DNA
1. 개요
'''d'''eoxyribo'''n'''ucleic '''a'''cid
대부분의 생명체(일부 바이러스 제외[1])의 유전 정보를 담고 있는 화학 물질의 일종이다. 현대 분자생물학의 필수요소이며, 생물학 하면 떠오르는 대표적인 이미지인 이중나선 구조의 주인공.
DNA는 본래 세포 내에서 가느다란 실[2]과 같은 형태로 존재한다. 그러나 세포가 분열할 때 DNA의 이동의 편리를 위해 DNA가 엉겨붙으며 굵직한 구조체를 형성하게 되는데 이를 염색체라고 한다. 또한, DNA에 저장된 유전 정보 그 자체를 유전자라고 한다.
2. 발견
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제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 DNA의 구조를 밝히기 위해 머리를 굴려가며 모형을 짜맞추고 있었다. 그러다가 실제 구조에서 겉과 속을 뒤집은 형태의 모형을 만들어서 발표했는데, 이 모형은 소수성 염기가 물과 접촉하고 친수성 인산들이 안에 들어간 데다가 인산끼리 서로 반발하는 힘이 강하여 구조적으로 불안정하였기 때문에 화학적으로 검증된 DNA의 안정성과는 배치되는 형태였다. 당시 결정학자이자 X선 회절 전문가인 로절린드 프랭클린도 이 발표를 들었고, 그녀는 이 예측을 평가절하한 바 있다. 사실 왓슨과 크릭은 당시에 본인들이 직접 실험을 할 수도 없고, 다른 학자들로부터 데이터를 얻을 수도 없었다. 그래서 일단 종이를 잘라 모형을 만들어 끼워맞추다가 적절한 구조를 만들어내면, 나중에 누군가가 실험으로 증명할 것이라는 발상을 했다. 이는 관찰 및 실험으로 입증하여 자연의 현상을 탐구하는 전통적인 과학적 방법론을 따라야 하는 당시 과학자들에게 있어서는 일종의 사도에 가까운 길을 걸은 것이다.[3] 그러다가 그들이 속했던 캐번디시 연구소의 로렌스 브렉 소장이 DNA 구조 관련 연구를 중단하고 단백질 연구에 매진하라고 명령하였지만, 그들은 아랑곳하지 않고 연구를 계속했다.
왓슨과 크릭은 DNA의 모형을 조정하여 제대로 된 모델을 만들어낸다. 이 과정에서 프랭클린의 지적에서 많은 힌트를 얻은 것으로 보인다. 앞에서도 언급했듯이 DNA의 뼈대 부분이 바깥쪽에 있어야 한다고 지적한 것도 프랭클린이었다. 문제는 이 모델을 뒷받침할 수 있는 증거자료였다.
프랭클린이 발견한 DNA X선 회절 사진
그들은 그 결정적인 증거자료를 프랭클린과 모리스 윌킨스가 일하던 연구소에서 얻게 된다. 프랭클린은 연구소를 떠나 버크벡 대학으로 옮기게 되었고, 그 전에 갖고 있던 자료를 동료 연구자인 윌킨스에게 공유하라는 지시를 받은 상태였다. 윌킨스는 그가 넘겨 받은 자료 중 프랭클린이 100시간에 걸쳐 자신이 고안한 카메라 장치로 촬영한 깨끗한 X선 회절 사진을 왓슨과 크릭에게 보여 준다. 이것은 모델에 대한 결정적 근거였는데, 프랭클린의 동의를 받지 않고 그녀의 자료를 이용한 것 때문에 이에 대한 논란이 있었다. [4] 왓슨과 크릭은 윌킨스에게 논문 공동저자가 되자고 권했지만 윌킨스는 거절했다. 왓슨과 크릭은 논문을 발표하면서 "윌킨스와 프랭클린의 출판되지 않은 자료들에서 영감을 받았다"는 각주로 간단하게 언급하고 만다.
