복제기전 메카니즘: 뉴클레오솜, 엑소뉴클레아제

뉴클레오솜

디옥시리보핵산은 박테리아 세포나 진핵생물의 핵에 맞도록 고도로 응축되어야 합니다. 진핵생물에서 히스톤 단백질은 디옥시리보핵산을 염색질로 응축시키는 데 사용됩니다. 염색질의 기본 구조는 뉴클레오솜이며, 뉴클레오솜은 히스톤 팔량체 주위에 거의 두 번 감긴 디옥시리보핵산을 포함합니다. 디옥시리보핵산을 핵에 맞추려면 더 많은 압축이 필요합니다. 뉴클레오솜은 스스로 접혀서 30 나노미터 섬유를 형성하고, 이것은 다시 접혀 300 나노미터 섬유를 형성하고 유사분열 중에 추가 압축이 일어나서 직경이 700 나노미터인 염색분체를 형성할 수 있습니다. 디옥시리보핵산의 복제 및 전사와 같은 과정은 염색질 환경에서 발생해야 하며 압축 수준으로 인해 디옥시리보핵산과 상호 작용해야 하는 단백질에 대한 장벽 역할을 합니다. 따라서 염색질 구조는 진핵생물에서 유전자 발현 조절과 같은 과정에서 중요한 역할을 한다. 디옥시리보핵산과 히스톤 단백질은 화학적으로 변형될 수 있으며, 이들은 디옥시리보핵산 서열을 변경하지 않기 때문에 후성적 변형이라고 하지만, 세포 분열 동안 또는 후대에 전달될 수 있으며, 이는 후성 유전으로 알려진 과정입니다. 이러한 후성유전학적 변형은 염색질 구조를 변경할 수 있기 때문에 유전자 전사를 조절하고 표현형에 영향을 미칠 수 있습니다. 후성 유전학은 지능발달, 암, 행동장애 및 중독을 포함한 많은 병리적 과정에서 핵심적인 단서를 제공합니다. 핵 조직은 유전자 전사 조절을 포함한 많은 생물학적 과정에서 중요한 역할을 합니다. 최근 몇 년 동안 현미경을 포함한 여러 기술의 발전으로 게놈이 구성되는 방식을 이해할 수 있게 되었습니다. 개별 염색체는 핵 내에서 무작위로 떨어져 있지 않습니다. 각 염색체에는 고유한 영역이 있습니다. 다른 염색체의 활성화된 전사 영역은 종종 서로 가깝게 붙어있고, 핵 내부 근처에 있는 반면, 비활성 유전자는 리보솜 리보핵산이 전사되는 핵소체라고 하는 주변 또는 특수 영역 근처에 있습니다.

 

유전자 복제

세포가 분열할 때마다 세포 내에 존재하는 각 염색체의 두 복사본을 합성할 필요가 있습니다. 예를 들어 인간의 경우 세포 분열 전에 23쌍의 염색체가 모두 복제되어 46쌍을 형성해야 하므로 세포 분열 후 각 딸 세포는 완전한 상보체 23쌍의 염색체를 갖게 됩니다. 디옥시리보핵산의 구조는 유전자가 어떻게 복제되는지에 대한 단서를 제공합니다. 이것은 왓슨(Watson)과 크릭(Crick)이 1953년 논문에서 다음과 같이 설명했습니다. 각 가닥은 상보적 가닥의 합성을 위한 주형으로 작용할 수 있으므로 복제 기계는 이중 나선을 압축하고 기존의 부모 가닥 두 개를 복사합니다. 디옥시리보핵산 복제가 반보존적이라는 증거는 매튜 메셀슨(Matthew Meselson)과 프랭클린 스탈(Franklin Stahl)이 수행한 실험에서 나왔다. 그들은 질소의 무거운 동위원소를 포함하는 성장 배지에서 박테리아를 성장시켜 이로부터, 부모 디옥시리보핵산을 표지 했습니다. 그런 다음 그들은 가벼운 동위원소를 포함하는 배지에서 새로 합성된 디옥시리보핵산이 가벼운 동위원소를 포함하는 조건에서 박테리아를 키웠습니다. 디옥시리보핵산 복제는 반보존적이기 때문에 1회의 디옥시리보핵산 복제 후에 각 세포는 디옥시리보핵산 무거운 동위원소로 표지된 하나의 오래된 모 가닥과 가벼운 동위원소로 표지된 하나의 새로운 딸 가닥을 포함하는 분자를 포함하게 됩니다. 이것은 밀도구배 원심분리를 이용하여 디옥시리보핵산의 밀도를 분석함으로써 나타났다. 예상대로 새로운 딸 디옥시리보핵산 분자가 무거운 동위원소와 가벼운 동위원소를 모두 포함하고 이 딸 디옥시리보핵산이 무거운 동위원소를 가진 한 가닥과 가벼운 동위원소를 가진 다른 한 가닥을 포함한다는 사실과 일치하는 밀도를 가지고 있음을 관찰했습니다.

