DNA 복제의 교정과 수선

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사람 세포 하나에는 염기쌍이 약 64억 개 있다. 세포가 분열할 때마다 이것을 모두 베껴야 한다. 책으로 치면 한 쪽에 3000자씩 200만 쪽이 넘는 분량이다. 아무리 꼼꼼한 사람도 이만큼 베끼면 수천 군데는 틀린다. 그런데 세포는 분열 한 번에 틀린 채로 남는 염기가 한 개 안팎이다. 이렇게 정확할 수 있는 비결은 무엇일까? 그리고 틀린 염기가 남으면 어떤 일이 생길까?

작동하는 단계

그림 1. DNA 중합 효소의 염기 선택, 3′→5′ 교정, 불일치 수선이 차례로 더해질 때의 오류율(대략값). 막대가 길수록 정확하며, 단계마다 오류가 약 100배씩 줄어든다.

먼저 알아야 할 것DNA 복제의 반보존적 방식과 DNA 중합 효소(생명과학), 염기 상보성(생체 분자의 구조와 기능).

3.1.1세 겹의 정확도

DNA 중합 효소는 주형 가닥의 염기와 맞는 뉴클레오타이드를 골라 새 가닥에 잇는다. 맞는 짝은 효소의 활성 부위에 꼭 들어맞고 틀린 짝은 모양이 어긋나므로, 이 선택만으로 약 10만 번에 한 번만 틀린다. 그래도 틀린 염기가 들어가면, 많은 중합 효소는 새 가닥을 거꾸로 3′에서 5′ 방향으로 되짚어 잘라 내는 기능이 있어 틀린 염기를 떼고 다시 붙인다. 이것이 교정이다. 복제가 끝난 뒤에도 남은 불일치는 불일치 수선 단백질이 찾아내, 새 가닥 쪽을 잘라 내고 다시 합성한다.

정리 3.1.1 복제 정확도의 곱셈

독립적인 단계들이 차례로 오류를 걸러 내면 최종 오류율은 각 단계에서 살아남는 비율의 곱이다. 염기 선택 약 \(10^{-5}\), 교정이 그 가운데 99%를 고쳐 \(10^{-7}\), 불일치 수선이 다시 99% 이상을 고쳐 약 \(10^{-10}\)이 된다.

그림 1에서 작동하는 단계를 늘려 보자. 염기 선택만 있으면 64억 염기쌍을 베낄 때 약 6만 4천 개가 틀린다. 교정이 더해지면 약 640개, 불일치 수선까지 더해지면 약 0.6개로 줄어든다. 단계마다 '거의 완벽하지 않은' 장치가 겹쳐 곱해지면서 아주 높은 정확도가 나오는 것이다. 불일치 수선 유전자에 돌연변이가 있는 사람은 오류가 수백 배 많이 남아 대장암 같은 암에 걸릴 위험이 크게 높다.¹

3.1.2복제 뒤의 손상과 수선

복제할 때만 오류가 생기는 것은 아니다. 자외선은 이웃한 두 타이민을 붙여 타이민 이량체를 만들고, 열과 화학 물질은 염기를 떨어뜨리거나 바꾼다. 세포 하나의 DNA는 하루에 수만 군데가 손상된다. 세포는 손상의 종류마다 다른 수선 장치를 쓴다. 바뀐 염기 하나는 그 염기만 잘라 내는 염기 절제 수선으로, 이량체처럼 가닥을 크게 비트는 손상은 그 둘레를 길게 잘라 내는 뉴클레오타이드 절제 수선으로 고친다. 상한 가닥을 잘라 내도 남은 가닥이 주형이 되므로 원래 서열로 되돌릴 수 있다. 두 가닥이 함께 끊어지면 상동 염색체를 주형으로 쓰거나 끊긴 끝을 그냥 이어 붙인다.

그림 2. 세포는 손상의 종류에 맞는 수선 장치로 남은 가닥을 주형 삼아 원래 서열을 되살린다.

3.1.3예제 풀이

예제 3.1.2

사람의 몸은 수정란에서 시작해 약 40번의 세포 분열을 거쳐 수십조 개의 세포가 된다. 분열마다 64억 염기쌍을 오류율 \(10^{-10}\)으로 베낀다면, 수정란에서 어른의 한 세포에 이르는 동안 그 세포의 DNA에 쌓인 복제 오류는 몇 개인가? 불일치 수선이 없어 오류율이 \(10^{-7}\)이라면 어떻게 되는가?

분열 한 번에 \(6.4 \times 10^9 \times 10^{-10} = 0.64\)개이므로, 40번 분열하면 \(0.64 \times 40 \approx 26\)개가 쌓인다. 이 대부분은 단백질을 만들지 않는 부위에 떨어져 영향이 없다.