논문을 완성한 왓슨과 크릭은 네이쳐 편집장이었던 학장에게 부탁하여 결국 2페이지 분량의 논문을 발표하였다. 이 논문에는 어떠한 데이터도 없었고, DNA 구조에 대한 그들의 추론과 직접 그린 DNA 구조, 그것도 무슨 화학물질이 들었는지 아무 설명도 없이 그냥 선만 그려놓은 것이 전부였다. 이 논문만 본다면 황당할 수 있겠지만, 사실 이 논문과 같은 호에 그들이 만든 모델을 뒷받침해주는 모리스 윌킨스의 논문과 로잘린드 프랭클린의 논문이 같이 실렸다. 그래서 당시 독자들은 왓슨과 크릭의 논문에서 "DNA구조가 이랬단 말인가!" 하며 뒤통수를 얻어맞은 기분이 되었다가, 바로 뒷 페이지에 실린 윌킨스의 논문과 프랭클린의 논문을 읽고 그 데이터와 결론을 왓슨과 크릭의 구조 예측으로 설명하면 완전히 간결하게 맞아 떨어진다는 것을 알게 되었다. 가지고 있는 실험 데이터가 전혀 없었던 왓슨과 크릭은 애초에 이러한 효과를 노리고 무리해서라도 그 짧은 논문을 프랭클린의 논문 투고 시기에 맞춰서 급하게 낸 거였고, 덕분에 당시 DNA를 X선 회절 사진으로 연구하던 학자들 사이에서 화제가 되었다. 그리고 얼마 뒤 왓슨과 크릭은 자기네 예측을 깔끔하게 정리하여 후속 논문을 제출했고, 이 논문에서 X선 회절 사진을 제공한 윌킨스를 공동저자로 끼워준다. 그 논문은 실로 예술이었는데, DNA가 이중나선이며 A-T, G-C 상보적 결합을 통해 한 가닥만 있어도 다른 가닥을 그대로 만들 수 있기 때문에 복제도 가능한 구조라는 것을 모두 멋들어지게 밝힌 논문이었다. 이 공로로 왓슨, 크릭, 윌킨스는 노벨 생리의학상을 1962년에 수상한다.
하지만, DNA 구조 발견에 결정적인 증거를 발견한 로절린드 프랭클린은 1958년에 37세에 난소암으로 요절하여 수상하지 못했다. 노벨상은 이미 죽은 사람한테는 수여되지 않기 때문이다. 하지만 프랭클린의 공로가 잘 알려지지 않았기 때문에 후에 그 공로가 재발견됐을 때 성차별 및 업적을 가로채기 논란에 휩싸였다. 다만 왓슨과 크릭 입장에서는 억울할 수 있는 것이, 애초에 프랭클린이 그들의 이론을 납득하지 않았고, 그래서 공동저자 제안도 받아들이지 않았다.[5] 그리고 프랭클린이 살아있었어도 노벨상을 받지 못했을 것이라는 암울한 추측도 많다. 프랭클린은 자기 혼자서 데이터를 모두 정리하려고 했기 때문에 노벨상을 수상하게 해준 그 논문에서 제4 저자로 실렸고 노벨상은 한꺼번에 3명까지만 받을 수 있기 때문이다. 프랭클린보다 실험 기술이 떨어져 깔끔한 사진을 찍지 못하던 윌킨스는 왓슨과 크릭에게 자신의 데이터를 적극적으로 지원하여 제3 저자로 실린 것과는 대조적이다. 왓슨은 노벨상 수상 이후 "이중나선"이라는 책을 집필하였는데 이 책을 통해 이중나선의 발견 과정이 상세히 알려지면서 공로에 대한 논란이 더 커졌다.
