신만이 알 수 있었던 생명의 신비가 DNA연구로 밝혀지고 있다. 이중나선구조의 본질을 알아본다.
세계의 인구가 50억인데 비해 인체를 구성하는 세포의 수는 60조개의 달한다. 이 막대한 숫자의 세포가 서로 형태나 기능이 다르면서도 긴밀하게 협력하여 인간이 삶을 영위하도록 하는것은, 이들이 공통의' 언어'즉 유전자가 지니는 유전정보를 가지기 때문이다. 유전정보를 통해 세포들은 서로의 역할을 이해하며 필요한 정보를 교환하는것이다.
생명의 '설계도'
생물의 모양이나 형태, 성질을 형성하는 물질은 단백질이다. 생물체를 '집'에 비유한다면 그 '건축재료'는 거대하면서 복잡한 분자이며 제각기 독자적인 입체구조를 갖고 있는 단백질인 셈이다. 어떤 건축재료도 기초소재로 되어 있으며, 그 기초소재를 어떤 식으로 조합시키느냐에 따라 그 건축재료의 모양이 결정된다. 마찬가지로 생물체의 모습을 형성하는 단백질의 구조를 결정짓는 기초소재인 아미노산을 어떤 형태로 조합하느냐를 결정짓는 것이 유전자이다. 즉 생물체가'집'이라면 자재의 선택과 조립을 결정하는 DNA(유전자의 본체)는 그 집을 짓기 위한 '설계도' 라할 수 있다.
DNA는 생명현상의 중추적 기능인 생식과 유전을 담당하는 유전물질로서 생체 고분자 화학물질의 일종이다. DNA란 말은 데옥시리보핵산(Deoxyribo Nucleic Acid)의 약자로서, 이는 5탄당, 염기 및 인산 각 한 분자로 된 뉴클레오티드(Nucleotide)가 단위 구성체로 이루어진 중합체이다.
DNA의 입체구조는 마치 사다리를 오른쪽 방향으로 비틀어 회전층계를 만든 것과 같은 이중 나선 구조를 한 것으로서, 층계의 양손잡이는 인산과 5탄당이 결합된 골격이고, 일정 간격으로 놓은 계단은 한 쌍씩 짝을 이룬 염기로 이루워져 있다.
모든 생명체는 특징적인 형태와 기능을 나타낸다. 이는 그 생명체의 고유한 유전정보에 따라 발현된 결과이며, 이 정보가 DNA의 염기서열에 간직되어 있는 것이다. 따라서 DNA는 생명체의 특징을 가름하는 핵심 물질이라 할 수 있다. 흔히 생명체가 무생물과 구별되는 특징으로 구조적인 복잡성, 대사(代謝), 생식, 반응, 그리고 진화 등 5가지를 일컫는다. 이 가운데 생식은 그 생명체와 동일한 개체를 이루어 자손이 영원히 전파되도록 하는 자기증식 능력이며, 이는 유전물질인 DNA의 복제 과정을 통해 이루어지는 것이다. 이렇게 볼 때 DNA연구는 생명의 본질 규명의 핵심 과제가 되고 있음은 말할 나위도 없고, 그 응용 연구는 21세기 인류문명의 번영을 약속할 유전공학 그 자체와 직결되어 있다.
DNA 발견까지의 경로
DNA가 유전물질로 알려진 것은 1940년대 중반에 들어 와서이다. 그 이전의 오랜 기간 동안은 유전현상의 법칙규명과 DNA의 물리화학적 특성에 대한 연구가 각기 별개로 이루어져 왔다.
