DNA Replication and Repair Lecture 3 DNA Replication and Repair

DNA Replication DNA Repair DNA Recombination

DNA는 그 이중 나선 구조의 “상보성 (complementarity) 때문에 자기 자신의 유전 정보를 복제할 수 있다. 하나의 세포가 자신과 유전적으로 동일한 두 개의 딸세포로 나뉘어져 가려면 세포 분열이 일어나기 전에 먼저 유전물질 (즉 DNA)를 두 세트로 복제해야 한다. 이 과정에서, 그리고 또 외부 환경으로부터 오는 화확물질과 방사선으로 인한 돌연변이를 막기 위하여 정교한김식 (proofreading) 이 필요하다. 그러나 DNA 중합효소의 효능과 proofreading 사이에서 적정선을 찹으려다 보면 어느 정도의 돌연변이는 일어날 수 밖에 없고, 이렇게 생겨난 오류를 고치는 수선장치 (repair mechanism) 가 작동하게 된다. 또한 DNA에 발생한 돌연변이는 종종 유리한 형질 변화를 일으켜서 과거 수백만년동안 생물 진화의 원동력이 되어 왔다. 따라서 생물체는 경우에 따라 재조합 (recombination)과 전위(transpositon) 와 같은 능동적인 방 법을 사용하여 유전 정보를 변화시키기도 한다.

DNA 재조합 다양한 형질 창출 DNA 복제 돌연변이의 최소화

06_02_DNA template.jpg DNA 중합효소는 주형 (template)이 되는 가닥에 매초당 100~1,000 개의 nucleotide를 붙일 수 있다. 06_02_DNA template.jpg

06_03_own duplication.jpg 06_03_own duplication.jpg

06_04_replic.rounds.jpg DNA의 반보존적 복제 (semi-conservative replication)

새로운 DNA 가닥의 합성은 복제 기점 (replication origin)에서 시작된다. 안정적으 로 유지된다. 그러나 DNA가 복제되려면 (=새로운 가닥이 만들어지려면) 이 이중나선 구조가 풀려야만 한다. 염색체 단백질의 구조 변화와 helicase를 비롯한 여러가지 “unwinding” 효소의 작용이 필요. 즉 복제 기점이란 이러한 단백질들이 와서 달라붙는 특정한 염기서열을 가지고 있는 부위가 된다. (전형적으로 AT-rich region에 위치함) <CF> melting temperature transcriptional initiation 과 promoter

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전자현미경 상에서 복제 시작점은 “Y자”가 두개 붙은 bubble모양으로 보인다. 진핵생물의 염색체가 복제될 때는 이러한 “복제분기점 (replication fork)이 만여개나 생긴다. 06_09_Replic.forks.jpg 각 복제분기점은 두 개씩 쌍으로 생겨서 각기 반대 방향으로 풀려진 구조를 확장 해 간다.

매 nucleotide가 달라붙을 때 새로운 phosphodiester bond가 형성되기 위해 필요한 에너지는 pytoposphate가 떨어져 나온 뒤 다시 inorganic phosphate로 분해 되면서 생긴다. DNA 중합효소 06_10_5prime_3prime.jpg

PROBLEM: 이 법칙을 따르자면 새로 만들어지는 두 가닥 중 하나는 5’3’의 방향을 역행하여 3’5’으로 만들어 져야 한다. 그러나 이처럼 역방향으로 일할 수 있는 DNA 중합효소는 없다. 06_11_oppositepolarity.jpg 06_11_oppositepolarity.jpg

Okazaki fragment의 비밀: leading strand와 lagging strand 06_12_asymmetrical.jpg

“proofreading by DNA polymerase” Leading strand에서도 새로운 DNA의 합성은 무조건 앞으로만 진행되지는 않는다: “proofreading by DNA polymerase” 06_13_polymerase1.jpg

06_14_polymerase2.jpg 06_14_polymerase2.jpg Note: Klenow fragment

DNA가닥의 합성이 5’3’으로만 진행 될 수 밖에 없는 이유: 3’5’으로 간다면 proofreading 을 할 수 없다. 06_15_proofreading.jpg

