DNA 복제

세포가 분열하기 전에 DNA는 똑같이 하나 더 만들어진다. 이중 나선 구조가 밝혀지자 복제 방식에 세 가지 가능성이 떠올랐다. 원래 DNA는 그대로 두고 완전히 새 DNA를 만드는 방식, 두 가닥을 풀어 각각을 주형으로 새 가닥을 붙이는 방식, 조각조각 섞이는 방식이다. 1958년 메셀슨과 스탈은 질소 동위 원소로 이 셋을 가려냈다. 어떻게 했을까?

¹⁴N 배지로 옮긴 뒤 세대

1.7.1메셀슨–스탈 실험

질소의 무거운 동위 원소 ¹⁵N이 든 배지에서 대장균을 여러 세대 기르면 DNA의 염기가 모두 ¹⁵N을 가져 무거워진다. 이 대장균을 보통 질소 ¹⁴N 배지로 옮기면 그 뒤에 만들어지는 가닥은 가볍다. DNA를 염화 세슘 용액에서 원심 분리하면 밀도에 따라 서로 다른 높이에 띠가 생기므로, 무거운 DNA, 가벼운 DNA, 반반인 DNA를 구별할 수 있다.

그림 1에서 세대를 바꾸어 보자. 1세대 DNA는 모두 중간 무게였다. 원래 DNA를 그대로 두는 보존적 복제라면 무거운 띠와 가벼운 띠가 나와야 하므로 이 가능성은 버려졌다. 2세대에는 중간과 가벼운 띠가 반반이었다. 조각조각 섞이는 방식이라면 띠가 하나로 점점 가벼워져야 하므로 이것도 버려졌다. 그래서 반보존적 복제만 남았다.¹

1.7.2복제의 과정

헬리케이스가 이중 나선을 풀면 DNA 중합 효소가 각 가닥을 주형으로 새 뉴클레오타이드를 붙인다. 중합 효소는 새 가닥을 한쪽 방향(5′→3′)으로만 늘릴 수 있다. 두 가닥은 방향이 반대이므로, 한 가닥(선도 가닥)은 풀리는 방향으로 계속 이어지고, 다른 가닥(지연 가닥)은 짧은 조각으로 거꾸로 만들어진 뒤 연결 효소가 조각을 잇는다. 이 짧은 조각을 발견자의 이름을 따서 오카자키 절편이라 한다.

1.7.3예제 풀이

3세대에는 DNA가 \(2^3 = 8\)개이고, 원래 ¹⁵N 가닥 2개가 각각 다른 DNA에 들어 있다. 그래서 중간이 2개, 가벼운 것이 6개로 비는 1 : 3이다. 세대가 늘어도 중간 띠의 DNA 수는 2개로 그대로이고, 비율만 \(\dfrac{2}{2^n}\)로 줄어든다.

두 분기점이 함께 1초에 2000 염기쌍씩 복제하므로 \(\dfrac{4.6 \times 10^6}{2000} = 2300\) s, 곧 약 38분이다. 그런데 대장균은 좋은 조건에서 20분마다 분열한다. 이는 이전 복제가 끝나기 전에 다음 복제를 시작해 겹쳐 진행하기 때문이다. 사람은 유전체가 훨씬 길어 염색체마다 수천 곳에서 동시에 복제를 시작한다.

아래 탐구 카드에서 DNA가 복제될 때 원래 가닥이 어디로 가는지 세대별로 직접 따라가 보자.

1. 이 실험은 '생물학에서 가장 아름다운 실험'으로 불린다. 결과가 너무 뚜렷하여 세 가설 가운데 둘을 한 번에 지웠기 때문이다.