DNA는 유연한 구조를 하고 있어, 그 정확한 분자구조는 주변의 이온 환경과 결합단백질에 의해 결정된다. 선형 DNA분자는 DNA의 말단이 자유롭기 때문에 두 가닥간의 이중나선 꼬임의 회수 변화를 수용할 수 있는 회전이 가능하다. 그러나 만약 두 말단이 공유결합으로 연결되어 원형 DNA를 이루면 두 가닥의 당-인산 골격이 절단되지 않고서는 사슬이 꼬일 수 있는 절대 회수가 변할 수 없다. 이러한 공유결합상 닫힌 원형(covalently closed circular) DNA(cccDNA)는 위상적으로 한정되어 있다. 진핵세포 염색체는 선형 DNA일지라도 염색체의 엄청난 길이와 세포 내 구성성분과의 상호작용 때문에 위상적인 제한을 받는다. 이런 제한에도 불구하고 DNA는 세포 내에서 수많은 역동적인 작용에 참여한다. 예를 들면, 서로 꼬여 있는 이중나선의 두 가닥은 DNA가 복제되거나 RNA로 전사되기 위해서는 빠르게 분리되어야 한다. 따라서 DNA 위상에 대한 이해뿐만 아니라 DNA복제, 전사, 그리고 염색체의 다른 활동 동안에 어떻게 세포가 DNA의 위상적인 한계를 조절하고 이용하는가에 대한 이해는 분자생물학에서 기본적인 중요성을 가진다.

고리수[편집]

고리수는 공유결합상 닫힌 원형 DNA의 고유한 위상학적 속성이다. CccDNA라 부르는 공유결합상 닫힌 원형 DNA의 위상학적 속성에 대해 생각해본다면 이해하기가 쉬울 것이다. 두 가닥의 폴리뉴클레오티드 사슬에 아무런 방해 없이 연결되어 있기 때문에 cccDNA의 두 가닥은 공유결합의 절단 없이는 서로 분리될 수 없다. 당-인산 골격 내 어떤 결합의 영구적인 절단 없이 두 원형가닥을 분리하고자 한다면 한 가닥이 반복적으로 다른 가닥을 통과해야 한다. 두 가닥을 서로 완전히 분리하기 위해서 한 가닥이 다른 가닥을 통과해야 하는 회수를 고리수(linking number)라 한다. DNA 분자의 형태가 얼마나 많이 뒤틀려 있는지에 상관없이 고리수는 항상 정수로 존재하며 cccDNA의 고유한 위상학적인 속성을 나타낸다.

1. 고리수(Lk)의 구성 요소

고리수는 꼬임(twist)과 초나선(writhe)이라 불리는 두 종류의 기하학적 구성요소의 합이다. 꼬임은 단순히 반대가닥에 대한 한 가닥의 나선회전의 수, 즉 한 가닥이 다른 가닥을 감는 수이다. 평면에 평평하게 놓인 cccDNA를 생각해 보자. 이런 평평한 형태에서 고리수는 전적으로 꼬임으로 구성된다. 물론, 꼬임은 두 가닥이 서로 교차하는 수를 세어서 쉽게 측정할 수 있다. 오른손방향 나선에서 나선의 교차(꼬임)는 양의 값으로 정의되며, 이때 DNA의 고리수도 양의 값을 가지게 될 것이다. 그러나 cccDNA는 일반적으로 평면에 평평하게 놓일 수 없다. 오히려 cccDNA는 보통 뒤틀림의 힘을 받아서 이중나선의 긴 축이 3차원 공간에서 반복적으로 스스로 교차하게 된다. 이것을 초나선이라고 한다. 비틀림 압력에 의해 생긴 초나선을 상상하기 위해 과도하게 꼬여진 유선전화기 선의 감김을 생각해 보라. 초나선은 두 가지 형태를 가진다. 초나선의 한 형태는 서로 휘감긴 초나선(interwound 또는 plectonemic writhe)으로, 긴 축이 스스로 감겨져 있다. 초나선의 다른 형태는 환상면체(toroid) 또는 나선형(spiral)이며, 이것의 긴 축 방향으로 DNA가 단백질을 둘러쌀 때 흔히 나타나듯이 원통형 모양으로 감겨져 있는 것이다. 초나선수(writhing number(Wr))는 cccDNA의 나선형 초나선(spiral writhe)과 서로 휘감긴 초나선 수의 합이다. 서로 휘감긴 초나선과 나선형 초나선은 서로 위상학적으로 동일하며 쉽게 cccDNA의 기하학적인 성질을 상호 전환할 수 있다. 또한 꼬임과 초나선도 상호전환 될 수 있다. cccDNA분자는 어떤 공유결합의 절단 없이도 꼬임의 일부가 초나선으로 전환되거나 초나선의 일부가 꼬임으로 전환되는 비틀림이 쉽게 일어날 수 있다. 이때 유일한 제한은 꼬임수(twist number(Tw))와 초나선수의 합이 항상 고리수(linking number(Lk))와 같다는 것이다.