유전법칙의 발견은 1865년 '멘델(Mendel)로부터 비롯된다. 그는 완두콩의 잡종교배 실험을 통해 부모의 형질이 자손에 물려지는데는 일정한 우열, 독립 및 분리의 법칙에 따름을 처음 발견하였다. 그러나 오랜 세월 동안이 발견이 묻혀져 있다가 1900년데 '코렌스'등에 의해 '멘델'의 유전법칙이 재발견되게 되었다. 이어 초파리를 재료로 한 세포유전학의 발달에 힘입어 '모간(Morgan)은 1915년 유전법칙을 지배하는 유전인자는 염색체의 특정부위에 선상배열한다는 '염색체설'을 발표하였다. 또한 '비들'등은 1940년 '1유전자 1효소설'을 제창함으로써 한 개의 유전자는 한 개의 특정 단백질의 생성을 지배함을 알아냈다.
한편 DNA에 대한 연구는 '멘델'의 유전법칙 발견 3년 뒤인 1868년으로 거슬러 올라간다. '미셔'는 백혈구로부터 인산을 포함한 뉴클린(Nuclein)이란 물질을 분리하였는데, 이것은 산성 성분(DNA)과 염기성성분(단백질)의 물질로 구성되어 있음을 알았다. 그는 이듬해 라인강의 송어의 정자로부터도 이와같은 물질을 발견함으로써 DNA의 존재가 처음으로 알려지게 된 것이다. 그후 '류네(Leuene)는 DNA의 구성단위인 뉴클레오티드의 구조를 밝히고 이것이 핵산의 기본 단위구조임을 알았다. 그러나 이 DNA가 생명체에 있어 어떤 기능을 하는지는 알아내지 못했다.
DNA가 유전정보를 지닌다는 사실은 1944년 '애버리'(Avery) 등에 의해 폐염구균의 형질전환 실험으로 처음 입증되었다. 즉 생쥐에 폐염을 일으키는 병원성 세균을 열처리하여 죽인 뒤 여기서 추출한 DNA를 비병원성 세균과 함께 생쥐에 주사했더니 이를 주사받은 쥐는 폐염으로 죽었다. 이는 폐염을 일으키는 유전정보가 DNA에 있고, 이것이 비병원성 세균의 DNA에 영구히 결합하여 복제됨으로써 병원성으로 형질전환 되었기 때문이다. DNA가 유전물질임은 그 밖에도 '허쉬'(Hershey)와 '체이스'(Chase)가 1952년에 한 방사선 표지 실험으로 더욱 굳어졌다.
또한 '샤르가프'(Chargaff, 1950~1953) 등은 DNA의 특징을 연구하는 동안 중요한 사실 몇가지를 밝혀냈다. 즉 생물의 어느 한 종에 있는 DNA의 염기구성은 비록 조직이 다를 지라도 동일하며, 연령이나 영양분 그리고 환경의 변화에 관계없이 일정함을 알았다. 뿐만 아니라 염기중 아데닌(A)은 티민(T)과, 그리고 구아닌(G)은 시토신(C)과 그 양이 같고, 퓨린 염의 합은 피리미딘 염기의 합과 같음(A+G=C+T)을 발견하였다. 이같은 염기구성상의 특징을 '샤르가프'의 법칙이라 혀며, 이는 그후 DNA의 3차 구조결정에 큰 도움이 되었다.
'샤르가프'법칙과 함께 DNA의 3차 구조결정에 큰 도움이 된 것은 X-선 회절 장치를 이용한 DNA의 입체구조에 대한 정보이다. '프랭클린'과 '윌킨스'는 DNA의 결정을 재료로 그 입체구조 사진을 촬영한 결과 DNA는 섬유상 단백질과 같이 오른쪽 방향으로 꼬인 나선구조를 하고 있으며 3.4A와34A크기의 크고 작은 두개의 주기성을 나타내고 있음을 발견하였다.
