변이원성독성 DNA와 염색체

4.2.1 DNA와 염색체

 

변이원성 및 화학물질과 DNA의 상호작용을 이해하기 위해서는 DNA와 염색 체의 구조를 먼저 알아야 한다. DNA는 염기(purine과 pyrimidine)와 당(deox yribose)과 인산으로 구성되어 있다(그림 4.3). Pyrimidine 염기로서는 cytosine, tymine, urasil이, purine 염기로는 guanine과 adenine이 있다. 이들 염기 중 cytosine과 tymine은 DNA에서 관찰되며 cytosine과 uracil은 RNA에서 관찰된다. 각 염기의 경우 주변여건에 따라 두 가지 형태 즉 lactim형과 lactam형-서로 다른 모양(상호 변형)으로 존재할 수 있다(그림 4.4).. 일반적으로 생리적 조건에서의 염기 상호 변형을 그림 4.3에 기술하고 있다. 염 기는 T-전자구름으로 인하여 주로 평면성이다.

 

염기의 상호 변형 성질과 평면성 은 DNA의 이중 나선구조를 가능케하는 중요한 조건이다. 왜냐하면 평면성으로 인하여 염기들이 DNA 나선의 꼭대기에 차곡차곡 적재될 수 있으며, 상호 변형으로 인하여 적절한 염기쌍이 가능하기 때문이다. DNA의 고차원적 입체구성이 nucleoside로서 purine 염기는 DNA에 있는 deox yribose C-1'에, pyrimidine 염기는 RNA에 있는 ribose의 C-1'에 각각 glycoside 결합을 하고 있다(그림 4.5). 당은 pyrimidine 염기에는 N-1위 치에, purine 염기에는 N-9에 결합하게 된다. cytidine(dC), thymidine(T)- 이 경우 deoxyriboside에만 나타내기 때문에 접미어 “d”는 불필요, uridine 마찬가지로 이 경우 rboside에만 나타남 등으로 부른다. Neucleoside의 경우 syn과 anti의 두 형태의 화합물이 존재할 수 있다.

 

왜냐하면 N-9이나 N-1에서 자유회전이 가능하고, 당의 C-1'은 입체 구조적 장애로 인 해 회전이 제한되어 있기 때문이다. 일반적으로 자연적인 상태에서는 anti형의 존 재 확률이 더 우세하다(그림 4.6). 당의 3'이나 5'의 히드록시에 인산이 에스테르 결합하면 nucleotide을 형성하게 되며 각 염기의 결합 명칭은 nucleoside의 경우와 마찬가지로 adenosine monophos phate (AMP), deoxyadenosine monophosphate(dAMP), deoxythymidine(TMP) 5으로 표시한다. 이후 Watson과 Crick는 DNA 분자의 X-ray 회절 사진을 통하여 DNA의 이중 사슬 모델을 제안하게 되었다(그림 4.6). 이 모델에서는 DNA 두 사슬은 서로 상 반되는 극성 - 하나는 5-3' 방향으로, 다른 것은 5-3' 방향으로 전개 -을 지니 고 있으며 사슬들은 염기 사이의 수소결합에 의해 결합되어 있다는 것이다.

 

즉 염기의 우세한 상호 변형과 deoxyribose의 anti형으로 인해 dA는 T와 dG는 dC와 쌍을 이룬다는 것이다. 굵은 선은 deoxyribose-phosphate 사슬을 A, G, T와 C는 염기들을, 점선은 수소결합을 표시하고 있다. dA-T쌍에서는 두 개의 수소결합이 있고, dG-dC 쌍에서는 세 개의 수소결합이 있다. 따라서 dG와 dC 사이의 결합력은 dA와 T 사이의 결합력보다 50%가 더 강하다. 결국 dG-dC 조합은 dA-T 조합보다 치밀하다고 볼 수 있으며 dG-dC 량이 많을수록 DNA의 부력 밀도는 더 커진다. 염기는 각 나선의 꼭대기에 적재되는데 전형적인 B형 DNA는 한 회전마다 10 개의 염기를 지니고 있으며 염기의 총길이는 3.4nm 정도가 된다. DNA의 구조는 주변 온도가 증가하거나 염분의 농도가 감소하면 변한다. 이 과정에서 두 사슬은 풀어지게 되어 결과적으로 DNA의 흡광도가 증가한다.

