분자생물학 10장 (1) - 돌연변이와 mismatch repair

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 돌연변이의 성질 

염기전이 (transition) : T-> C or A->G 

염기교차 (transversion) : T -> G,A or A->C,T

 

이런 광범위한 DNA의 손상은 transposition에 의한 것이다. 

 

돌연변이가 특히 잘 일어나는 한 부루의 서열이 있다.

단순한 2~4개의 뉴클레오티드 서열의 반복으로 DNA microsatellite 라고 부른다.

 

Mutational hot spot : 자연상태의 돌연변이 비율

돌연변이율 보다 더 높은 비율로 나타날 수 있다.

미세반복서열(STR) 

 

 

짧은 반복 서열이 늘어나거나 줄어들 수 있다.

염기서열 자체가 변하는게 아니라 반복 횟수의 변화가 생긴다.

 

개개인마다 이런 반복 수가 다를 수 있다.

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 어떤 복제 실수는 교정을 회피한다. 

 

실수를 하지만 자기가 그것을 교정하기도 한다.

이것을 Proofreading이라고 하고 Replisome에서 한다. 

Proofreading도 완벽하지 않기 때문에 돌연변이를 남기게 된다.

 

 

 

자연계에서 자발적으로 생기는 돌연변이는 DNA 중합효소의 실수이다.

실수율은 1/10^5 이다.

이것을 Proofreading을 통해 1/100을 줄인다.

또 다른 수선기구(mismatch repair)를 통해 수선을 하여 1/10^10 으로 낮춘다.

 

그러나 이 정도의 낮은 돌연변이는 진화와 적응의 원동력이 된다.

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 Mismatch repair는 교정에서 놓친 실수를 제거한다. 

Mismatch를 탐지하고 수선하는 기작이 존재한다. Mismatch repair system

 

 

 

MutS가 mismatch가 일어난 부위를 탐지하고 결합한다.

그리고 MutL과 MutH와 을 대려와서 결합 되어있던 ATP를 분해하면서 에너지를 쓴다. 

MutL은 mismatch 부위의 한 가닥에 절단을 일으키는 효소인 MutH를 활성화시킨다.

 

 

 

MutH가 문제가 생긴 가닥을 자른다. (endonuclease : 칼집만 낸다, 한 쪽만 자른다)

 

특이적 헬리카아제(UvrD)는 DNA를 푸는데, 절단자리에서 시작하여 mismatch 부위를 향해 진행한다.

 

그러면 exonuclease(핵산분해효소)가 와서 지워버린다.

 

그 후 주형을 이용하여 Pol lll가 와서 다시 복제를 한다. 마지막 부분은 ligase가 붙인다.

 

S -> L -> H -> UvrD -> exonuclease -> Pol lll

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 대장균의 mismatch repair = Methylation  

대장균의 Dam 메틸화효소는 5'-GATC-3' 서열의 두 가닥에 있는 A 잔기를 메틸화한다. (그림 오류)

따라서 Dam 메틸화효소가 새로 합성된 가닥을 메틸화할 때까지의 몇분간은 딸 DNA 이중나선은 주형으로 제공된 가닥만 메틸화되어 있다.

즉 새로 합성된 가닥이 메틸기가 없다.

메틸기가 없으면 수선될 가닥으로 인지된다.

 

MutH 단백질은 메틸화되지 않은 가닥만 선택적으로 절단한다.

따라서 mismatch 인근의 새로 합성된 DNA만 제거되고 대체된다.

그러므로 Methylation은 복제 중 발생한 실수를 정확한 서열로 수정할 수 있게 해주는 "기억 장치"인 셈이다.

 

MutH는 메틸레이션 안된 곳을 자른다.

Methylation 되어 있는 가닥이 원래 있던 주형가닥이고,

Methylation 되지 않는 가닥이 새로 만든 가닥이다.

 

 

대장균에서, Dam 메틸기 전달효소(Dam metyltransferase)는 모든 GATC 서열의 A를 메틸화시킨다. 위의 모식도를 보면, 13-염기 자리의 맨 앞 부분이 GATC다.

 

복제 개시점에 GATC 서열이 존재한다! 그렇다면 복제가 된 후에 메틸화 시키나요? 아니다. 복제되기 전에 미리 메틸화를 시켜둔다. 복제가 시작되고, 새로 합성된 단일가닥 DNA의 GATC 서열은 A가 메틸화되어 있지 않을 것이다. 물론 주형이 되는 가닥에서는 메틸화가 되어 있다.

 

이것을 반메틸화라 하는데, 이것을 SeqA라 불리는 단백질이 감지하여 결합한다. 그러면 DNA가 추가적으로 복제되지 않을 것이다. 왜냐? SeqA가 딱 결합해서 방해하고 있지 않은가.

 

그리고, 여기에서 언급은 하지 않았으나 DnaA가 DNA에 결합하기 위해서는 ATP와 결합한 상태여야만 한다. DnaA-ATP 결합체가 DNA의 복제 개시점에 결합하여 복제를 개시하면, ATP는 ADP로 바뀐다. 그러면 DnaA는 일시적으로 불활성화 될 것이다. 

 

또한, DnaA는 여러 유전자에서 전자 조절자로써 작용한다. 무슨 뜻인가? 당연히 복제 개시점 외에도 많은 DnaA 결합부위가 존재한다는 뜻이다. 물론 그 부위는 복제 개시점이 아니므로 새로운 복제가 시작되진 않는다.

 

즉, 복제가 됨에 따라 DnaA 결합부위는 점점 배가 될 것이다. 그러면 활성을 갖는 DnaA가 모두 엉뚱한 데 결합해버려 복제의 개시가 억제된다.

 

그러나 아까도 말했다시피 이게 완벽하게 재복제를 막는 것은 아니다.

실제로 최대 속도로 분열하는 대장균의 경우, 본래 DNA가 복제되는 속도는 40분 이상인데 재복제를 통해 약 20분만에 세포분열을 한다.

그렇지만 이 경우에도 각 세포분열 주기 당 복제가 딱 한 번씩만 되도록 조절한다.

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MutS가 잘못 짝지어진 것을 감지하고

MutL과 MutH를 대려오고

MutH는 메틸기가 없는 부분을 새로 생긴 가닥으로 인지하고 그것을 잘라서

UvrD라는 헬리케이스가 DNA 가닥을 풀고

Exonuclease가 하나씩 지운다.

DNA Pol lll 가 지워진 DNA를 매꾼다.

 

 

정확도는 원래 있던 주형과 지금 만든 실수가 유발된 가닥을 정확하게 인지하는 것이다.

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오카자키 조각은 지체가닥만 있지 선도가닥은 없다.

그래서 또다른 기작인 DNA 복제효소가 이탈되지 않게 도와주는 활주 클램프가 복제 기구에 있다.

활주 클램프와 상호작용해서 새로 합성된 가닥이 인지가 된다.

 

 

진핵세포의 복제기구

활주클램프

 

 

MutS : 센서 역할

MutH : 메틸그룹이 붙어있지 않은 가닥을 자른다.