DNA STRUCTURE AND REPLICATION 생물학개론 13주차 강의 It is difficult to come up with a single definition of life.

DNA의 구조와 복제 유전물질이 DNA임을 증명한 실험 DNA의 3차구조 (이중나선 구조; Double Helix) DNA의 상보적 결합 (A-T, G-C) DNA의 Packing. DNA의 복제 (replication) 반보존적 (semi-conservative) DNA 복제 과정에 참여하는 단백질 DNA의 복구 (repair)

DNA의 중요성 영화: 쥬라기 공원 재판에서 DNA 증거, 유전자 검사와 치료,

유전물질이 DNA임을 증명한 실험 미셔 (Friedrich Miescher, 1869): 세포의 핵 속에서 질소와 인을 포함하는 산성물질을 발견  핵산이라 명명. 당시는 단백질이 유전물질이라 믿음. 게로드 (1923): 대사질환 환자의 특정 단백질 결핍을 통해 단백질과 질환의 연관관계를 밝힘. 다른 학자들도 비 정상적인 초파리 등에서 단백질과의 관계를 주장 하지만 단백질이 어떻게 형질을 결정하는가는 알지 못했다.

그리피스의 실험 (1928) 폐렴쌍구균에는 병원성이 있는 S형과 병원성이 없는 R 형이 존재 S(smooth)형 : 다당류 성분의 캡슐로 둘러싸여 군체가 미끄러운 모양. 다당 류가 병원성의 원인 쥐에 주입시 페렴을 일으킨다. 열처리로 죽은 S형은 쥐에 폐렴을 일으키지 않는다. R (rough)형 : S형의 돌연변이로 캡슐이 없어서 표면이 거칠다 페렴을 일으키지 않는다.

그리피스의 실험 열처리를 해서 죽은 S형과 살아있는 R형을 주사 한 쥐는 죽는다 죽은 쥐의 폐에서 살아있는 R형 검출 죽은 S형에 있는 무엇인가가 R형을 S형으로 바 꿔주었다. R형이 S형으로 형질이 전환됨 이 물질을 형질전환물질 (transformation particle)로 명명.

에이베리, 멕레오드, 맥카티의 실험 죽은 S형을 단백질분해효소로 처리하면 RS의 형질전환 일어남  단백질은 형질전환에 아무런 영향을 끼치지 않는다. 죽은 S형을 DNA 분해효소로 처리는 R형을 S형으로 형질전환이 안됨  DNA가 없으면 형질전환 안됨 죽은 S형에서 DNA 추출하여 살아있는 R에 주입, 죽음 그리피스가 발견한 형질전환의 정체는 DNA임을 밝힘

에이베리의 실험 후 여전히 학자들은 에이베리의 실험을 믿지 않았다. 왜? 단백질의 20개의 아미노산, DNA는 4개의 뉴클 레오티드로 구성, 따라서 더 많은 정보를 암호 화 가능하다 믿음. 핵산보다는 단백질에 대한 연구가 더 많았음

허시와 체이스의 실험 (1952) 대장균과 T4 파지 phage 이용 파지 : 세균을 숙주로 사용해서 자손을 번식하는 바이러 스 한 개의 단백질 외투막과 한 개의 핵산으로 구성 단백질과 DNA의 차이 단백질에는 황 (32S)이 있고, DNA에는 인(31P)이 있음 황과 인을 방사성 원소로 표지 방사성 황 (35S) 이 든 배지에서 파지를 키우면 외투막이 방사 성으로 표지 방사성 인 (32P) 이 든 배지에서 키우면 파지의 DNA에서만 방 사능 검출

허시와 체이스의 실험 그 후 대장균을 파지로 감염시킴 단백질이 유전물질이면 대장균 안에서 방사능 35S이 들어갈 것이고, DNA가 유전물질이면 대 장균 안으로 방사성 32P가 들어갈 것임 감염된 대장균에서는 32P가 검출됨  유전물질 은 DNA임이 증명

DNA 구조 레빈 : 핵산에서 리보오스와 디옥시리보오스를 발견 RNA 와 DNA 의 차이를 밝힘 당 (리보오스, 디옥시리보오스), 염기, 인산이 하나씩 존재하고 염기는 4종류 (A,T,G, C)중 하나만 있다는 것을 밝힘

DNA의 구조 분석 1950년 초 DNA 구조를 보이는데 기여한 두 가지 증거: 사가프: 아데닌/티민, 구아닌/시토신이 각각 동일한 농도로 존재. 월킨스, 프랭클린: DNA에 X 선 투사, DNA는 뉴클레오티드가 일정한 간격을 두고 있음. X선 회절패턴 1953년 왓슨, 크릭은 이중나선구조를 제안. 1962년 노벨상.

