바이오테크놀로지의 시대(1)
생명체의 청사진, 유전 물질에 대하여!
01. 생명체의 기본 구성 물질
어렸을 적 좋아하던 만화책 시리즈가 있었습니다. 그중 식품영양을 주제로 하는 편이 있었는데, 거기서 마지막에 상황을 해결하는 데 있어 '탄단지무비'라는 마법의 주문을 사용했던 기억이 납니다. 처음 볼 당시에는 이 '탄단지무비'가 무슨 뜻인지 모르고 그냥 창작된 어구라고 생각했습니다. 해리 포터에 나오는 마법 주문들처럼요. 시간이 조금 지나고 이것이 5대 영양소, 즉 탄수화물, 단백질, 지질, 무기질, 비타민의 앞글자를 딴 것임을 알게 되었습니다. 덕분에 5대 영양소가 어떤 것들인지는 절대 헷갈리지 않게 되었으니 감사한 일입니다.
영양소가 무엇인지를 모르는 분은 없으시리라 생각합니다. 영양소의 사전적 정의는 "영양을 위해 생체 내에 섭취해야 하는 물질"입니다. 그렇다면, 섭취한 영양소가 생명체를 구성하게 되는 것일까요? 이는 반은 맞고 반은 틀렸습니다. 이들이 중요한 구성요소인 것은 사실이지만, 영양소가 아닌 핵산이나 기타 생체분자들도 생명체를 구성하고 있고, 섭취한 영양소 그대로가 아니라 분해되고 재합성된 상태로 생명체를 구성할 수도 있기 때문입니다.
우선, 탄수화물은 생명체의 주요 에너지원으로 활용되며, 세포 구조의 일부를 형성하기도 합니다. 이는 글루코스, 과당 등의 단당류부터 글리코젠, 셀룰로스 등의 복잡한 다당류까지 다양한 형태로 존재합니다. 다음으로 단백질은 생명체의 구조와 기능을 담당하는 중요한 물질입니다. 단백질은 아미노산이 연결된 긴 사슬 형태로, 세포의 구조를 형성하고 효소로서 작용하며, 신호 전달, 면역 반응 등 다양한 생명 활동에 관여합니다. 지질은 크게 인지질, 중성지방, 스테로이드라는 세 가지 종류로 구분됩니다. 인지질은 세포막의 주요 구성 성분으로, 세포의 경계를 형성하고 물질의 출입을 조절하는 역할을 합니다. 또한 중성지방은 주요한 에너지 저장원이며, 스테로이드는 호르몬 생성 등의 기능을 수행합니다. 물과 무기염류 등의 무기질도 생명체의 구성 요소입니다. 이때, 무기염류는 탄소·수소·산소 등의 3 원소를 제외한 다양한 이온을 포함한 물질들을 말합니다. 물은 모든 생화학 반응의 매개체 역할을 하며, 다양한 무기 이온들은 세포의 삼투압 조절, 신경 신호 전달 등에 필수적입니다. 마지막으로 비타민은 효소의 보조 인자로 작용하거나 특정 생리 기능을 조절하여 생명 유지에 필수적인 역할을 합니다.
DNA와 RNA 구조를 보여주는 그림.(TeachMePhysiology)이러한 기본 영양소에 포함되지 않으면서 생명체를 구성하는 물질 중 하나가 핵산입니다. 핵산은 소위 '유전물질'이라 하는 물질을 말하며, DNA와 RNA가 있습니다. DNA는 생명체의 유전 정보를 저장하고 전달하는 핵심 분자로, 세포 내에서 자가 복제 능력을 가지고 있습니다. DNA를 구성하는 기본 단위는 '뉴클레오티드'로 '인산기-당(디옥시리보스)-염기'가 연결된 형태입니다. DNA의 염기에는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)이라는 네 가지 염기가 있습니다. 이 중 아데닌과 구아닌은 퓨린에서 유래한 융합된 고리 골격 구조를 가지고 있기 때문에 퓨린계 염기라고 합니다. 반대로 시토신과 티민은 피리미딘에서 유래한 단일 고리 골격 구조를 가져 피리미딘계 염기로 칭합니다.