PRIMER (선도 사슬) 어떤 DNA 중합 효소라도 template 만 주어진 채 아무것도 없는 상태에서 새로운 가닥을 시작할 수는 없다. 즉, 이미 다른 가닥과 수소결합으로 결합되어져 있는 기존의 nucleotide의 free 3’-end에만 새로운 염기를 가져다 붙일 수 있다는 뜻. 따라서 새로운 DNA가닥이 합성 될 때, 먼저 primerase가 짧은 가닥의 RNA를 먼저 만들어 주어야만 한다. (=RNA primer) (note) PCR로 DNA의 특정 부위를 증폭 합성할 때도 마찬가지 이유로 primer가 필요하다. (note) Primerase는 왜 RNA가닥을 만들어 낼까? Primerase는 선행 이중가닥의 3’-end가 없어도 새로운 DNA 가닥을 붙여갈 수 있지만 대신 Proofreading 기능은 없다. 따라서 이들이 만들어 내는 핵산 가닥은 잘못 끼어들어간 nucleotide를 포함하고 있을 확률이 높고, 반드시 나중에 제대로 만들어진 DNA로 대치되어 야 한다. 따라서 이러한 임시 선도사슬을 RNA로 만들어서 나중에 보지 못하고 지나치는 일 이 없도록 만전을 기한 것이다.

06_16_lagging strand.jpg Nuclease cuts out hibrid RNA strand Repair polymerase가 gap을 채워넣는다. 06_16_lagging strand.jpg DNA ligase가 틈새를 연결한다.

06_17_group proteins.jpg Lagging strand에서는 새로운 Okazaki 절편을 만들 때 DNA가 접히면서 Polymerase를 앞쪽으로 보낸다. 06_17_group proteins.jpg

Finishing the end of “linear DNA” 원핵생물의 DNA는 circular 하기 때문에 새로운 가닥의 DNA를 끝까지 복제하는데 별 어려움이 없다. 그러나 linear 한 상태로 존재하는 진핵생물의 DNA 말단은 primosome이 달라붙을 자리가 없기 때문에 완벽하게 끝까지 복제될 수가 없다. 이 문제를 해결하기 위하여 진핵생물의 세포는 telomerase (말단 소립 중합효소)라는 특수한 형태의 DNA polymerase를 가지고 있어서 template DNA의 끝부분을 따로 주형이 없이 single strand의 형태로 연장시킨다. 고등척추동물의 경우 이 telomerase가 성인이 되고 난 뒤에는 더 이상 만들아지지 않기 때문에 한 번 세포가 분열 할 때 마다 (그리고 말단 부위에서부터 시작되는 DNA의 자연적인 분해를 복구하지 못해서) telomerase 의 길이가 점차 짧아진다. 노화의 원인?

06_18_telomeres.jpg 06_18_telomeres.jpg

HOW Telomerase does it?? Telomere 부위는 비교적 짧고 간단한 염기서열이 수없이 반복되어지는 repeat 구조를 가지고 있다. (사람의 경우 GGGGTTA) 이 특이한 repeat는 여러가지 DNA repair enzyme들이 말단 부위를 손상입은 DNA 로 착각하지 않도록 막는 장치이다. Telomerase는 이 서열에 상보적인 짧은 RNA 가닥을 지니고 있어서 이것을 주형으로 사용한다.

DNA Replication DNA Repair DNA Recombination

천만개에 한 개 정도 일어나는 DNA중합효소의 실수 (*), 또는 강한 방사선 및 화학물질에 의하여 일어나는 변이가 제 때에 고쳐지지 않고 이후로 만들어 지는 딸세포에 영구적으로 전해지게 될 때 , 또는 이러한 변이가 생식세포에 일어 나서 다음 세대로 전해지게 될 때 이를 가리켜서 “돌연변이 (mutation)이라고 한다. (note) 실제로 여기서 우리가 말하는 것은 돌연변이의 한 작은 부분집합으로, 다른 말로는 single nucleotide mutation이라고 말한다. 이러한 돌연변이가 유전자의 intron부위에 일어나거나 wobble의 허용 범위 안에 들어 갈 경우 개체에 별다른 해를 입히지 않으므로 그대로 유전되므로 사람의 경우 매 1,000 염기마다 다른 사람과 다른 다형성 (polymorphism)을 가지고 있다고 (SNIP: single nucleotide polymorphism) 그러나 이러한 single nucleotide change도 때로는 심각한 문제를 일으킨다. 생식세포에 일어나면  유전병 체세포에 일어나서 세포 분열 주기 또는 DNA repiar기구를 망가뜨리면  암