Lk = Tw + Wr

초나선꼬임(supercoiling)이 없이, 즉 이완(relaxation)되어 있는 상태로 생리적 조건의 용액 내에 있는 B형 DNA의 꼬임수(회전당 10.5 염기쌍)와 같은 꼬임수를 가지는 cccDNA를 생각해 보라. 생리학적 상태 하의 그런 cccDNA의 고리수(Lk)를 LKo로 나타낸다. 그런 분자의 LKo는 염기쌍 수를 10.5로 나누었을 때의 값이다. 10,500염기쌍을 가지는 cccDNA의 경우 Lk=+1,000이다.(DNA의 꼬임이 오른손 방향이어서 +값을 가지게 된다.) 이것을 보기 위한 하나의 방법은 10,500 염기쌍인 cccDNA의 한 가닥을 당겨 평평한 원을 만든다고 상상하라. 그러면 만들어진 평평한 원형의 가닥 위에 상보가닥이 1,000번 교차하게 하면 될 것이다. 만약 이미 이완되지 않았다면 cccDNA로부터 초나선꼬임을 어떻게 제거할 것인가? 하나의 방법은 DNase I으로 DNA를 약하게 처리하여 각 DNA 분자 내에 하나의(또는 작은 수의) 인산이에스테르 결합(phosphodiester bond)을 절단하는 것이다. 일단 DNA가 이런 식으로 틈새(nick)를 가지게 되면 DNA는 더 이상 위상학적인 제한이 없어져 각 가닥들이 자유롭게 회전하므로 초나선은 사라지게 된다. 만약 틈새가 수선되면 cccDNA 분자는 이완되고 LKo와 동일한 Lk를 평균적으로 가지게 될 것이다.

2. 음성의 초나선꼬임

초나선꼬임의 정도는 Lk와 LKo의 차이, 즉 고리수 차이에 의해서 측정된다.

ΔLk = Lk - LKo

만약 cccDNA의 ΔLk값이 ‘0’에서 크게 차이가 날 때 그 DNA는 뒤틀려 있으며, 따라서 초나선꼬임을 하고 있는 것이다. 만약 Lk < LKo 이고 ΔLk < 0 이라면, 이때 DNA는 “음성으로 초나선꼬임이 되어 있다”라고 한다. ΔLk와 LKo는 DNA 분자의 길이에 따라 달라지기 때문에 초나선꼬임의 표준화된 측정치를 언급하는 것이 더 편리하다. 이것이 초나선꼬임 밀도로서, 이를 σ로 나타내고 아래와 같이 정의되고 있다.