DNA의 골격은 당과 인산기가 교대로 연결되어 형성되며, 염기들은 이 골격에 붙어 있습니다. DNA는 이렇게 만들어진 두 개의 폴리뉴클레오티드 사슬이 서로 반대 방향으로 감겨 있는 형태를 보입니다. 인산-당 골격이 바깥쪽, 염기가 안쪽을 향하며, 마주 보고 있는 염기쌍 사이에는 수소결합이 형성됩니다. 이때 한 개의 퓨린계 염기와 한 개의 피리미딘계 염기가 쌍을 이루는데, 아데닌-티민, 구아닌-시토신이 각각 2개와 3개의 수소결합을 이루며 상보적으로 결합하게 됩니다.
로잘린드 프랭클린과 DNA의 X선 회절 사진.(MoneyControl News)이러한 DNA 구조가 밝혀지는 데에는 1950년대 초 모리스 윌킨스와 로잘린드 프랭클린이 DNA 결정 구조 연구를 진행하면서 촬영한 사진이 결정적이었습니다. 이들은 DNA의 고해상도 X선 회절 사진을 촬영했는데, 이 사진은 DNA의 이중 나선 구조를 보여주는 증거였습니다. 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 이 데이터와 염기 비율 등에 관한 여러 과학자들의 연구 결과를 종합하여 1953년 DNA의 이중 나선 모델을 제안했습니다. 이는 과학계의 중요한 사건이었지만, 씁쓸한 이면도 존재합니다. 윌킨스는 DNA 구조 모델을 완성하는 데 결정적인 역할을 한 X선 회절 사진을 프랭클린 허락 없이 왓슨과 크릭에게 공유했습니다. 이후 1958년 프랭클린은 암으로 사망했고, 1962년 왓슨, 크릭, 윌킨스가 노벨 생리의학상을 수상할 때까지도 프랭클린의 공헌은 제대로 인정받지 못했습니다.
한편, RNA는 DNA와 유사하지만 일반적으로 단일 가닥 구조를 가지며, 유전 정보의 전달과 단백질 합성 과정에서 중요한 역할을 합니다. RNA 역시 '인산-당(리보스)-염기'의 기본 단위를 갖는데, 이때 당의 종류가 리보스이고, 염기가 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 우라실(U)이라는 점에서 DNA와 차이가 있습니다. RNA도 DNA와 마찬가지로 당과 인산기가 교대로 연결된 골격을 갖습니다. 반면, RNA는 이중 나선 구조가 아닌 단일 가닥 구조이므로 유전 정보로서의 역할을 하는 염기들이 외부 물질에 노출되어 DNA에 비해 불안정하고 외부 물질에 취약합니다.
02. 유전 정보의 발현 및 조절
핵산은 생명체를 구성하는 기본 물질 중 가장 중요한 물질이라고 말할 수 있습니다. 현재 유전 공학이나 분자 생물학을 기반으로 하는 많은 바이오테크놀로지들이 핵산을 대상으로 하고 있는 것은 핵산이 저장하고 있는 유전 정보에 따라 결국 세포와 기관, 개체의 생명 활동이 결정되기 때문입니다. 이때, 유전 정보가 실제 생명활동을 조절하는 단백질로 발현되는 데는 크게 세 가지 과정이 관여합니다.
(1) DNA 복제 메커니즘
첫째는 DNA의 복제 과정입니다. DNA 복제는 모든 생명체의 세포 분열 과정에서 필수적인 단계로, 이 과정에서 DNA는 자신의 복사본을 만들어 유전 정보를 새로운 세포에 전달합니다. DNA 복제는 복제 원점이라 특정 부위에서 시작됩니다. 이 지점에서 '헬리케이스(Helicase)'라는 효소가 DNA의 이중 나선 구조를 풀어 단일 가닥으로 분리시킵니다.
