세포가 분열할 때, 'DNA'라는 유전 정보는 정확히 2배로 늘어나 균등하게 분배된다. 그런데 DNA는 어떤 메커니즘으로 복제되는 것일까? 실은 DNA 복제 도중에는 DNA에 상처가 생기거나 '복제 오류'가 종종 일어난다고 한다. 복제에 이상이 생기면 세포는 암이 되기 쉽다. 이런 문제에 대해 우리의 세포는 어떻게 대처하고 있을까? 한편, 'DNA의 상처'나 '복제 오류'는 전화위복이 되어 생물의 진화에 커다란 영향을 미친다.
0. 목차
- DNA의 구조
- 6~8시간에 전체 120억 개 문자의 복제를 완료한다.
- DNA 중합 효소
- DNA의 손상 대책
- DNA의 '복제 오류'와 '복구 누락'은 진화로 이어진다.
1. DNA의 구조
DNA는 사슬로 비유될 수 있는 가늘고 긴 두 가닥의 분자가 나선 모양으로 결합한 지름 2nm의 '이중 나선 구조(Double Helix Structure)'를 하고 있다. 'DNA(Deoxyribo Nucleic Acid)'의 Deoxyribo란 '당'의 일종인 '데옥시리보스(Desoxyribose)'를 가리킨다. '핵'은 DNA가 들어 있는 세포핵을 가리키고 '산(Acid)'은 '데옥시리보스(Desoxyribose)'끼리 연결하는 '인산'을 말한다. 즉, DNA는 데옥시리보스(Desoxyribose)'와 '인산(Phosphoric Acid)', 거기에 '염기(Base)'가 결합한 분자가 다수 연결된 것이다.
DNA는 그 분자 속에서 유전 정보를 나타내는 문자에 해당하는 '염기(Base)'를 가지고 있다. DNA의 염기는 '아데닌(A)', '티민(T)', '구아닌(G)', '사이토신(C)' 4종류로 이루어져 있다. '아데닌(A)'은 티민(T)'과 결합하고, '구아닌(G)'은 '시토신(C)'과 각각 결합해, DNA 분자 속에서 염기쌍을 만드는 성질이 있다. 여기서 이루어지는 결합의 종류는 '수소 결합(Hydrogen Bond)'이다. 한쪽 나선의 어떤 곳에서 염기가 정해지면 반대쪽 나선의 염기가 저절로 정해지므로, DNA는 복제하기 쉬운 성질을 본래 갖추고 있는 분자인 셈이다.
1-1. 섭취된 DNA의 행방
그러면 복제에 사용되는 부품은 어떻게 마련될까? 고기나 생선 건조 중량의 70% 정도는 단백질이지만, 10% 정도는 '핵산(Nucleic Acids)' 즉, 'DNA(Deoxyribo Nucleic Acid)'나 다양한 기능을 가진 'RNA(Ribonucleic Acid)'라는 성분이 차지하고 있다. 섭취된 핵산은 소화액 등에 의해, 그 부품 등으로 분해되어 다른 영양소처럼 흡수된다.
흡수된 부품은 직접적으로 DNA의 구성 요소가 되지는 않고, 세포 안에서 에너지원이 된다. 기본적으로 '당(Sugar)'이나 '아미노산'(Amino Acid)' 등을 원료로 부품이 조립되어 DNA의 복제에 사용된다. 신기하게도, 부품이 늘어날수록 새로운 부품은 만들어지기 어려운 메커니즘이 마련되어 있다. 따라서 DNA의 복제에 필요한 부품을 남거나 부족하지 않게 마련할 수 있다.
식품으로써 섭취된 DNA는 '췌장'에서 나오는 소화액 등에 의해 부품인 '뉴클레오티드'나 더 작은 구조가 될 때까지 분해하면서 흡수한다. 4종의 염기 가운데 '푸린체(Purine Bodies)'인 '아데닌'과 '구아닌'은 주로 간에서 최종적을 '요산(Uric Acid)'으로 변한다. 또 '티민'과 '시토신'은 '요소(Urea)'와 '이산화탄소' 등으로 변한다. 모두 대부분이 소변이나 대변으로 배출된다.