06_19_sickle_cell.jpg 06_19_sickle_cell.jpg

실제로 DNA의 복제 과정에서 실수가 생길 확률은 107 보다도 훨씬 작다. (see Table 6-1) 일단 polymerase의 3’-5’ proofreading activity가 놓친 실수도 다시 한 번 고쳐질 기회가 있다.  DNA mismatch repair

06_21_Errors corrected.jpg Single strand break 및 mismatch repair는 새로 만들어진 가닥에만 일어난다.

06_22_DNA mismatch.jpg 06_22_DNA mismatch.jpg

노년기로 갈수록 암 발생 빈도가 높아지는 이유는 세포 내 돌연변이 가 축적되기 때문이다. 06_20_cancer_age.jpg

DNA의 복제가 일어나지 않는 상황에서도 DNA의 손상이 일어난다. deamination (탈아민화) depurination (탈퓨린화) formation of thymine dimer

06_25_mutations.jpg 06_25_mutations.jpg

06_23_Depurination.jpg 06_23_Depurination.jpg

06_24_radiation.jpg 06_24_radiation.jpg

06_26_three steps.jpg Exision Repair 06_26_three steps.jpg

06_27_humans_whales.jpg 고등동물에서는 정교한 DNA repair가 유지되어온 덕분에 주요 유전자들의 염기 서열이 종간에 매우 잘 보존되어 있다. 06_27_humans_whales.jpg

DNA Replication DNA Repair DNA Recombination 고도로 발달한 repair mechanism을 통하여 DNA 복제 과정에서 일어날 수 있는 오류를 최소화 시키는 한편, 유용한 돌연변이로 인한 이점을 놓치지 않기 위하여 genetic recombination이라는 기구가 존재한다.

06_28_Homol.recomb1.jpg (ex) meiotic recombination

20_11_reassortment.jpg 20_11_reassortment.jpg

HOMOLOGOUS RECOMBINATION 매우 유사한 염기서열을 가진 두 개의 DNA 이중나선이 나란히 늘어선다. Formation of chiasmata (crossing-over) Double strand break on one double helix (박테리아와 하등 진핵생물에서만 확인됨) Chewing up by 3’-5’ exonuclease Strand exchange Synthesis of new DNA strand Dissolving (해리) Holiday structure

06_29_Homol.recomb2.jpg 06_29_Homol.recomb2.jpg

06_30_Holliday_junct.jpg Homologous Recombination  Gene switching

06_31_cross-strand EM.jpg 06_31_cross-strand EM.jpg

Recombination between “non-homologous” DNA 엄밀하게 말해서 모든 free end of DNA는 “sticky” 하며, 따라서 염기 서열의 유사성 여부와 상관없이 기존 DNA에 삽입 될 수 있다. (그러나 이 경우 확률이 극도로 낮음). 그러나 바이러스, 그리고 일부 박테리아는 이러한 non-homologous recombination 을 일으키는 효소를 합성 할 수 있다. (이 경우 유전자의 이동이 수반되므로 이를 “transposase (전위 효소)”라고 함.

06_32_mobile genetic.jpg 06_32_mobile genetic.jpg

DNA-only transposition in bacteria 06_33_transposons.jpg

06_34_Retrotransposon.jpg RNA를 매개로 하는 transposition (주로 retrovirus 또는 retrotransposon) 에 의하여 발생 06_34_Retrotransposon.jpg 06_34_Retrotransposon.jpg

06_37_Viruses.jpg 06_37_Viruses.jpg

06_36_Viral genomes.jpg SV40, polyoma Tobacco Mosaic, Polio T4, Herpes Adeno Pox

06_38_Viral coats.jpg 06_38_Viral coats.jpg

06_39_retrovirus.jpg 06_39_retrovirus.jpg

L1과 Alu 그리고 그밖의 retrotransposon들이 전체 인간 genome의 절반을 차지한다. 06_35_L1 and Alu-like.jpg 06_35_L1 and Alu-like.jpg