세간과 학계의 사람들은 "이중나선"을 읽으면서 결국 실험 데이터를 모두 뽑아냈던 윌킨스와 프랭클린의 업적이 그저 예측과 결과 분석을 수행한 왓슨과 크릭보다 훨씬 높고 왓슨과 크릭은 그 두 사람의 연구를 사실상 도둑질하여 재구성한 것에 불과한 것이 아니냐는 의문을 가지게 되었고, 결국 왓슨과 크릭은 끝없이 해명과 자기변호를 해야만 했다. 이는 충분히 합리적인 문제제기였는데, 학계에 제출되는 모든 출간물과 발표의 저자 기여도에서 가장 큰 비중을 차지하는 것 중 하나가 실험의 기획과 설계를 맡는 것이 누구냐이기 때문이다. 실험을 설계하는 것[6]과 결과를 분석하는 것 두 가지가 저자 기여도에서 가장 중요한 두 부분인데, 논문에서 알 수 있듯이 왓슨과 크릭은 결과 분석만 수행한 것이다. 그러므로 그들이 실험의 설계와 수행을 모두 수행한 윌킨스나 프랭클린을 제치고 영예를 차지하는 것이 과연 바람직한 일이냐는 생각은 누구나 가질 수 있는 것이었다. 핵심적인 아이디어인 이중나선구조와 이를 통한 DNA의 자기복제 기작, 샤가프 법칙의 인용 등은 분명 왓슨과 크릭의 공로이긴 하지만. 과연 프랭클린의 사진과 데이터들이 없었어도 왓슨과 크릭이 이중나선모형을 발견할 수 있었을 것인지, 또는 역으로 왓슨과 크릭이 없었으면 프랭클린이 독자적으로 자신의 데이터를 활용해서 이중나선모형의 발견자가 될 수 있었을지에 대해서는 논란이 분분하다. 윌킨스가 프랭클린과 사이가 좋지 않았고 왓슨과 더 친했던 것, 왓슨과 크릭이 프랭클린보다 윌킨스를 더 인정했던 것이 남녀에 대한 차별 문제인지 단지 인간관계 문제였는지도 보는 관점에 따라 다르다.
DNA 구조 발견 이후 왓슨과 크릭은 한 바이러스의 구조를 밝혀내는 추가 공동연구를 수행하기도 하였다. 이후 왓슨은 분자생물학 교과서 (우리나라에서도 이 책을 쓰는 학교가 많다)를 저술하기는 하였으나 연구하는 과학자보다는 행정가로서의 길을 가게 되었다 (콜드스프링하버 연구소장, 휴먼지놈프로젝트 제창 등). 크릭은 DNA → RNA → 단백질 합성으로 이어지는 센트럴 도그마의 아이디어를 내놓았고 그와 관련한 지속적인 연구에 매진하여 분자생물학계의 거두로 자리매김한다. 사실상 현대 생물학의 기초를 만든 것은 크릭이라고 봐도 좋다. [7]
한편 화학자로서 화학결합의 개념을 정립하는 데 큰 기여를 한 라이너스 폴링 역시 DNA의 구조를 알고자 하였는데, 폴링은 삼중나선 형태라고 예측하였었다. 왓슨과 크릭은 첫 모형에서 염기들을 밖에 내놓는, 화학적으로 불가능한 구조를 만드는 삽질을 했는데, 중요하고 자주쓸 염기를 왜 굳이 안에 박아두겠냐는 생각에 폴링의 삼중나선 예측도 비슷한 류의 삽질이다. 그러나 이중 나선 구조로 밝혀지고 나자 진심으로 축하를 하며 '아름다운 구조'라고 극찬을 했다고.
3. 구조
3.1. 분자적 구조
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원본
DNA는 기본적으로 H(수소), C(탄소), N(질소), O(산소), P(인)로 이루어진 '''뉴클레오타이드'''의 사슬이다.
뉴클레오타이드는 DNA의 기본구성 단위로 당(Sugar), 염기(Nitrogenous base), 인산기(Phosphate)로 구성되어 있다. 참고로 인산기 때문에 DNA는 전체적으로 음전하를 띤다.
