2-3. DNA의 반보존적 복제(Feat.메셀슨과 스탈의 복제실험)
안녕하세요. 텔로머라제의 모든 것을 알려드리는 텔로머라제 홍보대사입니다.
텔로미어란?
염색체 끝 부분에 붙어있는 반복 염기서열로,
염색체의 손상을 막아주는 역할을 함
텔로머라제란?
텔로미어가 손상되면 복구, 생성해주는 효소
노화를 방지하는 효소
이번 포스트에서는 DNA의 반보존적 복제에 대해 설명드리겠습니다. 우리의 염색체는 위와 같이 염색분체 1개가 염색분체 2개가 되는식으로 복제가 되는데요. 엄밀히 말하면 DNA 2중 나선 구조가 풀리고 이와 상보적인 결합을 하는 염기들이 붙어 복제를 하게 됩니다.
정확한 DNA 복제 과정은 다음 포스트에서 자세히 설명드리겠습니다.
과거에는 DNA복제가 어떤식으로 이뤄지는지에 대한 여러가지 가설이 있었는데요. 지금은 DNA가 반보존적 복제를 한다는 것이 사실로 밝혀졌습니다. 이 사실은 메셀슨과 스탈의 복제실험을 통해 증명되었는데요. 지금부터 이 내용에 대해 자세하고 쉽게 설명드리겠습니다.
● DNA 복제 가설들
DNA 복제 가설은 보존적 복제, 반보존적 복제, 분산적 복제 총 3가지 입니다. 과거에는 이 3개 중에 어떤 것이 옳은 것인지 검증이 되지 않았다고 하는데요.
보존적 복제는 양쪽 사슬이 갈라지지 않고 결합된 상태에서 완전히 새로운 DNA 2중 가닥이 복제된다는 가설입니다.
반보존적 복제는 DNA 2중 가닥이 1가닥씩 갈라져, 갈라진 가닥과 상보적인 염기들이 옆에 붙어 복제된다는 가설입니다. 현재는 이 가설이 옳은 것이라고 검증되었습니다.
분산적 복제는 DNA 사슬을 구성하는 뉴클레오타이드가 여러 조각으로 분해된 후, 새로운 뉴클레오타이드 조각들과 섞여 2개의 DNA로 복제된다는 가설입니다.
● 메셀슨과 스탈의 DNA 복제실험
메셀슨과 스탈은 대장균을 15N 배지에 배양해 실험을 진행했습니다. N왼쪽에 붙은 15는 무게라고 생각하시면 이해하시기 편합니다. DNA 염기에는 질소가 포함되어 있어, 15N 배지에서 배양한 대장균의 DNA는 15N에 대응하는 무게를 갖습니다.
위의 오른쪽 사진은 원심분리한 DNA를 보여주는데요. 원심분리는 무거운 것은 아래로, 가벼운 것은 위로 분리시켜줍니다. 15N에서 DNA가 복제되었기 때문에, 모든 DNA는 15N - 15N 무게를 갖습니다. 즉, 원심분리 이후 제일 하단에 위치하게 됩니다.
15N 배지에서 배양한 대장균을 가벼운 질소인 14N으로 이동해 한번 더 분열시킵니다. 이후 위와 동일한 방법으로 원심분리 시켜주는데요. 그 결과 모든 DNA 조각들이 15N - 14N 무게를 갖는다는 것을 확인했습니다.
이는 보존적 복제 가설이 틀렸다는 것을 확인해줍니다. 만일 DNA가 보존적 복제를 한다면, 15N - 15N 무게를 갖는 DNA와 14N - 14N 무게를 갖는 DNA가 1:1 비율로 나왔어야 하기 때문이죠. 하지만 이 실험에서는 15N - 14N 무게를 갖는 DNA만 나왔기 때문에, 보존적 복제 가설을 틀린 것입니다.
반보존적 복제와 분산적 복제는 위 그림과 같이 15N - 14N 무게만을 갖습니다. 즉 이 2개중에 1개가 맞는 이론이 되는 것이죠. 2개 중 어느 이론이 맞는지 확인하기 위해, 14N 배지에서 대장균을 1세대 더 배양했습니다.
그 결과, 오른쪽 사진과 같이 15N - 14N 무게를 갖는 DNA와 14N - 14N 무게를 갖는 DNA의 양이 1:1 비율이라는 결과가 나왔습니다. 이는 DNA가 분산적 복제가 아닌 반보존적 복제를 한다는 것을 의미합니다. 왜 이런 의미를 갖는지 반보존적 복제와 분산적 복제의 경우를 각각 설명드리면서 알려드리겠습니다.