2. 6~8시간에 전체 120억 개 문자의 복제를 완료한다.
만약 120억 개의 문자가 있는 문서를 모두 손으로 베껴 쓴다면, 아득할 정도의 시간이 걸릴 것이다. 잘못 베껴 쓰거나 일부 문자를 빠뜨릴 수도 있다. 우리의 세포 하나하나에 있는 DNA에는 A·T·G·C의 4종의 염기가 합계 120억 개 배열된 '문서'가 씌어 있다. 세포는 그 문서를 최단 6~8시간 정도 사이에 단 몇 개의 오류만 남긴 채 복제할 수 있다.
'문서'를 나타내는 문자인 4종의 염기는 마주하는 사슬의 염기와 결합해 있다. 이때 원칙적으로 A는 반드시 T와, G는 반드시 C와 결합한다. DNA의 복제는 이러한 염기의 성질을 이용해, 붕어빵을 구워내듯이 이루어진다. 두 가닥의 사슬 각각에 늘어선 염기 배열이 모두가 틀이 되는 것이다. 틀의 역할을 하는 염기가 해독되고, 그것과 결합할 염기를 포함한 부품이 배열됨으로써, 이 비유에서 붕어빵에 해당하는 새로운 사슬이 만들어진다.
하나의 사슬에서 본을 뜨는 메커니즘이므로, 복제를 하기 위해서는 우선 2개의 사슬을 풀어야 한다. DNA는 동시다발적으로 풀린다. 푸는 표적이 되는 장소가, 사람의 경우에는 수만 곳이 있는 것으로 생각된다. 그리고 복제는 DNA의 곳곳에서 일제히 진행된다. 풀리는 장소의 수는 복제하기 시작할 때 많고, 복제된 문자의 양은 일정하지 않지만 평균적으로 1초에 수십만 문자가 복제되는 셈이다.
- 'A'와 'T'의 결합이 끊어진다: DNA의 복제는 A와 T가 많은 장소부터 시작된다. A와 T는 2개의 결합으로 묶여 있어, 3개의 결합인 G와 C의 염기쌍에 비해 약한 구조이다. 염기쌍의 결합을 끊는 단백질이 작용해 복제가 시작된다. '복제 시작점(복제를 시작하기 위해 필요한 구조)'는 생물종에 따라 다르다.
- 사슬의 쌍을 해소: 염기쌍의 결합이 끊어지면 DNA의 두 가닥 사슬이 풀려 쌍이 해소되어, 한 가닥의 사슬이 노출된다. 그리고 풀린 장소로부터 양쪽으로 지퍼처럼 열려 나가면서, 동시에 새로운 쌍이 되는 사슬이 만들어져 나간다. 한 가닥 사슬은 부서지기 쉬운 상태여서 가능한 피해야 하므로, 복제는 함부로 시작되지 않도록 제어된다.
- 한쪽은 길게 복제된다: 노출된 한 가닥 사슬에 대해 새로운 한 가닥 사슬이 만들어진다. 2개의 한 가닥 사슬 가운데 '선도가닥(Leading Strand)'의 합성은 연속적으로 일어난다. 아무것도 없는 곳에서 새로운 DNA를 만들기 시작할 수는 없으므로, 최초의 '발판'이 되는 'RNA'가 필요하다. RNA 부분은 나중에 제거되고 구멍이 메워진다.
- 다른 쪽은 조금씩 복제된다: 반대쪽의 '지연가닥(Lagging Strand)'의 합성은 불연속적으로 일어난다. '오카자키 절편(Okazaki Fragment)'은 DNA 복제가 불연속적으로 이러나는 '지연가닥(Lagging Strand)'에서 합성되는 상대적으로 짧은 길이의 DNA 조각을 말한다. 1968년 일본의 과학자 '오카자키 레이지(Reiji Okazaki)', '오카자키 쓰네코(Osuneko Okazaki)''와 동료들이 DNA의 복제를 연구하던 중에 이 짧은 DNA 조각을 발견하여 이를 '오카자키 절편'이라는 명명을 하게 되었다.