σ= ΔLk/ LKo

세균과 진핵생물에서 정제된 원형의 DNA는 보통 σ가 0.06인 음성 초나선꼬임 상태이다. 초나선꼬임 밀도의 생물학적 의미는 무엇인가? 음성 초나선꼬임은 DNA 복제나 전사처럼 두 가닥의 DNA가 분리되는 과정에 필요한 자유에너지의 저장소라고 생각 할 수 있다. Lk = Tw + Wr 이기 때문에, 음성 초나선꼬임은 이중나선의 풀림으로 전환될 수 있다. 그러므로 음성 초나선꼬임을 가진 DNA는 부분적으로 풀어지려는 경향이 있다. 따라서 이완된 DNA보다 음성 초나선 꼬임을 가진 DNA에서 두 가닥의 분리가 더 쉽게 일어날 수 있다. 양성 초나선꼬임의 DNA를 가지는 생명체는 온천과 같은 극단의 고온 상태에서 서식하는 미생물인 호열성세균뿐이다. 이 경우 양성 초나선꼬임은 온도상승 시에 일어나는 DNA의 변성을 막기 위해 도움이 되는 자유에너지의 저장소라 생각된다. 양성 초나선꼬임이 더 많은 꼬임으로 전환될 수 있는 한, 음성 초나선꼬임의 DNA를 가지는 생명체보다 호열성세균에서 가닥을 분리시키는 데 더 많은 에너지가 필요하다.

3. 뉴클레오솜과 초나선꼬임

진핵세포 핵 안의 DNA는 이중나선이 단백질 입자의 주위를 거의 2바퀴 감고 있는 뉴클레오솜으로 응축되어 있다. 이렇게 감는 것을 초나선의 환상면체 또는 나선형으로 인식할 수 있다. 보다 중요한 것은, 이것은 왼손방향으로 일어나는 것이다. 결국 외손방향 나선형의 초나선은 음성 초나선꼬임과 동일하다는 것을 알 수 있다. 따라서 뉴클레오솜으로의 DNA응축은 음성 초나선꼬임 밀도를 도입한다.

위상이성화효소[편집]

고리수는 위상적으로 제한된 DNA의 고유한 성질이다. 고리수는 당-인산 골격이 절단되었을 때만 변할 수 있다. 위상이성화효소(topoisomerase)라고 알려진 효소는 DNA의 단일가닥이나 이중가닥을 일시적으로 절단하여 고리수를 변화시킬 수 있다. 위상이성화효소는 일반적으로 2가지 형태가 있다. II형 위상이성화효소는 두 단계로 고리수를 변화시킨다. 이는 DNA에 일시적인 이중가닥 절단을 만들고, 다시 재결합하기 전에 잘리지 않은 이중가닥 DNA의 부분을 여기로 통과시킨다. II형 위상이성화효소는 반응을 위해 ATP 가수분해를 통한 에너지가 필요하다. 이와 대조적으로, I형 위상이성화효소는 반응을 위해 ATP 가수분해를 통한 에너지가 필요하다. 이와 대조적으로, I형 위상이성화효소는 한 단계로 DNA의 고리수를 변화시킨다. 이들 위상이성화에 일시적인 단일가닥 절단을 만들고, 틈새가 이어지기 전에 절단된 곳을 통해 잘리지 않은 가닥을 통과시킨다. II형 위상이성화효소와 대조적으로 I형 위상이성화효소는 ATP를 필요로 하지 않는다.

1. 원핵생물의 위상이성화효소

원핵생물과 진핵생물 모두 DNA로부터 초나선꼬임을 제거할 수 있는 I형과 II형 위상이성화효소를 가진다. 그러나 원핵생물에서는 음성 초나선꼬임을 제거하는 것이 아니라 유도하는 DNA 지라아제(gyrase)라고 하는 특별한 II형 위상이성화효소를 가진다. DNA 지라아제는 원핵생물에서 염색체의 음성 초나선꼬임을 담당한다. 이 음성 초나선꼬임은 DNA 이중가닥의 풀림을 촉진시키고, 전사와 DNA복제의 개시를 포함하는 DNA의 많은 반응들을 촉진시킨다.