우선 반보존적 복제의 경우부터 설명드리겠습니다. P는 부모세대를 의미하며, 처음 15N 배지에서 배양한 DNA를 의미합니다. 이 때는 DNA가 15N - 15N 무게만을 갖는 것을 확인할 수 있습니다.
G1은 14N배지에서 배양한 것으로, 반보존적 복제로 인해 15N - 14N 무게만을 갖는 것을 확인할 수 있습니다.
G2는 14N배지에서 한 세대 더 배양한 것인데요. 이 때 역시 반보존적 복제로 인해 2중 가닥들이 모두 갈라지고, 갈라진 가닥에 14N 무게의 DNA가닥이 붙게 됩니다. 그 결과, 15N - 14N 무게의 DNA의 양과 14N - 14N의 양이 1:1이 됩니다.
즉, 반보존적 복제를 한 경우와 실제 결과가 일치하는 것이죠.
이번에는 분산적 복제를 했을 때 어떤 결과가 나오게 되는지를 설명드리겟습니다. G0는 부모세대로 15N 배지에서 배양한 DNA를 의미합니다. 이 때는 DNA가 15N - 15N 무게만을 갖는 것을 확인할 수 있습니다.
G1은 14N배지에서 배양한 것으로, 분산적 복제로 인해 15N - 14N 무게만을 갖는 것을 확인할 수 있습니다.
G2는 14N배지에서 한 세대 더 배양한 것인데요. 이 때 역시 분산적 복제로 인해 DNA 뉴클레오타이드들이 조각으로 나눠지고, 14N 무게의 DNA가 붙게 됩니다. 그 결과, 14N - 14N 보다는 무겁고, 15N - 14N 보다는 가벼운 무게의 DNA만 남게 됩니다. 즉, 원심분리 결과 한 층만 남게 되는 것이죠.
즉, 분산적 복제는 실제 실험과 다른 결과를 나타나게 됩니다. G2 까지 배양한 결과로 인해 분산적 복제는 DNA 복제 가설에서 탈락하게 되는 것이죠.
● 심화내용
앞에 설명드린 부분을 요약 정리해드리겠습니다. 위 그림을 보시면 아래 설명을 이해하시는데 도움이 될 것입니다.
1. G0 : 15N 배지에서 배양, 모든 DNA가 15N - 15N 무게를 갖는다.
2. G1 : 14N 배지에서 배양, 모든 DNA가 15N - 14N 무게를 갖는다.
3. G2 : 14N 배지에서 배양, 15N - 14N : 14N - 14N 이 1:1 비율을 갖는다.
4. G3 : 14N 배지에서 배양, 15N - 14N : 14N - 14N 이 1:3 비율을 갖는다.
저 같은 경우는 15N 단일가닥은 배양을 해도 계속 2개뿐이고, 배양할 때마다 가닥수는 2배가 된다고 생각하면서 공부했습니다.
위 내용을 표로 정리한 것인데요. 공식은 위처럼 나와있지만, 굳이 암기하실 필요는 없습니다. 내용을 이해하고 공부하다보면 저절로 암기가 됩니다.
● 마무리
이번 포스트에서는 DNA의 반보존적 복제를 증명한 메셀슨과 스탈의 복제실험에 대해 설명드렸습니다. 다음 포스트에서는 DNA 복제가 어떤 식으로 일어나는지에 대해 자세히 설명드리겠습니다. 생명과학 포스트는 꾸준히 업로드 할 예정이니 블로그에 자주 들려주시기 바랍니다.
이 블로그에서는 텔로미어(Telomere)와 텔로머라제(Telomerase)에 대해 중점적으로 다루고 있습니다. 텔로미어는 염색체 양 끝에 위치한 DNA구조인데요. 세포가 분열할 때마다 염색체 양 끝단인 텔로미어 길이가 짧아집니다. 텔로미어가 더 이상 분열할 수 없을 정도로 짧아지면 분열을 멈춥니다. 세포의 노화가 시작되는 것이죠.
텔로머라제는 이를 방지해 세포 노화를 억제하는 역할을 합니다. 최근 논문들에서는 텔로머라제가 텔로미어 길이 연장 뿐 아니라 다양한 면역 반응에도 관여한다고 하는데요.
텔로머라제에 대한 자세한 내용은 '관련 논문 카테고리'에 올릴 예정이니, 한 번 보시길 바랍니다.
글 마지막 부분에 전체 영상 보실 수 있게 링크 걸어두었으니 더 관심있으시면 한번 보시는 것을 추천드립니다.
※동영상 출처
채널명: 계숙 샘
동영상제목: [생명과학2] 2단원 1-3 DNA 복제 ( 메셀슨과 스탈의 복제실험 )