DNA 복제 과정을 보여주는 개념도.(NSCC BIOL 1046)한편, RNA 중합효소 중 하나인 '프리메이스(Primase)'는 RNA 프라이머를 합성하는데, 이는 DNA 합성의 시작점 역할을 합니다. 이 프라이머를 기반으로, DNA 중합효소 III가 새로운 DNA 가닥을 합성해 나갑니다. 이때, 핵산 가닥은 기본적으로 5' 말단에서 3' 말단의 방향으로 합성되어 나갑니다. 그런데 분리된 DNA 가닥 각각이 복제 원점에서부터 합성되는 모습을 보면, 한쪽은 이 방향을 기준으로 순방향인데 나머지 한쪽은 역방향임을 알 수 있습니다. 이때 순방향으로 합성되는 가닥을 선도 가닥이라고 하며, 이는 연속적으로 합성됩니다. 반면, 역방향으로 합성되는 가닥은 지연 가닥이라 하는데, 지연 가닥은 오카자키 절편(Okazaki fragment)이라는 짧은 조각들을 이루며 불연속적으로 합성됩니다. 이후 DNA 중합효소 I이 RNA 프라이머를 제거하고 그 자리를 DNA로 채웁니다. 이때 '연결효소(Ligase)'는 대체된 DNA와 합성된 DNA 가닥 사이를 연결하고, 오카자키 절편들을 연결해 연속적인 DNA 가닥을 만듭니다.
DNA 복제 과정에서의 수정 메커니즘.(NSCC BIOL 1046)만약 DNA 복제가 정확히 이루어지지 않는다면, 분열 전 세포와 분열 후 세포가 가지고 있는 유전 정보의 구성이 달라질 것입니다. 세포와 세포로 이루어진 조직이나 기관이 그 기능을 유지하기 위해서는 분열 후 생성된 세포가 이전과 같은 유전 물질 구성을 갖는 것이 중요합니다. 때문에, 복제 과정에서 다양한 효소들이 관여하여 오류를 최소화하고 수정하여 정확한 복제가 이루어질 수 있도록 합니다.
우선, DNA 중합효소 III는 새로 합성된 DNA 가닥을 검사(Proofreading)하고 잘못 삽입된 뉴클레오티드를 제거하는 3'-5' 엑소뉴클레아제 활성을 가집니다. 이는 일반적인 중합 방향인 5'->3'과 반대 방향으로 뉴클레오티드를 분해할 수 있는 효소로서의 활성을 갖는다는 뜻입니다. DNA 중합효소 III에 의해 잘못된 염기는 제거되고 올바른 염기로 대체된 다음 중합이 계속됩니다.
대부분의 오류는 복제 중에 수정되지만, 그렇지 않을 경우 불일치 수선 메커니즘이 사용됩니다. MutS, MutL, MutH 등의 단백질들이 불일치 수선 효소로서 잘못된 염기를 탐지하고, DNA에서 절제하여 올바른 염기로 수정합니다.
마지막으로, 염기 절제 수선 메커니즘에서는 DNA 글리코실라아제와 AP 엔도뉴클레아제가 손상된 염기를 포함한 몇 개의 염기를 제거하고, DNA 중합효소와 연결효소가 주형 가닥을 복사하여 새로운 염기를 삽입하고 연결합니다. 이 메커니즘은 주로 자외선으로 인해 발생하는 티민 다이머(서로 공유 결합되어 있는 인접한 두 개의 티민 뉴클레오티드)를 제거하고 복구하는 데 활용됩니다.
(2) 전사 메커니즘
DNA의 유전 정보는 전사 과정을 통해 메신저 RNA, 즉 mRNA로 옮겨집니다. 전사는 RNA 중합효소와 여러 전사 인자들이 프로모터 영역에 결합하여 전사 개시 복합체를 형성하면서 시작됩니다. 또한, 이때 DNA는 히스톤 단백질과 엉킨 형태로 존재하는데, 히스톤 단백질이 아세틸화되거나 메틸화되는 등 변형 과정을 통해 DNA에 대한 접근성을 조절할 수 있습니다. 전사가 시작되면 RNA 중합효소가 DNA 가닥을 따라 이동하며 상보적인 RNA 가닥을 합성합니다. 이때 주형으로 이용되는 DNA 가닥을 주형 가닥이라고 합니다.