분자유전학과 유전공학의 문을 연 DNA연구는 1953년을 기점으로 본격적으로 시작된다. 생명과학사상 불멸의 업적을 낸 '왓슨'과 '크릭크'는 이 해 4월 25일자 발행의 '네이쳐'(Nature)지에 1백28행의 짧은 논문인 '핵산의 분자'를 기고하였다. 여기서 DNA의 3차원적 구조가 밝혀졌으며, DNA가 반보존적인 복제방법을 통해 그 정보를 다음 세대로 전달한다는 유전기작의 분자론적 해명에 대해 명쾌하게 발표함으로써, DNA가 유전물질의 본체임을 입증하였던 것이다. 이들의 업적은 생물학에 있어'종의 기원'을 저술한 '다윈'(1859)의 업적에 버금가며, 20세기에 들어와 '아인슈타인'(1905)의 상대성 이론과 함께 2차 기술혁명을 창출케 한 원동력이 된 것이다.
DNA의 화학적 구조
유전물질의 본체인 DNA는 그럼 과연 무엇으로 구성되어 있으며, 유전자는 각 생명체에 어떤 상태로 존재하는 알아보자. 우선 화학적인 구조로 볼 때 DNA는 핵산의 일종으로 이를 구성하는 기본단위인 뉴클레오티드는 3가지 성분, 즉 질소원자를 포함하는 염기와, 탄수화물 성분인 5탄당, 그리고 인산이 각 한 분자씩 결합되어 있다.
먼저 염기를 보면 여기에는 탄소원자 5개를 갖는 피리미딘과 탄소원자 9개를 지닌 퓨린 등 두 종류가 있다. 피리미딘에는 피리미딘 기본구조의 1번 탄소 자리에 아미노(NH₂)기가 붙은 시토신(C)과, 5번 탄소에 메틸(CH₃)기가 붙고, 2번과 4번 자리에 산소가 붙은 티민(T)으로 나뉜다. 다음 퓨린은 6번 탄소 자리에 아미노기가 붙은 아데닌(A)과 2번 자리에 아미노기와 6번 자리에 산소가 있는 구아닌(G)이포함된다. 이와같은 C,T,A,G 등 4종류의 염기는 3개가 한조가 되어 하나의 특정 아미노산을 지시하는 유전부호로 쓰이는 것이다.
두번째 성분인 5탄당은 5개 탄소원자로 구성된 데옥시리보스로서 2번탄소원자에 붙은 하이드록실(OH)기의 산소가 떨어져 나간 구조를 하고 있다. 이 5탄당 한 분자에 염기 한 분자가 결합한 구조를 뉴클레오시드(Nucleoside)라고 하며, 그 결합방식은 5탄당의 1번 탄소자리에 피리미딘의 1번자리의 질소나, 또는 퓨린의 9번자리의 질소가 글리코시딕 결합으로 이어져 있는 것이다.
세번째 성분인 인산은 5탄당의 5번 탄소 자리에 결합함으로써 뉴클레오티드를 이룬다. 따라서 DNA는 여러개의 뉴클레오티드의 인산기가 5탄당의 3번과 5번탄소 사이에 포스포디에스터의 연쇄결합으로 이어진 중합체, 즉 폴리뉴클레오티드인 것이다.
이중나선구조의 본질
이와같은 DNA의 화학적 성분은 어떠한 공간적인 배열을 하고 있으며, 이것이 유전정보의 구성과 발현에 어떻게 관련되는지 알아보자. '왓슨'과 '크릭크'가'샤르가프'법칙과 DNA의 X-선 회절장치의 결과를 토대로 제시한 DNA의 3차구조에 대한 모델의 특징은 다음과 같다.
첫째 DNA는 이중나선구조이다. 즉 5탄당과 인산으로 이루어진 두개의 골격은 DNA분자의 외각에 위치하며, 축을 중심으로 오른쪽으로 꼬인 나선형 구조를 이룬다. 또한 이 두골격의 방향은 평행이 아닌 반극성으로서 3',5' 포스포디에스터 결합이 서로 반대방향으로 달린다.