'''뉴클레오베이스'''(Nucleobase)는 염기, '''뉴클레오사이드'''(Nucleoside)는 염기 + 당, 뉴클레오타이드(Nucleotide)는 염기 + 당 + 인산기를 의미한다.
DNA는 RNA와 달리 당의 2번 탄소와 결합한 -OH에서 산소가 빠져 -H가 붙어있으며[8], 결합하는 염기가 하나 다르다. DNA의 염기는 4종류로 A(아데닌),G(구아닌),C(사이토신),T(티민)가 있다. RNA는 T 대신 U(유라실)을 사용한다.
이러한 DNA만의 고유한 특징은 DNA의 안정성에 대한 분자적 근거가 되는데 이를 나열하면 다음과 같다.
- 당의 2번 탄소에 -OH가 아닌 -H가 있기 때문에 알칼리성 조건에서 쉽게 가수분해되지 않는다.[9]
- 염기가 U가 아닌 T로 구성되어 있어서 C의 탈아미노화에 의한 변이가 일어날 경우 DNA 복구계에 의해 교정될 수 있다.[10]
- 바깥쪽의 당-인산 골격이 안쪽의 염기를 보호하고 있다.
- 상보적인 이중가닥을 형성하므로, 한 가닥의 염기가 손상되더라도 다른 가닥으로부터 보완될 수 있다.
DNA는 이 염기로 정보를 저장한다. DNA의 염기가 나열된 것을 염기서열이라고 부르는데, 자세한 것은 코돈 참조. DNA의 이중나선은 뉴클레오티드 사슬의 염기들이 '다른' 사슬의 염기들과 상보적으로 수소결합을 해서 생기는 구조다. A와 G는 퓨린기(purine), C와 T는 피리미딘기(pyrimidine)라고 불린다. 상보적이라는 것은 퓨린과 피리미딘이 1:1로 결합하는 걸 말하는데, 그중에서도 A는 T하고만(A＝T), C는 G하고만 (C≡G) 결합한다(＝는 수소결합이 2개, ≡은 3개 있다는 의미). 돌연변이가 생기는 원인 중 하나는 DNA 복제 과정에서 상보적이지 않은 염기끼리 대응되는 것이다.
생물이 늘 그렇듯이(...) 실제로는 예외가 존재하고 또 구조 또한 더 복잡하다. 메틸기(-CH3)가 붙은 염기도 존재하고 염기 사이의 결합이 회전되어 있거나 기타 등...
3.2. 기하학적 구조
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DNA가 이중나선을 이루면서 넓은 홈(Major groove)과 좁은 홈(Minor groove)이 생긴다. 문자 그대로 넓은 홈은 홈이 넓어서(...) 염기들이 많이 드러나 있어 정보량이 많다. 즉 염기를 인식하는 단백질들이 인식을 잘 하게되고 잘 붙을 수 있게 된다. 실제로 대부분의 단백질들은 넓은 홈에 결합한다. 그림에서 진하게 칠한 부분이 홈이고, 나머지는 사슬이다. 넓은 홈과 좁은 홈이 보이는가?
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왼쪽부터 A형, B형, Z형 DNA
DNA는 A형, B형, Z형 3종류의 형태가 있는데, 이 중 B형이 왓슨-크릭 구조, 즉 DNA 연구를 할 때 기준이 되는 구조이고 A형과 Z형은 B형의 변이들이며 이들의 특징은 각기 다르다.
B형은 우리가 알고 있는 DNA의 형태로, 높은 습도에서 형성되며 가장 안정한 형태이다. 직경은 2nm이고 1회전당 길이는 3.4nm이다. 나선의 회전방향은 위에서 볼 때 반시계방향이고[11] 나선의 1회전당 염기쌍은 10.5개이다.