오류율이 \(10^{-7}\)이면 한 번에 640개, 40번이면 약 2만 6천 개가 쌓인다. 1000배 많다. 그러면 중요한 유전자에 돌연변이가 생길 가능성도 1000배 커진다. 즉 마지막 단계의 수선 장치 하나가 몸 전체의 유전 정보를 지키는 데 결정적인 몫을 한다. 그래서 수선 유전자 자체에 결함이 있으면 암이 젊은 나이에 생기기 쉽다.

아래 탐구 카드에서 교정과 수선 장치를 단계별로 정리하고, 손상의 종류에 따라 어떤 장치가 일하는지 추론해 보자.

2015년 노벨 화학상은 DNA 수선의 원리를 밝힌 린달, 모드리치, 산자르에게 돌아갔다. 린달은 DNA가 생각보다 훨씬 불안정해 날마다 수많은 곳이 손상된다는 것을 보였다.

마무리

DNA 복제의 정확도는 중합 효소의 염기 선택, 3′→5′ 교정, 불일치 수선이 차례로 오류를 걸러 내며 곱으로 높아져 약 \(10^{-10}\)에 이른다. 복제 뒤에도 생기는 손상은 종류에 맞는 수선 장치가 남은 가닥을 주형 삼아 고친다. 그래서 처음 질문의 세포는 64억 염기를 베끼면서도 겹겹의 교정과 수선 덕분에 틀린 채로 남는 염기를 한 개 안팎으로 줄인다.

탐구 1

DNA가 복제될 때 원래 가닥은 어디로 갈까?

메셀슨–스탈 실험 · 반보존적 복제

¹⁴N 배지로 옮긴 뒤 세대 = 1

예측되는 띠 (무거운 ¹⁵N/¹⁵N : 중간 : 가벼운 ¹⁴N/¹⁴N): —
1958년 실제 관찰: —
이 모형은: —

대장균을 무거운 질소(¹⁵N) 배지에서 여러 세대 키운 뒤 보통 질소(¹⁴N) 배지로 옮기고, 세대마다 DNA를 염화 세슘 밀도 기울기 원심 분리로 분석한 실험이다.

질문왓슨과 크릭은 이중 나선 구조를 발표하며 염기쌍의 규칙이 곧 복제 방법을 암시한다고 썼다. 두 가닥이 풀려 각각 새 가닥의 틀이 된다면, 복제된 DNA의 두 가닥 중 원래 가닥은 몇 개일까? 이것을 어떻게 확인할 수 있을까?
복원DNA의 두 가닥은 A–T, G–C의 상보적 염기쌍으로 이어져 있어, 한 가닥의 서열을 알면 다른 가닥을 알 수 있다(DNA의 구조).
설명메셀슨과 스탈은 질소 동위 원소로 DNA의 무게를 다르게 만들어 원래 가닥(¹⁵N, 무거움)과 새 가닥(¹⁴N, 가벼움)을 구별했다. ¹⁴N 배지로 옮긴 뒤 1세대 DNA는 모두 중간 무게 띠 하나였고, 2세대는 중간과 가벼운 띠가 1 : 1이었는데, 이는 복제된 DNA가 원래 가닥 하나와 새 가닥 하나로 이루어진다는 반보존적 복제와 들어맞는다. 1세대에서 띠가 하나라는 결과로 보존적 복제가, 2세대에 가벼운 띠가 따로 나타난다는 결과로 분산적 복제가 제외되었다.
연결세포 안에서는 헬리케이스가 이중 나선을 풀고, DNA 중합 효소가 각 가닥을 틀로 새 가닥을 5′→3′ 방향으로만 이어 붙인다. 그래서 복제 분기점이 움직이는 방향으로 이어서 합성되는 선도 가닥과, 짧은 조각(오카자키 절편)으로 끊어 합성한 뒤 연결 효소로 잇는 지연 가닥이 생긴다. 그리고 반보존적 복제 덕분에 세포 분열 때 두 딸세포는 같은 유전 정보를 받는다.
적용세 모형을 바꿔 가며 0~4세대의 띠를 예측하고 실제 관찰과 비교해 보자. 그리고 반보존적 복제에서 n세대의 중간 띠와 가벼운 띠의 비율을 일반화하고, 3세대 결과만 보고도 모형을 구별할 수 있는지 확인해 보자.
판단이 실험이 가장 아름다운 생물학 실험으로 불리는 것은, 가능한 세 가설이 서로 다른 결과를 예측하도록 실험을 설계했기 때문이다. 좋은 실험은 결과가 어느 쪽으로 나오든 가설을 가려낼 수 있어야 한다. 또 1세대 결과만으로는 반보존과 분산을 구별할 수 없다는 것도 눈여겨보자.