3. DNA 중합 효소
DNA의 복제는 한 가닥 사슬에 배열된 염기를 참조하면서 이루어진다. 다만 '참조한 염기'와 '결합한 염기'를 포함한 부품을 배열하는 것만으로는 안 되며, 사슬 부분을 연결해 나가야 한다. 이 역할을 담당하는 '복제 장치'가 단백질의 일종인 'DNA 중합 효소(DNA Polymerase)'이다. 즉, '중합 효소'는 부품이 되는 분자를 다수 연결해 나가는 반응을 중개할 수 있는 효소를 말하며, 'DNA 중합 효소'는 DNA 분자를 다수 연결해 나가는 반응을 중개한다.
3-1. 붙잡은 염기에 따라 'DNA 중합 효소'가 접혀 구부러지는 정도가 달라진다.
'DNA 중합 효소'는 막대 같은 것을 쥘 때의 '손'처럼 접혀서 구부러져, DNA의 사슬과 염기를 붙잡는다고 생각된다. '굵은 막대를 잡을 때'와 '가는 연필을 쥘 때'는 손을 펴는 정도가 다르다. 이와 마찬가지로 A · T · G · C의 4종의 염기는 분자의 크기 등이 다르기 때문에, 붙잡은 부분의 염기에 따라 'DNA 중합 효소(DNA Polymerase)'가 접혀서 구부러지는 정도가 달라진다.
염기를 붙잡았을 때, 거기에 결합한 염기와 사슬을 포함한 부품 1개가 정확히 들어가는 공간이 남는다고 한다. 'A(T)'를 잡았을 때는 'T(A)'를 포함한 부품, 'G(C)'를 잡았을 때는 'C(G)'를 포함한 부품이 들어가는 것이다. 부품이 들어가면 'DNA 중합 효소'라는 사슬을 연결하는 반응을 중개한다. 이렇게 해서 정확한 복제가 이루어진다.
3-2. 3종의 '선발 선수'
인간의 'DNA 중합 효소'의 종류는 20종에 가까우며, 각각 역할 분담을 하고 있다. 20종에 가까운 'DNA 중합 효소' 가운데 '선발 선수'로 활동하는 것이 'DNA 중합 효소 알파(DNA Polymerase α)', 'DNA 중합 효소 델타(DNA Polymerase δ)', 'DNA 중합 효소 입실론(DNA Polymerase υ)' 3개이다. 2개의 사실이 어느 쪽에 대해서도 '알파'가 복제를 시작한다. '알파'에는 복제를 시작하는 '발판'이 되는 RNA를 만드는 능력도 있기 때문이다.
그러나 '알파(α)'가 담당하는 것은 수십 염기 정도이며, 그다음에 긴 사슬을 만드는 쪽에서는 '입실론(υ)', 짧은 사슬을 만드는 쪽에서는 '델타(δ)'가 각각 복제를 담당한다. '입실론'과 '델타'는 '알파'와 달리, 잘못 연결된 부품을 삭제해 복제를 수정하는 능력을 겸비하고 있다. 따라서 '알파'가 10만 문자당 잘못될 비율은 십수 문자인데 반해, '델타'와 '입실론'은 10만 문자당 잘못될 비율은 1문자 이하이다.
3-3. 1개의 복제 장치는 초당 수백 문자를 복제할 수 있다.
기본적으로 어떤 'DNA 중합 효소(DNA Polymerase)'든 시험관 속의 조건에서는 1초에 수백 개의 문자를 복제한다. 그러나 세포 속에서는 1초에 수십 문자 정도를 복제하는 대신, 오류의 비율을 낮게 제어한다. 이것은 세포 안에서는, 다수의 단백질이 DNA 복제에 관여하고 있어 최적의 조건이 마련되기 때문이다. 예를 들면 '나선을 푸는 전용 단백질'이 있고, '복제 장치가 벗겨지는 것을 막는 단백질' 등도 있다. 또 세포 안의 DNA는 단백질과 결합에 있어 '알몸'이 아닌 점도 속도를 느려지게 한다.