2. 위상이성화효소의 기능

DNA 분자의 매듭을 풀거나 엉킨 것을 푼다.

위상이성화효소는 초나선 DNA의 이완뿐만 아니라 세로 내에서 적절한 DNA 구조를 유지하는 데 중요한 여러 가지 다른 반응을 촉진한다. 이러한 반응을 수행하기 위하여, DNA를 이완시킬 때와 마찬가지로 이 효소는 DNA의 일시적인 절단 및 가닥 통과반응을 사용한다. 위상 이성화효소는 원형 DNA 분자들의 고리를 연결하거나(catenate) 반대로 고리를 분리할 수 있다(decatenate). 만약 원형 DNA분자가 사슬의 두 고리처럼 연결된다면, 고리연결되었다고 말한다. 이런 두 가지 활성 중 한 가지인 DNA의 고리를 분리하는 능력은 생물학적으로 매우 중요하다. 고리로 연결된 DNA분자는 일반적으로 DNA 복제 단계가 끝남에 따라 만들어진다. 위상이성화효소는 DNA분자가 두 개의 딸세포로 나눠질 수 있도록 DNA 분자의 고리를 분리함으로써 세포분열에 필수적인 역할을 한다. 두 cccDNA 분자들 사이의 고리가 서로 분리되기 위해서는 한 DNA 분자 내에 절단된 이중가닥 사이로 다른 DNA 분자의 이중가닥이 통과하는 과정이 필요하다. 그러므로 이 반응은 II형 위상이성화효소에 의존적이다. 고리를 분리해야 하는 필요성은 왜 II형 위상이성화효소가 필수적인 세포 단백질인가를 설명해 준다. 하지만 만약 고리로 연결된 두 DNA 분자 중 적어도 하나가 틈새(nick)나 간격(gap)과 같은 단일가닥 부위를 가진다면, 그때는 I형 위상이성화효소가 두 분자 사이의 고리를 풀 수 있을 것이다. 진핵세포의 긴 선형 염색체에서도 이상 문제는 생긴다. 예를 들면, DNA 복제과정 동안 두 이중가닥의 딸 DNA 분자는 종종 얽히게(entangle) 될 것이다. 마치 고리로 연결된 DNA 분자처럼 뒤엉킨 자리는 유사분열 동안 딸 염색체의 분리를 방해한다. 그러므로 일반적으로 II형 위상이성화효소에 의해 족진되는 DNA 풀림(disentanglement)은 진핵세포의 성공적인 DNA 복제과정과 세포분열을 위하여 필요하다. 경우에 따라서는, 한 DNA 내에 매듭(knot)이 생기기도 한다. 예를 들면, 부위-특이적인 재조합 반응의 어떤 반응은 재조합의 결과로 매듭이 있는 DNA를 만들기도 한다. 반복해서 말하지만, II형 위상이성화효소는 이중가닥 DNA의 매듭을 풀 수 있다. 만약 그 DNA 분자가 틈새나 간격을 가진다면, 그때는 I형 위상이성화효소가 그 일을 할 수 있다.

단백질-DNA 공유결합을 사용하여 DNA 가닥을 자르고 재결합한다.