A형은 탈수된 환경에서 주로 관찰되는데 직경은 2.6nm이고 1회전 당 길이는 2.8nm이다. 나선의 회전방향은 B형처럼 반시계방향이고 나선의 1회전당 염기쌍은 11개이다. 즉 B형을 양쪽에서 잡아당긴 듯한 모양이다.[12] DNA의 결정형성을 촉진시키는 시약을 사용하면 DNA가 탈수되어 A형으로 결정화되는 경향이 있다. 또한 RNA/DNA가 서로 상보적으로 결합한 잡종뉴클레오티드나 두 가닥의 RNA도 A형을 이룬다.
Z형은 불규칙하게 지그재그로 꼬인 나선이며 회전 방향은 위에서 볼 때 시계방향인데, 이는 퓨린기와 당의 결합 각이 다른 형태의 DNA와는 다르기 때문이다.[13] 직경은 1.8nm이고 1회전당 길이는 4.4nm이다. 나선의 1회전당 염기쌍은 12개이다. 즉 B형보다 더 길고 느슨하다. Z형은 B형과의 가역적인 구조변화가 가능한데, 특히 퓨린과 피리미딘이 교차하며 늘어선 염기서열[14]에서는 B형보다 오히려 Z형을 선호한다! 일부 Z형 DNA가 생물체에서 발견되었지만 아직 그 역할은 밝혀지지 않았다. 하지만, 5-메틸시토신에 의해 Z-DNA가 있을 경우 돌연변이를 일으키기 쉬워진다는 보고는 있다.
근래에는 좀 더 추상화[15]된 개념인 매듭이론을 접목하여 DNA가 염색체에 감기고 복제를 위해 풀리는 구조를 연구하고 있다.
4. 새로운 n가닥 DNA
이제까지 DNA는 1가닥 또는 2가닥뿐이라고 생각되어왔지만, 요즘 3가닥, 더 나아가서는 4가닥 DNA의 존재가 과학자들 사이에서 알려져있다.
보통, 진핵생물 세포 내에서 DNA는 2가닥으로 존재하며, 약 60℃정도로 온도가 올라가면 수소결합이 끊기면서 1가닥으로 된다. 반대로 온도가 떨어지고 0℃ 정도 되면 세포질 안에서 3개의 염기가 같은 높이로 오는 경우가 있다.(인산을 중심으로)
3개의 염기가 같은 높이로 올라오면 DNA는 3가닥 상태로 존재하게 된다. 하지만 세포질이 0℃까지 떨어지는 환경[16]은 지구상에서 보기 힘들기 때문에 인공적으로 3가닥 DNA를 만들려고 하지만, 인산이 필요하기 때문에 연구하기는 어렵다고 한다.
하지만 예외적으로 자연계에서 3가닥의 DNA를 가지고 있는 균이 있다. 그 균의 DNA는 한가닥한가닥씩 단계적으로 풀어지면서 DNA양을 증가시킨다. 또, 놀랍게도 3가닥 DNA에 있어서의 구조는 2중나선DNA와 거의 구조가 같다고 한다.(나선패턴 등) 그리고 DNA의 일차구조를 유지하기 위한 부담, 즉 에너지는 놀랍게도 3가닥DNA에서 더 높다고 한다.
최근에는 사람 몸속에서도 DNA의 일부는 4중 가닥의 형태로 존재하고 있다는 사실이 밝혀졌다.기사1기사2 이 4중 가닥 DNA의 역할이 완전히 밝혀진 것은 아니지만, 단백질 합성을 억제하기 위해서 그러한 구조를 가진다고 한다.[17]
5. 복제
복제(생물학) 문서 참고.
6. 후성유전(Epigenomic)
후성유전 문서 참고.
7. DNA 보조식품?
핵산 문서 참고. 유사과학의 극치이자 비뚤어진 상이 잘못된 과학을 만나 어떻게 둔갑하는지를 보여주는 좋은 사례다.