 

디옥시리보핵산(DNA) 중합효소

효소인 디옥시리보핵산 중합효소는 디옥시리보핵산의 합성을 담당합니다. 디옥시리보핵산 중합효소는 주형 구동 효소이므로 부모 디옥시리보핵산 가닥을 주형으로 사용합니다. 템플릿이 없으면 디옥시리보핵산을 합성할 수 없습니다. 또한 기존 핵산 사슬의 3번 말단에만 뉴클레오티드를 추가합니다. 디옥시리보핵산의 합성을 위한 구성물질은 디옥시 뉴클레오시드 삼인산입니다. 디옥시리보핵산 합성 동안 들어오는 디옥시뉴클레오시드 삼인산(deoxynucleoside triphosphate) 내의 염기는 주형 가닥의 상보적인 염기와 쌍을 이루며, 들어오는 뉴클레오티드의 5번 인산염과 기존 핵산 사슬의 3번 하이드록실 사이에 포스포 디에스테르 결합이 형성됩니다. 이 과정에서 피로인산이 방출됩니다. 피로인산은 디옥시리보핵산 사슬에 통합되지 않은 디옥시 뉴클레오시드 삼인산 구조 내의 2개의 인산염 잔기입니다. 디옥시리보핵산 중합효소는 사슬의 3번 말단에만 뉴클레오티드를 추가할 수 있기 때문에 5번 말단에서 3번 말단 방향으로 디옥시리보핵산을 합성합니다. 디옥시리보핵산 중합효소는 교정 활성이 있으므로 포스포 디에스테르 결합이 형성된 후 염기쌍을 확인하고 잘못된 염기를 가진 뉴클레오티드가 추가되면 디옥시리보핵산 중합효소는 3번 말단에서 5번 말단 방향으로, 엑소 뉴클레아제 활성을 사용하여 뉴클레오티드를 제거합니다. 엑소 뉴클레아제는 디옥시리보핵산 분자의 말단에서 뉴클레오타이드를 제거할 수 있는 효소이고, 3번 말단에서 5번 말단 방향으로 활동하는 엑소 뉴클레아제는 디옥시리보핵산 분자의 3번 말단에서 뉴클레오타이드를 제거하므로 디옥시리보핵산 복제 중에 추가된 마지막 뉴클레오타이드를 제거할 수 있습니다. 디옥시리보핵산 중합효소는 주형의 사본을 만들기 시작하기 위해 3번 탄소에 붙어있는 하이드록실이 있는 짧은 이중 가닥 영역이 필요합니다. 이것은 디옥시리보핵산이 통제된 방식으로 합성되도록 합니다. 디옥시리보핵산 합성의 개시는 효소 프라이메이즈에 의해 만들어진 작은 리보핵산 프라이머는 8개에서 12개 가량의 염기를 사용합니다. 그러면 디옥시리보핵산 중합효소는 주형을 복사하고 딸 디옥시리보핵산 가닥을 합성하는 프라이머에서 확장됩니다. 이것은 디옥시리보핵산 합성이 처음 시작될 때 각 디옥시리보핵산 분자가 실제로 5번 말단에 작은 리보핵산 조각을 포함한다는 것을 의미합니다. 이 리보핵산은 궁극적으로 디옥시리보핵산으로 대체될 것입니다.