한 교묘한 해결책을 제안하였다. 그는 전체적으로 3' -> 5' 방향으로 생장하는 DNA 사슬은 불연속적으로 합성된다고 제안했다. 이 제안에 따르면, DNA 중합효소는 처음에 짧은 절편을 5' -> 3' 방향으로 만들고, 이후 세포는 불연속적인 조각들을 연결하여 긴 DNA 사슬을 만든다. 전체적으로 5' -> 3' 방향으로 생장하는 사슬의 불연속적 합성에 대한 논리적 근거의 부족으로 오카자키는 이 합성이 연속적인지 불연속적인지를 확실할 수 없었다. 따라서 그는 두 가지 선택적 모델을 제안하였다. 첫 번째 모델에 따르면, 불연속 복제 모델은 복제기구가 양쪽 모두의 새로운 사슬을 처음에 5' -> 3' 방향으로 짧은 절편 상태로 만들고, 이후 연속적인 조각들을 잇게 된다. 두 번째 모델인 반불연속 복제 모델에 따르면, 전체적으로 복제기구는 3' -> 5' 방향으로 생장하는 사슬은 불연속적으로 만들지만, 전체적으로 5' -> 3' 방향으로 생장하는 사슬은 복제기구가 뉴클레오티드를 연속적으로 3' 말단에 첨가함으로써 사슬을 생장시킨다. 불연속적 모델이 맞는다면, 새로 형성되는 모든 DNA는 작은 조각들로 존재하여야 하는 반면, 반불연속적 모델로부터 새로 합성되는 DNA의 절반만이 조각으로 존재하게 되고, 나머지 절반은 긴 DNA 사슬로 존재하게 됨을 예상할 수 있다.

유익한 하나의 실험에서 오카자키는 대장균을 thymidine의 존재 하에 20도에서 배양하였다. 낮은 온도는 DNA 복제를 천천히 일어나도록 하는 데 이용되었고, 따라서 DNA상의 변화를 추적하는 데 더욱 용이하였다. 대장균 시료를 다양한 시간대에서 채취하였다. 이후 DNA를 조심스럽게 알칼리성 슈크로스 구배 위에 올려놓고 슈크로스 구배 원심분리를 통해 형성되는 밴드들을 분석하였다. 5초 또는 10초 후에 새로 형성되는 거의 모든 방사성 DNA가 천천히 침강하는 구획에서 거의 원심분리 튜브의 위쪽에 나타난다. 이 구획 내의 방사성은 약 30초까지 계속되고 이후 끊어진다. 침강속도에 기초하여 오카자키는 천천히 침강하는 구획의 DNA는 1,000 내지 2,000 nt 사이의 크기를 갖고 있다고 예상했다. 유사한 조건에서 변성된 대장균 DNA는 20 내지 50배 길다. 이후 60초 시료에서는 10초까지의 시료에서는 거의 나타나지 않는, 방사성이 대부분을 차지하는 구획을 갖고 있다.

이 결과들은 복제의 불연속적 모델을 지지하는 것처럼 보이는데, 새로 합성되는 모든 DNA가 처음에는 작은 조각으로 나타나 이후 서로 연결되어 길어진 조각을 형성하게 되는 것이다. 그러나 다른 연구자들이 수행한 이후의 연구를 통한 대장균이 복구 시스템을 갖고 있어 새로 합성된 DNA에 틈을 만든다는 것을 갈게 되었다. DNA 복제 연구가 이 복구 시스템 없이 진행될 때는, 단지 약 절반의 새로 합성된 DNA만이 짧은 절편으로 존재하게 된다. 그러므로 DNA 복제는 반불연속적이다. 반불연속 복제는 지금까지 모든 생명체와 DNA 바이러스에서 공히 나타난다. 진핵생물의 복제 중에 형성되는 인접해 있는 짧은 절편들은 세균의 복제 중 형성되는 것들과 비교할 때 약 10%인 100~200 nt 정도이다.

불연속적으로 복제하는 사슬의 합성은 연속적으로 복제하는 사슬의 뒤를 따라 자연적으로 진행된다. 이러한 이유로 불연속적으로 합성되는 사슬을 지체가닥, 그리고 연속적으로 합성되는 사슬을 선도가닥이라 부른다. 반불연속적 DNA 복제의 결과로, 불연속적 DNA 복제의 주형 사슬은 복제 분기점에 짧은 단일가닥 지역이 나타난다.