8. 관련 문서
[1] 바이러스 중에는 DNA 대신 RNA를 유전물질로 사용하는 경우도 흔하다.[2] DNA에 히스톤 단백질이 결합한 형태로, 염색사라고 한다.[3] 마찬가지 이유에서 실험 없는 이론구축을 일삼는 초끈이론에 대해서 "실험적 근거가 나오기 전까지는 과학으로 인정할 수 없다"는 시각을 가진 학자가 제법 존재한다.[4] 다만 자료의 소유권이 연구소에 있기 때문에 동의를 받아야만 하는 건 아니다.[5] 애초에 묻혀있던 프랭클린의 관측결과에 대한 사실과 업적을 널리 알린 책 "이중 나선"를 쓴 저자가 왓슨 본인이었다. 일부에서 주장하는 것처럼 이들이 정말로 프랭클린의 업적을 도둑질할 셈이었다면 언급을 하지 않았을 것이다.[6] 실험 수행의 경우 전문 실험자를 고용하는 경우도 있어 실험 설계보다 중요성이 떨어진다. 물론, 고용된 전문 실험자 역시 반드시 저자에 포함되어야 한다.[7] 사실 왓슨과 크릭이 된 이유가 웃긴데, 그냥 동전던지기로 누구를 먼저쓸지 정했다고 한다. 그래서 나이도 적은 왓슨이름이 먼저왔다고[8] 이 당을 디옥시리보스라고 한다.[9] RNA는 당의 2번 탄소의 -OH가 염기에 의한 가수분해의 매개원자단으로 작용하여 알칼리성 조건하에서 가수분해되도록 한다.[10] 만약 원래부터 DNA에 U가 존재했다고 가정해보자. C에 탈아미노화가 일어나 U로 변이된 경우, 정상 U와 구별할 수 없어서 복구되기 어려울 것이다. 결국 모든 세포에서 점점 C≡G염기쌍은 U=A염기쌍으로 치환되고, C≡G서열에 의존하던 발현산물들은 사라질 것이다. [11] 오른손의 주먹을 쥐고 엄지를 펴서 세워보자. 나머지 네 개의 손가락이 엄지를 휘감고 올라가는 방향이다. 검지손가락 두개를 나선의 방향대로 꼬면 회전방향을 알기 쉽다.[12] 앞서 DNA가 주로 음전하를 띤다고 말한 것을 기억하는가? 이 때문에 DNA 내부에는 서로를 밀어내는 힘(척력)이 존재한다. 원래는 물의 부분적인 양전하와 각종 양이온들이 척력을 감소시켰지만, 탈수된 환경에서는 그게 물과 양이온이 적어서 척력이 강해지기에 이런 모양이 생기는 것이다.[13] A형, B형의 염기와 Z형의 피리미딘기는 anti 형태로, 당의 1번탄소와 염기의 N 사이의 결합이 180도를 이룬다. 하지만 Z형의 퓨린기는 syn 형태로, 0도를 이룬다. 따라서 Syn형과 anti형이 상보적으로 결합하면서 왼쪽 방향으로 회전된다.[14] 예를 들면 시토신과 구아닌, 혹은 5-메틸시토신과 구아닌 잔기가 나열된 서열[15] 물론 본가 위상수학에 비해서는 훨씬 현실적인 다양체를 다루기는 하지만.[16] 일반적으로는 체온 때문에 어렵고, 설사 변온동물이며 0℃ 아래로 내려가는 조건을 갖추더라도 4℃ 아래에서는 오히려 밀도가 줄어드는 물의 성질 때문에 세포질이 개박살난다.[17] 전사(생물학) 항목을 보면 알겠지만, 기본적으로 전사는 중합효소가 꼬여있는 DNA를 풀어내면서 작동하는데 2중 가닥보다 더 꼬여있는 4중가닥 DNA이니 전사가 잘 일어날리가 없다.