둘째로 염기쌍을 이룬다. 한쪽 사슬에 붙은 염기는 다른 한쪽 사슬의 염기와 짝을 짓는데 반드시 A는T와 2개의 수소결합으로, 그리고 G는 C와 3개의 수소결합에 의해 연결된다. 이 염기쌍들은 축에 직각방향으로 나란히 골격의 안쪽에 위치한다.
셋째 이중나선의 입체구조는 직경 20A(1A=1억분의 1㎝)폭에, 인접한 염기쌍의 거리가 3.4A 그리고 10개 염기쌍의 거리는 34A으로 나선형의 1회전에 해당한다. 또한 소수성 비용해질인 염기가 안쪽 패인 자리에 위치하고, 친수성 당류와 하전을 띤 인산이 외각의 튀어나온 부분에 위치하기 때문에 DNA가 자체로 산성 성질을 띠게 된다.
끝으로 두 사슬은 상보적(相補的)이다. 염기의 서열과 구성에 있어 두사슬은 서로 다르지만, 이들이 복제할 경우 각 사슬은 새로 만들어질 사슬의 주형으로 작용하기 때문에 복제의 결과 새로 합성된 DNA분자의 염기구성과 서열은 동일하게 된다.
유전자를 구성하는 DNA
그러면 DNA가 여러 종류의 생명체에 어떤 상태로 유전자를 구성하는지 알아보자. 유전자라 함은 특정형질 즉 한개의 폴리펩티드를 결정하는 DNA상의 일정부위로서 그 유전자의 집합체를 '게놈'(Genome)또는 염색체라 한다.
먼저 작은 DNA 바이러스의 일종인 ΦX174는 5천3백86개의 염기로 된 고리모양의 외가닥 DNA사슬로 되어 있는데, 이것은 10개의 유전자가 포함된 길이1.7μ의 크기를 갖는다. 보다 큰 T₄세균 파아지의 경우는 2백개의 유전자가 18만2천개의 염기에 간직되어 있는 이중나선구조로서 파아지 머리부분에 실패에 감긴 실처럼 존재한다.
다음 원핵세포의 대표격인 박테리아는 3천~5천개의 유전자가 4백60만개의 염기에 간직되어 있으며, 1.4㎜에 달하는 큰고리 모양의 DNA가 수없이 감기고 꼬여서 초나 선구조를 이룬다. 여기에는 폴리펩티드의 아미노산 서열을 결정하는 구조유전자, 복제 및 전사 관련 효소의 인식부위로 작용하는 조절유전자, 그리고 조절유전자 산물의 결합부위인 오페론 등이 포함된다.
마지막으로 사람의 경우 한 개의 세포에 5만~10만개의 유전자가 56억개의 염기에 간직되어 있으며, 그 길이는 1.74m에 달한다. 46개 염색체는 각각 2백개 염기쌍의 DNA와 8개분자의 핵단백으로 구성된 1억분의 1m길이의 뉴클레오좀(Nucleosome)이란 기본구조로 이루어져 있다. 이것은 다시$\frac{1}{40}$로 압축되어 3억분의 1m의 솔레노이드(Solenoid)로 축소되고 이것이 다시 초나선구조로 1백~2백분의 1로 응축되어 염색질을 만든다. 따라서 본래 DNA의 길이보다 5천~1만분의 1로 응축된 상태로 되는 것이다.
DNA의 복제
세포분열에서는 하나의 모세포에서 두개의 딸세포가 생성된다. 딸세포나 모세포도 같은 능력을 지닌 세포이므로, 당연히 모세포의 DNA도 그대로의 형태로 각 딸세포로 전승되지 않는다. 즉 DNA도 두 배로증식되어 있을 필요가 있다.
이처럼 DNA가 두 배로 증식하는 과정이 자기복제이다. 이때 DNA의 수소결합이 풀어져 이중나선구조가 2가닥의 DNA로 된다. 이 한가닥 DNA를 각각 주형으로 하여, 주형과 상보적인 염기배열을 갖는 새로운 이중나선의 DNA가 2분자 생긴다. 이렇게 만들어진 새로운 DNA는 반드시 원래의 가닥과 새로운 가닥이 합쳐져 만들어진다.