확인조건이 달라지면

반보존적 복제에서 ¹⁴N 배지로 옮긴 뒤 3세대 DNA의 띠 비율(중간 : 가벼운)은?

탐구 2

DNA를 복제할 때 생긴 실수와 손상은 누가, 무엇으로 고칠까?

DNA 중합 효소의 교정 · 뉴클레오타이드 절제 수선

중합 효소의 3′→5′ 교정 불일치 수선

최종 오류율 (염기쌍당): —
복제 1회에 남는 오류: —
교정이 모두 있을 때의 몇 배: —

오류율은 대장균 연구에서 얻은 대략적인 크기(자릿수)이다. 염기 선택 약 10⁻⁵, 교정이 약 100배, 불일치 수선이 약 1000배 줄인다(Alberts, Molecular Biology of the Cell). 사람은 이배체 기준.

질문사람 세포 하나는 분열할 때마다 약 64억 개의 염기쌍을 복제한다. 염기 1만~10만 개마다 하나씩 틀린다면 한 번 복제에 수만~수십만 개의 오류가 생긴다. 실제로 남는 오류는 한 개 안팎이다. 그 차이는 어디서 나올까? 그리고 복제가 끝난 뒤 자외선이 DNA를 망가뜨리면 무엇을 보고 원래대로 되돌릴까?
복원DNA 중합 효소는 주형 가닥에 상보적인 뉴클레오타이드를 새 가닥의 3′ 말단에만 붙여 5′→3′ 방향으로 늘린다. 두 가닥은 상보적이므로 한 가닥만 있어도 다른 가닥을 다시 만들 수 있다.
설명오류는 세 겹으로 걸러진다. 첫째, 중합 효소의 활성 부위는 바른 염기쌍의 모양에 맞아 틀린 염기를 잘 받지 않는다(염기 선택). 둘째, 틀린 염기가 붙으면 3′ 말단이 주형과 어긋나 중합이 멈추고, 같은 효소의 3′→5′ 엑소뉴클레이스 부위가 그 염기를 잘라 낸 뒤 다시 합성한다. 이것이 교정이다. 셋째, 복제가 지나간 뒤 남은 짝이 맞지 않는 염기는 불일치 수선이 찾아 새 가닥 쪽을 고친다. 손상된 DNA는 뉴클레오타이드 절제 수선으로 고친다. 인식 단백질이 손상으로 휘어진 이중 나선을 찾고, 핵산 내부 가수 분해 효소가 손상 양쪽의 당–인산 골격을 잘라 손상이 든 짧은 조각을 떼어 낸다. 이어 DNA 중합 효소가 반대쪽의 온전한 가닥을 주형으로 틈을 메우고, DNA 연결 효소가 마지막 틈(nick)을 인산다이에스터 결합으로 잇는다.
연결교정과 수선이 모두 상보성에 기대고 있다. 반보존적 복제에서 원래 가닥이 주형이 된 것처럼, 수선에서도 망가지지 않은 가닥이 주형이다. 대장균은 메틸기가 아직 붙지 않은 가닥을 새 가닥으로 알아보아 불일치 수선을 한다. 사람에서 절제 수선 유전자가 고장 나면 햇빛에 매우 민감하고 피부암이 잘 생기는 색소성 건피증이, 불일치 수선 유전자가 고장 나면 린치 증후군(유전성 대장암)이 나타난다.
적용‘복제 중 교정’에서 교정과 불일치 수선을 하나씩 끄고, 사람 유전체에서 복제 1회에 남는 오류가 몇 개가 되는지 보자. 어느 단계를 잃을 때 피해가 더 큽니까? ‘절제 수선’에서는 단계를 넘기며 각 단계에 무엇이 필요한지 확인한 뒤, 연결 효소를 없애거나 반대쪽 가닥도 망가뜨려 보자. 어느 단계에서 멈춥니까?
판단교정과 수선이 있어도 오류는 0이 되지 않는다. 남은 오류가 돌연변이가 되고, 이것이 진화의 재료이자 암의 원인이 된다. 또 그림의 오류율은 자릿수만 맞춘 대략값이며, 실제 값은 생물, 염기 서열, 중합 효소의 종류에 따라 다르다. 수선 효소는 두 가닥 중 하나만 손상되었을 때 정확히 고칠 수 있다. 같은 자리의 두 가닥이 모두 망가지면 주형이 없으므로 다른 방법(재조합 등)이 필요하고, 그 과정에서 오류가 생기기 쉽다.

확인조건이 달라지면

어떤 대장균 돌연변이주는 DNA 중합 효소 Ⅲ의 3′→5′ 엑소뉴클레이스 활성만 잃었다. 중합 속도와 불일치 수선은 정상이다. 이 균주에서 예상되는 결과는?