전사 과정의 세부 단계. 최근 연구에서는 종결 단계 후 RNA 중합효소가 DNA에 남아서 붙은 채로 1차원 이동하는 재생 단계가 추가로 발견되기도 했다.(KSMCB)중합효소가 주형 가닥에 있는 종결 신호에 도달하게 되면 전사가 끝나는데, 원핵생물에서는 종결 인자가, 진핵생물에서는 폴리 A 신호가 종결 신호로서 역할을 합니다. 진핵생물의 경우 전사 후 RNA 가공 과정이 추가적으로 존재합니다. 이 과정은 만들어진 mRNA 가닥의 5' 말단에 캡(cap)을 추가하거나, 3' 말단에 폴리 A 꼬리를 추가하는 등의 단계를 포함합니다. 또한, 진핵생물의 합성된 RNA 가닥에는 실제로 단백질을 합성하는 부분과 아무런 의미가 없는 부분이 섞여서 존재하고 있습니다. 전자를 엑손(Exon), 후자를 인트론(Intron)이라 하는데, 전사 후 가공 과정에서 인트론을 제거하는 스플라이싱이 진행됩니다. 캡과 꼬리를 추가하는 가공을 통해 RNA 가닥의 안정성이 향상되고, 스플라이싱을 통해 여러 가지 구성의 mRNA가 만들어져 다양한 단백질이 합성될 수 있습니다.
유전 정보의 정확한 전달과 표현을 위해, 전사 과정에서도 오류를 수정하고 교정하는 메커니즘이 존재합니다. RNA 중합효소 역시 DNA 중합효소 III와 유사하게 잘못 삽입된 리보뉴클레오티드를 제거할 수 있는 3'-5' 엑소리보뉴클레아제 활성을 가집니다. 또한, 전사 중 DNA 손상을 발견하면 CSA. CSB 단백질 등이 관여하여 손상을 복구하는 '전사-결합 수선(Transcription-Coupled Repair)' 기작을 활성화합니다.
(3) 번역 메커니즘
mRNA의 유전 정보를 바탕으로 단백질이 합성되는 과정을 번역이라고 합니다. 번역은 리보솜이라고 하는 세포 소기관을 통해 이루어집니다. 리보솜은 리보솜 RNA와 단백질로 이루어져 있으며, 큰 소단위체와 작은 소단위체로 구성됩니다. 리보솜에는 운반 RNA, 즉 tRNA가 결합할 수 있는 자리가 있는데, 순서대로 A 자리, P 자리, E 자리라고 하며, E 자리에 도달한 tRNA는 떨어져 나가게 됩니다. tRNA는 각각이 결합하는 코돈이 있습니다. 이때 코돈이란, 아미노산의 종류를 결정하는 3개의 염기가 늘어선 것을 말합니다. 예를 들어, UGG 코돈은 우라실, 구아닌, 구아닌 염기가 늘어선 것으로, 여기에는 트립토판이 결합된 tRNA가 위치하게 됩니다. 코돈은 아미노산을 지정하는 것 외에도 번역을 개시하고 종결하는 신호를 보내기도 합니다. 대표적인 개시코돈은 AUG인데, 이는 아데닌, 우라실, 구아닌 염기가 늘어선 것으로 개시 tRNA가 결합하는 자리입니다.
번역 과정은 원핵세포와 진핵 세포에서 각기 다르게 진행됩니다. 원핵세포의 경우, 리보솜의 30S 작은 소단위체가 mRNA의 '샤인-달가노(Shine-Dalgarno) 서열'이라는 리보솜 부착 서열을 인식하여 결합합니다. 원핵세포의 경우 포르밀 메티오닌과 결합한 tRNA가 개시 tRNA인데, 이것이 리보솜의 P자리에서 mRNA의 개시코돈에 상보적으로 결합하고, 리보솜의 50S 큰 소단위체가 결합함으로써 개시 복합체를 이루게 됩니다. 원핵세포는 세포 내에서 핵으로 구역이 나누어져 있지 않아서 전사와 번역이 동시에 진행되기도 합니다.
