[분자생물학] 2.2 : DNA의 구조, DNA의 특징

 

이번 포스트에서는 DNA의 구조와 특징에 대해 알아보도록 하자.

 

 

DNA는 앞서서도 살펴본 것처럼 double helix(이중나선) 구조임. 이 때 chargaff의 실험을 통해 purine의 양과 pyrimidine의 양이 거의 동일함이 확인되면서 결국 A-T, G-C간의 결합이 이루어짐이 확인됨. (이 때 A-T끼리는 2개의 수소결합, G-C끼리는 3개의 수소결합으로 연결됨)

 

 

이 그림에서 중요한 것은 두 가닥의 DNA strand가 서로 antiparallel한 형태로 배열되어 있다는 것임. (또한 위 그림과 같이 double-helix가 한 바퀴 돌 때 10.5개의 base pair가 필요하다는 사실도 기억해두자)

 

 

 

참고로 위 그림은 Rosalind Franklin이 찍은 DNA의 x-ray diffraction을 나타내주는 실제 사진이므로 참고할 것.

 

 

 

 

우리 몸에서 발견되는 DNA의 종류는 크게 위 그림과 같은 3가지임. 순서대로 A form, B form, Z form임. 이 때 A form은 매우 희귀하게 발견되며 주로 RNA-DNA hybrid에서 발견되는 구조임. 다음으로 B form은 우리 몸에서 제일 흔하게 발견되는 형태임. 이 때 A, B form은 모두 right-handed coil(오른나선 꼬임)임. 한편 마지막에 보이는 Z form은 left-handed coil(왼나선 꼬임)이며 매우 희귀함.

 

 

다음으로 위 그림에서도 나와 있는 것처럼 전체 DNA에서 G+C content의 비율은 종 마다 매우 다양함. (22%~73%정도로 매우 다양함)

 

 

이 때 G, C간의 수소결합은 3개이므로 매우 강함. 따라서 이들의 결합을 끊어 DNA 복제나 전사를 수행하기가 더 어려움. 그러므로 아마도 G+C contents는 생물이 살아가는 환경에 따라 달라질 것으로 예상되고 있음.

 

 

 

 

다음으로 DNA의 denaturation(해리)와 renaturation(재접합)에 대해 알아보자.

 

 

 

전체 DNA 양의 절반이 denature되었을 때의 온도를 Tm으로 정의함. 이 때 Tm 값은 당연히 DNA 내에 GC content의 양이 증가할수록 커질 것임.

 

 

한편 열 뿐만 아니라 DNA는 organic solvent, high pH, low salt concentration 조건에서도 denaturation될 수 있음. 따라서 주변의 다양한 환경에 따라 denature 여부가 달라질 수 있음.

 

 

참고로 GC content에 따라 DNA density도 달라지게 되는데, 이에 대해 나타낸 그래프가 아래와 같음.

 

 

 

(이는 A-T base pair의 molar volume이 G-C base pair의 molar volume보다 상대적으로 더 크기 때문에 일어나는 현상임)

 

 

 

다음으로, denature된 DNA가 다시 합쳐지는 과정을 DNA renaturation 혹은 annealing이라 함. 이 때 annealing에 영향을 미치는 중요한 factor에는 아래와 같은 것들이 있음. 

 

 

1. temperature (온도)

: renaturation에 있어 최적의 온도는 Tm보다 25도정도 낮은 온도임. (만약 PCR을 한다면 너무 낮은 온도는 오히려 독이 될 수 있음. template끼리 다시 붙어버리는 등의 non-specific binding이 일어나버릴 수 있기 때문임)

 

 

2. DNA concentration (DNA 농도)

: 어느 정도 DNA의 농도가 높아질수록 DNA가 서로 다시 짝을 찾기에 더 용이함. 

 

 

3. renaturation time

: 반응시간을 증가시켜줄수록 더 많은 annealing 반응이 일어남. 

 

 

 

 

한편, renaturation과 유사한 개념으로 hybridization(혼성화)라는 개념이 있음.

 

 

hybridization은 두 가지 서로 다른 nucleic acid들을 같이 결합시키는 과정을 말함. 이 때 두 가닥이 다 DNA일수도 있으며 한 가닥은 DNA, 나머지 한 가닥은 RNA일수도 있음. (이 때 나머지 한 가닥이 완전히 상보적이지 않더라도 대다수의 부분이 상보적이면 hybridization이 일어날 수 있음)

 

 

 

한편, 생물마다 DNA의 size는 다르고, 이와 더불어 모양도 다름. 예를 들어 phage DNA의 경우 circular한 모양이며 진핵생물들의 DNA는 대부분 linear함. 이외에 DNA의 위치, 종류, 혹은 종에 따라 supercoiled DNA coil의 모양이 상이함. 

 

 

 

이제 마지막으로 DNA와 관련한 유명한 패러독스인 C-value paradox에 대해 알아보자.

 

 

C-value는 haploid cell 하나가 가지고 있는 DNA content의 양을 나타냄. 이 때 우리가 흔히 생각하기로는 더 복잡한 organism일수록 C-value도 더 큰 것이 당연할 것 같음. 이는 mouse, human과 yeast의 비교에서는 맞는듯 보임. 그러나 frog의 경우 사람보다 1개의 haploid cell에 7배 더 많은 gene을 가지고 있음.

 

 

복잡한 organism일수록 더 많은 gene을 가지고 있을 거라는 생각과는 달리 복잡성에 상관없이 C-value가 다양하다는 결과가 바로 C-value paradox임. 이 paradox에 대한 많은 설명이 있으나 그 중 하나는 비정상적으로 높은 C-value를 가진 개체의 경우 단순히 굉장히 많은 양의 extra, non-coding DNA를 함유하고 있을 가능성이 높다는 것임. (앞서 살펴봤듯 대부분의 DNA는 non-coding DNA인데, 이 비율이 일반적인 organism보다 높을 시 C-value가 더 높게 나타나게 됨)

 

 

 

 

다음 포스트에서는 유전자의 기능에 대해 상세히 알아보자.