4. DNA의 손상 대책
DNA를 복제하는 도중에는 다양한 장애물이 길을 막는다. 가장 대표적인 장애물은 태양광의 '자외선' 등에 의해 일상적으로 생기는 DNA의 상처이다.
4-1. DNA에 상처가 나도 '선수 교체'를 통해 정확하게 복제한다.
예컨대, 이웃하는 2개의 '티민(T)'이 붙어버리는 상처가 생기면, 그 부분은 극단적으로 부피가 커진다. 그러면 주요한 알파, 델타, 입실론 등의 주요 'DNA 중합 효소'는 염기를 정확하게 판독하거나 나아갈 수 없게 되어 새로운 부품을 붙일 수 없다. '상처의 종류'에는 이 밖에도 아데닌, 구아닌, 시토신이 가진 질소 원자 등이 산소 원자와 바뀌는 것, 그리고 '아데닌(A)'이나 '티민(T)'의 골조가 부서지는 것 등이 알려져 있다.
그래서 상처가 있어도 정확하게 복제를 계속할 수 있는 'DNA 중합 효소 에타(DNA Polymerase η)'가 등장한다. '에타(η)' 같은 '손상 극복형'의 'DNA 중합 효소'는 야구로 비유하면 특정 타자 한 선수만을 상대하는 구원 투수에 해당한다. '손상 극복형'인 'DNA 중합 효소(DNA Polymerase)'는 복제 반응을 중개하는 장소가 넓어, 예를 들면 붙어 버린 2개의 염기를 정확하게 판독해 합성할 수 있다. 한편 '손상 극복형' 'DNA 중합 효소'는 실수 없이 염기를 복제할 수 있는 능력은 일반적으로 낮으며, 한 번에 몇 개의 염기만을 합성할 수 있다.
4-2. '상처'는 방치되고, '복제'가 우선이다.
20종에 가까운 인간의 'DNA 중합 효소(DNA Polymerase)'의 대부분은 많든 적든 상처를 극복할 수 있다. 또 각각 전문으로 담당하는 상처가 다른데, 전문 분야가 다른 'DNA 중합 효소'들이 협력함으로써 DNA의 복제가 완수되는 것이다.
그런데 사실 생긴 상처는 일단 방치된다. 복제를 먼저 마친 다음, 상처의 종류에 따라 적절한 능력을 갖춘 전문가가 나중에 복구하는 것이다. 'DNA 복제가 이루어지는 기간(세포 주기의 S기)'이 끝난 바로 직후의 시기인 'G2기'에 점검이 이루워진다. 점검 결과, 상처가 복구될 때까지는 DNA의 분배가 시작되지 않는 메커니즘을 갖추고 있다.
4-3. 상처 없는 나선을 활용해 상처 입은 나선을 부활시킨다.
사실은 DNA의 복제는 문제가 생길 때마다 중단된다. 인간의 세포에는, 예를 들면 1회 복제당 DNA의 사슬에 1000~10000개의 절단점, 즉 '상처'가 생겨 비정상 상태가 된다. 절단점이 있는 쪽의 사슬에는 복제를 하는 데 필수적인 'Y자형 구조(복제 분기점)'가 붕괴되어 복제가 중단된다.
이때 복제 도중인 2조의 '이중 나선' 사이에 일시적으로 쌍을 이루는 사슬을 바꾸어 잇는 '대치'의 메커니즘이 작동하지 않으면 메커니즘이 작동하지 않으면 복제를 재개할 수 없다. 상처가 없는 두 가닥 사슬을 이용해 절단점이 있는 사슬을 복구해 Y자 구조를 부활시키는 것이다. 우선 상처 없는 두 가닥 사슬이 풀리고, 끊어졌던 두 가닥 사슬 가운데 한 가닥의 사슬이 들어와, 사슬의 쌍이 대치된다. 손상되었던 부분이 합성되면, 대치된 쌍은 합성된 부분과 함께 떼어져 원래의 쌍으로 돌아간다. 원래의 쌍으로 돌아오면 절단점은 남지만, 그곳은 메워지고, 다른 하나의 사실도 함성된다. 이렇게 2개의 두 가닥 사슬로 돌아올 수 있다.