 

이를 변성에 의한 흡광도 증가 현상이라 한다. 이중나선의 삼차원적인 구조에는 긴 고 DNA는 3', 5 phosphodiester결합으로 연결된 2'-deoxyribose의 고분자 사슬로 구성되어 있다. Purine 염기와 pyrimidine 염기는 각 deoxyribose의 C-1'에서 외 부로 돌출되어 있다(그림 4.5). 이 사슬은 극성을 지니고 있는데 한쪽은 5-OH이며, 다른 쪽은 3'-OH이다. 1940년대 후반에 Chargaff는 DNA 종류에 따라 nucleotide의 양은 다르나 dA의 양은 항상 T양과 같고 dG의 양은 dC와 같다는 사실을 발견했다. 랑과 짧은 고랑이 보이는데 이 고랑의 특정 단백질이 DNA와 상호작용을 한다. 이중나선구조에서 DNA 유전정보를 지니고 있는 하나의 사슬을 감지 사슬이라 부르며 복제를 위한 주형(template) 역할을 하는 나머지 사슬들을 반 감지 사슬이라 부른다 복제 과정은 DNA 사슬이 완전히 풀리게 되고 한 가닥 사슬에 대응하는 새로운 사슬이 만들어진다. 복제는 5'에서 3' 방향으로 진행된다(그림 4.7). 인간의 경우 4개의 염기에서 64개(4=64)의 codon 조합이 가능하며 또한 이로부터 20개의 아미노산 합성이 가능하다.

 

140쌍의 염기가 이 슈퍼 코일 배열 내에 존재하고, 이 코일 양끝에는 20쌍 의 염기로 구성된 DNA직선 절편이 있다. Hi은 코일의 입구와 출구에 연결되어 있다(그림 4.8). Hi은 약하게 결합되어 있으며, 이것을 제거하면 염색질은 용해성으로 변한다. 대부분 유사분열을 하는 유기체의 histone은 동일하다. Histone과 DNA를 섞으면 자연적으로 염색질이 형성된다. 미노산 합성 종결 암호로 작용하며 나머지 61개의 codon이 20개 아미노산을 합 성하는데 관여하기 때문에 적어도 한 개의 아미노산에 대해 수 개의 다른 codon 이 이용될 수 있다. 이런 현상을 유전정보의 퇴화라 부른다. 특정 단백질의 합성에 이용되는 대략 1000 정도의 염기쌍으로 이루어진 codon 사슬을 유전자(gene)라 한다.

 

다시 유전자가 모여서 염색체를 이루고 있다. 염색체는 대략 10 정도의 염기쌍으로 이루어져 있다. 또한 DNA는 상당량의 단백질을 함 유하고 있다. 유사분열 중에 있는 세포의 핵으로부터 분리한 염색체 물질을 염색질 Histone은 염색체의 저분자 수준에서 핵물질의 충진에 관여하고, 반면에 nonhistone 단백질은 유전자 발현의 조절 기능에 관여하는 것 같다. 또한 nonhistone 단백질은 염색체 DNA가 보다 고차의 입체구조로 변화되는데 기본골격 역할을 한다. 이차원적인 구조(예를 들면 염색체의 nucleosome 사슬)의 정확한 접힘은 알려져 있지 않지만, 전자현미경으로 보면 직경 5~10nm의 얇은 섬유가 직경 25~ 30nm의 두꺼운 섬유 속으로 접혀 들어가 있는 것을 알 수 있다. 염색체 구조는 광학현미경으로 관찰할 수 있다.

 

세포분열 중기에는 포유동물의 염색체가 X형으로 나타난다. X의 양측면을 자매 염색분체(sister chromatides)라 하고, 접합부위는 동원체 (centromere)라 하며 동원체의 위치로서 염색체의 특성을 이라 한다. 염색질은 DNA 이중 사슬, DNA와 비슷한 양의 histone이라 불리는 염 기성 단백질, 약간의 산성 단백질, 약간의 RNA 등으로 구성되어 있다. 전자현미경 관찰에서 염색질은 DNA 필라멘트에 의해 연결되어 있는 직경 12.5nm 정도의 nucleosomes으로 밝혀졌다. 또한 histone은 DNA 사슬이 서로 접혀 공간을 작게 차지하도록 하는 역할로서 lysine이 풍부한 Hi, lysine이 약간 많은 HA와 HB, 그리고 arginine이 풍부한 HsA와 HAB 등 다섯 종류가 있다.

 

Nucleosome의 경우 구조를 보다 자세히 관찰한 결과 각각 두 개씩의 HeA, H&B, HsA, HB로 이루어진 중합체 핵을 DNA 이중나선이 감고 있는 것으로 밝 구별한다. 염색체의 긴 변을 “q”로, 짧은 변을 “p”로 표시한 다음 quinacrine이나 giemsa액으로 염색하면 이들 수평 띠의 특성이 나타나게 된다. 이들 띠는 같은 생물종에서는 높은 재현성을 보이고, 종간에는 서로 다르다. ▷ 염색체 수 이상 : 염색체 수 이상은 정상인에 비하여 염색체수가 한 개 이상 많거나 적은 경우로서 세포분열 중 염색체의 불균형적 배분 결과로써 나타나며 이 로 인하여 많은 유전적 질병이 야기되고 있다. 염색체 수 이상의 발생원인과 작용 기전에 대해서는 아직 불분명하며 X-ray에 의한 영향을 제외하고는 어떤 다른 인자도 정확히 규명하지 못하고 있다.