DNA의 구조 결정 DNA X-선 회절 모양

DNA 의 구조 DNA는 이중나선 (double helix) A-T의 염기쌍, G-C의 염기쌍의 수소 결합 축은 공유결합으로 연결된 당과 인산의 배열 이중고리를 갖는 퓨린 (아데닌, 구아닌) 단일 고리를 갖는 피리미딘 (시토신, 티민) 이중나선을 구성하는 두 개의 사슬이 서로 반대방향 (역평행)

DNA의 구조 46개 염색체, 30억 쌍의 DNA염기, 책에 적는다면 500페이지 책 4000권에 해당하는 분량.

DNA의 구조 히스톤 단백질 8개가 합쳐진 구조를 DNA가 2 바퀴 감아 DNA+ 8x 히스톤 = 뉴클레오솜 구조 형성 (10 nm = 10-8 m) 뉴클레오솜(Nucleosome)이 꼬여 직경 30 nm 의 구조물 형성  염색질 (Chromatin) 히스톤에 감긴다고 DNA의 본래 구조와 염기 서열이 변하는 것은 아님 하지만 히스톤에 감긴 채로는 DNA 복제나 RNA 전사가 불가능

DNA의 구조 DNA는 꼬여있다 어떻게 40만분의 1 센티미터 세포에 들어갈까? 146개의 염기쌍이 8개의 히스톤 단백질: nucleosome core 166개의 염기쌍 9개의 히스톤: nucleosome 직경은 10nm 이고 이것이 다시 꼬여서 30nm의 구조물 형성 (염색질).

DNA의 반보존적 복제 메셀슨, 스탈: 반보존적 DNA의 복제 주장. 방사성 질소와 일반 질소 (15N, 14N) 이용 14N 에서 한 세대만 배양 (시간으로 조정) 후 DNA만 분리하여 원심분리 다시 한 세대 더 배양 후 DNA 분리 후 원심분리

DNA의 복제 복제 분기점 Replication fork: 복제가 일어나는 이중나선의 벌어진 부분들. 사람의 염색체에는 수많은 복제분기점이 있음. 복제분기점에서 여러 DNA 절편을 만든 뒤 이어 붙임  짧은 시간에 많은 DNA를 복제하는데 필요.

DNA 복제에 필요한 필수품 DNA 주형 (template) 4종류의 뉴클리오티드 (dNTP); dATP, dCTP, dTTP, dGTP RNA primer (시발자) DNA polymerase (DNA 중합효소)

그 외 필요한 것들 Helicase 헬리카제: 염기쌍의 사이의 수소결합을 끊는 효소 결합단백질 (single strand binding protein) : 주형 DNA 가닥이 다시 붙지 않게 Primase 프리마제 : DNA 중합효소가 새로운 뉴클레오티드를 붙일 수 있는 RNA 시발자를 만든다. Ligase 연결효소: 당-인산 골격을 연결

여기까지 진행된 후… DNA 중합효소는 복제하는 동안 잘못 삽입된 염기를 잘라내고 교정하는 작업을 수행. 이때 선도 가닥(leading strand)은 문제 없지만, 후발 가닥(lagging strand)에는 문제가 생김

DNA 복제 RNA 시발자를 제거한 뒤 DNA로 바꿔놓음(DNA 중합효소 I) 일반적인 DNA 중합효소는 III임. Ligase 연결효소가 당과 인산 (monophosphate) 사이의 틈을 메워줌

DNA Repair (복구) 염기쌍의 불일치 (Mismatch) : 세포가 DNA를 합성할 때 복제가 잘 되었는지를 검사. 복제시의 실수 자외선에 의한 손상 세포가 DNA를 합성할 때 복제가 잘 되었는지를 검사. 10만개당 한 개 정도로 에러 발생. 자외선은 동일 사슬에 존재하는 인접한 2개의 티민 사이에 추가로 공유결합을 형성. 인접한 티민 사이에 이량체 형성 이중나선에 비틀림을 일으키고 DNA 복제과정에 손상을 줄 수 있으므로 바로 잡아야함

DNA 복구 메커니즘 광활성화(photoreactivation): photolyase 가 가시광선 에너지를 흡수하여 피리미 딘 이량체 사이에 존재하는 공유결합을 제거 인간의 경우에는 광활성화는 불가능 절단 복구 (Excision repair): 불일치하는 부분을 잘라낸 다음 그 부분을 채워주는 것 염기 절단 복구, 뉴클레오티드 절단 복구, 불일치 복구, 등이 있다.

DNA Repair Pathways Alkylation Oxidation Deamination UV light Carcinogen Ionization radiaton Replication errors Alkylation me me =O G A G U T T G G C T C G A A C T Direct repair (MGMT) Base-excision (BER) 염기절단복구 Nucleotide-excision (NER) 뉴클레오티드 절단복구 Homologous recombination (HR) Nonhomologous end joining (NHEJ) Mismatch (MMR) 불일치 복구