이 '대치'란 방법은 위에서 설명한 '구원'이 잘 이루어지지 않은 경우에도 병행해서 사용된다. '대치'는 DNA에 '심한 상처'가 생겼을 때의 복구에도 유용하다. 여기서 말하는 '심한 상처'란 두 가닥의 사슬 일부가 모두 사라진 상태이다. 다행스럽게도 우리는 어머니와 아버지로부터 각각 DNA를 물려받는다. 또 세포 분열을 할 때 DNA가 복제된 다음에는 2조의 두 가닥 사슬이 만들어진다. 이것들과 같은 염기 배열을 일단 바꿔 이음으로써 심한 상처를 복구해, 잃어버린 유전 정보를 되찾을 수 있다.
'대치'의 메커니즘이 제대로 작용하지 않으면, 결과적으로 DNA가 손상되어 세포가 암으로 변한다. 실제로 미국의 여배우 '안젤리나 졸리(Angelina Jolie, 1975~)'가 유방 등을 예방 절제함으로써 알려진 '가족성 유방암·난소암'은 대치에 관여하는 유전자 'BRCA1/2'의 이상이 원인이 되어 발생한다. 하지만 대치가 잘못되면 왜 유방암·난소암이 되는지는 밝혀지지는 않았다.
5. DNA의 '복제 오류'와 '복구 누락'은 진화로 이어진다.
DNA의 복제는 기본적으로 정확하지만, 완벽하지는 않다. 실수하는 비율이 낮은 'DNA 중합 효소'인 '입실론(υ)'과 '델타(δ)'조차 10만 번 정도는 잘못된 염기를 포함한 부품을 배열해 연결한다. 또 'DNA 중합 효소(DNA Polymerase)' 가운데는, 판독한 염기가 없어졌어도 일단은 '시토신(C)'을 포함한 부품을 배열해 버리는 것 등이 있다. DNA가 중간에 끊어지면 세포 자체의 죽음으로 이어지기 때문에, 일단은 복제를 계속하는 일이 중요하기 때문에 일단 잇는 것이다. 그러나 그 결과 오류는 피할 수 없게 된다. 게다가 복제 등의 과정에서 불필요한 염기가 불필요한 염기가 더해지거나 염기가 빠지는 경우도 있다. 이러한 변화의 대부분은 영향을 미치지는 않는다. 그러나 드물게 단백질의 설계 정보인 유전자가 변하는 등의 영향이 나오는 경우도 있다. 그것은 세포나 개체의 성질을 바꾸는 원인의 하나가 된다.
원래 세포에는 '염기에 변화가 생겨도 그것을 복구하는 메커니즘'이 여러 종류 갖추어져 있다. 하지만 복구 메커니즘 또한 완벽한 게 아니다. 드물게는 '복구 누락'도 생겨서 원래의 DNA에서 배열이 변한 DNA가 분열한 세포에 전해지는 경우도 있다. 생명이 탄생한 이래 '복제 오류'나 '복구 누락'의 결과로 'DNA'는 계속 변해가고 있다. 이것이 바로 '진화(Evolution)'이다.
인간의 세포 분열에서는 '복제 오류'와 '복구 누락'의 확률을 종합하면, 1회의 DNA 복제당 10억 개의 문자에 1문자 정도 변하는 것으로 보인다. 정자나 난자에서 염기가 변하지 않는 한, 그 변화는 다음 세대에 전해지지 않는다. 한편 몸의 세포에서는 '복제 오류' 등에 의한 염기의 변화가 노화로 이어지거나 암세포가 생기는 하나의 원인이 된다.