복제과정에는 여러가지 효소가 필수적이다. 우선 이중나선이 꼬여있는 것을 푸는 효소가 있어야 하고, 합성을 시작하고 끝맺을 때, 그리고 염기배열을 수정하거나 사다리의 틈을 메울 때 갖가지 효소가 필요하다.
단백질의 합성 과정
DNA가 유전정보를 가지고 있기는 하지만 그 자체가 생물적인 활성을 갖고 있지는 않는다. 구체적인 생명활동의 주역은 단백질이다. DNA의 유전정보를 바탕으로 단백질이 합성되는 과정을 알아보자.
앞에서 우리는 생물체를 '집'에 비유할때 DNA는 '설계도'에 해당한다는 것을 알았다. 즉 단백질이라는 건축재료를 어떻게 만들며, 그것을 가지고 어떤 모양의 집을 짓느냐 하는 것이 DNA의 역할이다. 그러나 설계도만 가지고 집이 완성되는 것은 아니다. 작업을 진행시키는 것이 필요한 것이다. DNA의 지시에 따라 현장에서 작업원을 움직이는 것이 RNA이다. 전령 RNA(mRNA)는 DNA의 설계도를 복사해 오며 운반RNA(tRNA)는 기초소재인 아미노산을 운반해 오는 역할을 한다. 이때 단백질 합성의 작업대는 리보솜이다.
이 과정을 조금 자세히 살펴보자. 유전자로부터 단백질이 만들어지는 과정은 우선DNA상의 염기배열이 RNA로 상보적으로 옮겨지고, 그 RNA가 단백질을 합성하는 것이다. DNA에서 RNA까지의 단계를 전사(轉寫), RNA에서 단백질 합성까지의 단계를 번역이라 한다.
전사단계에서는 먼저 RNA폴리메라제라는 효소의 작용에 의해 전령RNA가 합성된다. 이 효소는 DNA분자를 따라 일정한 방향으로 움직이면서 DNA상의 염기배열에 대응하여 RNA의 소재를 하나씩 결합시켜 간다. 이때 DNA상의 염기A에는 전령RNA의 염기 U가, T에는 A, G에는 C, C에는G가 대응한다.
번역의 과정에서는 전령RNA 위에 나란히 이웃한 3개의 염기마다 1개씩의 아미노산이 대응하여 단백질이 만들어진다. 이 경우 3개의 염기가 어떻게 배열하는가에 따라 대응하는 아미노산의 종류가 달라진다. 예컨대 AUG라는 염기의 배열은 메티오닌, GAG는 글루타민산이라는 단백질과 대응하는 것이다. 이 3개의 염기를 '코돈'이라 부른다.
3개의 염기의 배열과 이에 대응하는 아미노산의 관계는 기본적으로 지구상의 모든 생물에 공통적이다. 유전정보가 모두 공통의 문자와 언어로 쓰여져 있다는 사실은, 지구상의 생물이 단일한 생물로부터 진화해왔다는 유력한 근거가 된다.
전령RNA위의 유전암호를 아미노산에 대응시키는 역할을 맡는 것이 운반RNA(tRNA)이다. 운반RNA의 끝부분의 CCA가 아미노산과 결합한다. 중앙에는 전령RNA의 유전암호에 대응하는 '안티코돈'이라는 부분이 있는데, 이것이 전령RNA의 '코돈'에 대응하는 운반RNA상의 염기배열이다(그림3 참조).
리보솜에서의 단백질 합성은 전령RNA의 '코돈'이 AUG인 곳에서 시작하여 UAA, UAG, UGA의 어떤 '코돈'이든지 만나면 중지하게 된다. 이렇게 하여 만들어진 단백질로 생물은 다양한 생명활동을 영위하는 것이다.