위상이성화효소는 기능을 수행하기 위하여, DNA 한 가닥(혹은 두 가닥)을 자른 다음, 잘려진 가닥을 재결합시켜야 한다. 위상이성화효소는 공유결합 중간체를 사용하는 기작을 이용하므로 다른 단백질이나 고에너지 보조인자(예를 들면, ATP)의 도움 없이도 DNA 절단과 재결합의 두 가지 과정을 촉진할 수 있다. 위상이성화효소의 활성부위의 티로신 잔기가 표적DNA 골격의 인산이에스테르 결합을 공격하여 DNA 절단이 일어난다. 이 공격은 DNA의 절단을 야기하는데, 이때 위상이성화효소는 잘려진 DNA의 말단에 인산-티로신(phosphor-tyrosine)결합을 통하여 공유결합을 한다. 그 DNA의 다른 말단은 자유로운 OH기를 가지고 있다. 이 말단 또한 효소에 의해 강하게 결합된다. 인산-티로신 결합은 잘려진 인산이에스테르 결합의 에너지를 보존한다. 그러므로 원래의 반응을 거꾸로 진행함으로써 DNA는 간단히 재결합될 수 있다. 잘린 DNA 말단의 OH기가 DNA 인산이에스테르 결합을 다시 형성하면서 인산- 티로신 결합을 공격한다. 이러한 반응에 의해 DNA 가닥이 재결합되고 위상이성화효소가 방출됨으로써, 방출된 효소가 다른 반응과정을 촉매할 수 있게 한다. 위에서 말하였듯이, II형 위상이성화효소는 활성을 위하여 ATP분해가 요구되는데, 가수분해로 얻어진 에너지는 DNA의 절단이나 재결합에 사용되기보다는 위상이성화효소-DNA 복합체 내의 입체구조 변화를 촉진하는데 사용된다.

효소다리를 형성하고 그 사이로 DNA 가닥을 통과시킨다.

DNA절단과 DNA 재결합 단계 사이에, 위상이성화효소는 끊어진 부분을 통하여 DNA의 두 번째 부분을 통과를 촉진한다. 따라서 DNA 절단, 가닥 통과, DNA 재결합과 같은 위상이성화효소의 모든 기능이 잘 조화되는 방식으로 이루어져야만 한다. 여러 가지 다른 위성이성화효소의 구조를 살펴보면, 어떻게 반응과정이 일어나는지 알 수 있다. 여기에서는 I형 위상이성화효소가 DNA를 이완하는 모델에 대하여 살펴볼 것이다. 이완과정을 시작하기 위해서, 위상이성화효소는 이중가닥 DNA의 단일가닥 부분에 결합한다. 단일가닥의 형성은 음성적으로 많이 초나선꼬임을 하고 있는 DNA에서 잘 일어나며, 따라서 이러한 DNA가 이완이 잘 되는 훌륭한 기질이 된다. DNA 두 가닥 중 한가닥은 티로신 중간체의 근처에 위치한 효소 내 틈에 결합하게 된다. 이 반응이 성공적으로 이루어지기 위해서는, 새롭게 잘려진 DNA의 다른 말단이 효소와 강하게 결합하고 있어야 한다. DNA가 잘린 후, 위상이성화효소는 잘린 가닥에 간격을 만들기 위해서 구조적으로 큰 변화를 겪게 되고 효소는 다리처럼 그 간격을 연결한다. 그때 잘리지 않은 두 번째 DNA 가닥은 그 간격을 통과하여 단백질 내의 “도넛 모양의” 구멍에 위치한 DNA-결합자리에 결합한다. DNA 가닥이 통과한 후, 위상이성화효소-DNA 복합체 안에서 두 번째 구조변화가 일어나 잘려진 DNA 말단이 다시 연결된다. DNA 가닥의 재결합은 인산-티로신 결합에 있는 OH 말단의 공격에 의해 일어난다. 재결합 후, DNA가 빠져나갈 수 있도록 효소는 마지막으로 한 번 더 열려야 한다. 이렇게 만들어진 DNA는 고리수가 하나 늘어난 것을 제외하고는 시작할 때의 DNA 분자와 동일하다. DNA 가닥 통과반응 동안 효소가 “단백질 다리”를 제공하는 이런 일반적인 작용기작은 II형 위상이성화효소에도 적용될 수 있다. 하지만 II형 위상이성화효소는 2량체이다(어떤 것은 4량체). 활성자리 티로신 잔기를 가지는 두 개의 위상이성화효소 소단위체가 두 DNA 가닥을 잘라 이중가닥 절단을 만들어내며, 이것이 II형 위상이성화효소 기작의 필수적인 특징이다.