제한 효소

제한 효소 EcoRI은 DNA에서 GAATTC라는 여섯 염기 서열을 찾아 그 자리를 자른다. 4000 염기쌍인 고리 모양 플라스미드를 EcoRI로 자르니 4000 bp 띠 하나가, BamHI로 자르니 역시 4000 bp 띠 하나가 나왔다. 두 효소를 함께 넣었더니 1500 bp와 2500 bp 띠 두 개가 나왔다. 염기가 아무렇게나 늘어서 있다면 이 여섯 글자는 얼마나 자주 나올까? 그리고 이 띠들로 두 자르는 자리의 위치를 어떻게 알아낼 수 있을까?

5.5.1서열을 알아보는 가위

제한 효소는 세균이 자기 몸에 들어온 바이러스의 DNA를 자르려고 만드는 효소이다. 효소마다 정해진 짧은 염기 서열을 알아보고 그 자리만 자른다. 세균은 자기 DNA의 같은 서열에는 메틸기를 붙여 보호하므로 자기 DNA는 잘리지 않는다. 알아보는 서열은 대개 앞에서 읽으나 상보 가닥을 뒤에서 읽으나 같은 회문 구조이다. EcoRI은 GAATTC의 G와 A 사이를 양쪽 가닥에서 엇갈리게 잘라, 한쪽 가닥이 튀어나온 끈끈한 끝을 남긴다.

여섯 염기를 알아보는 효소는 평균 \(4^6 = 4096\) 염기쌍마다 한 번 자른다. 그래서 4000 bp 플라스미드에는 한 군데쯤 있을 것으로 기대되고, 실제로 EcoRI과 BamHI이 각각 한 번씩 잘랐다. 네 염기를 알아보는 효소는 256 염기쌍마다 자르므로 훨씬 잘게 자른다. 실제 DNA는 염기가 고르게 섞여 있지 않아 이 기대에서 벗어나기도 한다.¹

5.5.2조각으로 지도 그리기

한 효소로 자른 결과와 두 효소로 함께 자른 결과를 비교하면 자르는 자리들의 상대 위치를 알 수 있다. 이것을 제한 효소 지도라 한다. 고리 모양 플라스미드를 하나의 효소로 잘라 띠가 하나 나오면 자리가 한 군데이고, 두 효소를 함께 넣어 두 띠가 나오면 두 자리 사이의 짧은 쪽 거리가 짧은 띠의 크기이다. 효소마다 잘 작동하는 온도와 완충액이 다르므로, 두 효소를 함께 쓸 때는 둘 다 작동하는 조건을 고른다. 시간이 모자라면 덜 잘린 조각이 남아 예상하지 못한 띠가 생긴다.

5.5.3예제 풀이

평균 4096 bp마다 한 번이므로 \(48\,502/4096 \approx 11.8\), 곧 약 12군데가 기대된다. 직선 DNA이므로 조각은 약 13개이다. 실제로 5군데만 잘렸다면 직선 DNA에서 조각은 \(5 + 1 = 6\)개이다. 기대보다 훨씬 적은 것은 람다 DNA의 염기 서열이 무작위가 아니어서 GAATTC가 드물게 나오기 때문이다.

HaeIII는 256 bp마다 한 번꼴이므로 4000 bp 플라스미드에서 \(4000/256 \approx 16\)군데가 기대되고, 고리 모양이므로 조각도 약 16개이다. 이렇게 잘게 잘린 조각들은 젤에서 겹쳐 번진 띠로 보인다. 즉 제한 효소는 정해진 서열에서 DNA를 자르고, 서열의 길이로 자르는 빈도를 어림하며, 여러 효소로 자른 조각의 크기로 자르는 자리의 지도를 그린다.

아래 탐구 카드에서 제한 효소로 자른 DNA를 전기 영동하여 조각의 크기를 읽고, 자르는 자리의 지도를 그려 보자.

1. 제한 효소는 1970년대 초 미국의 스미스와 네이선스, 스위스의 아르버가 연구해 1978년 노벨 생리의학상을 받았다. 이 효소 덕분에 DNA를 원하는 자리에서 자르고 붙이는 유전자 재조합 기술이 가능해졌다.