번역 과정의 개시와 신장.(NSCC BIOL 1046)한편, 진핵 세포에서는 리보솜의 40S 작은 소단위체가 mRNA의 5’ 캡에 부착한 다음, mRNA를 따라 개시 코돈에 도달할 때까지 스캐닝합니다. 이때, 특히 선호되는 개시 코돈을 지정해주는 것이 ‘코작(Kozak) 서열’입니다. 코작 서열에 의해 가장 선호되는 환경에 놓인 개시 코돈에 개시 tRNA가 P자리에서 상보적으로 결합합니다. 진핵 세포의 경우 메티오닌과 결합한 tRNA가 개시 tRNA이며, 이후 60S 큰 소단위체가 부착되어 번역개시복합체가 완성됩니다. 진핵 세포는 핵 내에서 전사가 일어나고, 핵공을 통해 빠져나온 mRNA가 세포질에서 번역되는 것과 같이 전사와 번역이 공간적으로 분리되며, 폴리 A 꼬리에 결합하는 단백질이 번역 개시를 촉진하는 등 원핵세포와 비교할 때 더 고차원적인 과정이 진행됩니다.
번역이 개시된 이후에는 아미노산이 결합된 tRNA가 리보솜의 A 자리에 들어오고, mRNA가 리보솜에 대해 이동함에 따라 tRNA에 결합된 아미노산 사이에 펩티드 결합이 형성되면서 아미노산 사슬이 길어집니다. 이러한 과정은 다양한 신장 인자들의 도움을 받아 계속하여 반복되다가 종결코돈(UAA, UAG 또는 UGA)에 도달하면 방출 인자가 결합하게 되고, 완성된 단백질이 리보솜에서 분리됩니다. 전반적인 단백질 합성 속도는 번역 개시 인자들의 활성을 조절함으로써 제어할 수 있고, 새로 합성된 단백질은 샤페론 단백질의 도움을 받아 적절한 3차원 구조로 접힙니다. 이에 더하여 인산화나 당화와 같은 다양한 '번역 후 변형' 과정을 거쳐 단백질이 최종적인 기능을 갖게 됩니다.
이렇게 만들어진 단백질은 생명체를 구성하고, 호르몬의 구성요소이자 신호 전달 과정의 핵심으로서 생명 기능을 조절하게 됩니다. 이때, 세포가 생명체의 정상적인 기능 유지에 필요한 단백질을 정확히 생산하기 위해서는 번역 과정에서도 오류를 최소화하고 교정하는 것이 필수적입니다. 우선, 아미노아실-tRNA 합성효소는 tRNA와 아미노산 사이의 정확한 결합을 보장합니다. 또한 리보솜은 코돈과 tRNA 사이 결합의 정확성을 검사하며, 부정확한 결합을 제거할 수 있습니다. 즉, 이 두 가지 교정 능력을 통해 특정 코돈에 대응하는 정확한 아미노산이 추가될 수 있는 것입니다. 나아가, 잘못 접힌 단백질은 샤페론 단백질에 의해 다시 접히거나, 유비퀴틴-프로테아좀 시스템에 의해 분해됩니다.
생명체와 유전 정보의 흐름에 대한 이러한 이해는 현대 생명과학에서 중요한 위치를 차지하고 있는 유전공학과 분자생물학 기술에 대한 이해를 위해 필수적입니다. 유전자를 조작해 생명체의 새로운 특성을 만들어내고, 분자 수준의 기술을 통해 질병을 치료하는 등 생명과학 기술은 새로운 영역을 빠르게 개척해나가고 있습니다. DNA 서열 분석 기술의 발전으로 많은 생물종의 전체 유전체 서열이 밝혀졌고, 이를 바탕으로 유전공학 연구는 단순히 DNA 서열을 읽는 것을 넘어, 생명 시스템의 복잡성과 다양성을 이해하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 다음 편에서는 이와 같은 구체적인 기술들의 내용과 동향, 관련된 이슈들에 초점을 맞춰 이야기해보려고 합니다.
