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DNA

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1. 개요2. 발견3. 구조
3.1. 분자적 구조3.2. 기하학적 구조
4. 새로운 3가닥 DNA5. 복제6. 후성유전(Epigenomic)7. DNA 보조식품?8. 관련 문서

1. 개요

디옥시리보 핵산(Deoxyribonucleic Acid)의 약칭이다.

대부분의 생명체(일부 바이러스 제외[1])의 유전 정보를 담고 있는 화학 물질의 일종이다. 현대 분자생물학의 필수요소이며, 생물학 하면 떠오르는 대표적인 이미지인 이중나선 구조의 주인공.

DNA는 본래 세포 내에서 가느다란 실[2]과 같은 형태로 존재한다. 그러나 세포가 분열할 때 DNA의 이동의 편리를 위해 DNA가 엉겨붙으며 굵직한 구조체를 형성하게 되는데 이를 염색체라고 한다. 또한, DNA에 저장된 유전 정보 그 자체를 유전자라고 한다.

2. 발견

DNA 이중나선 구조가 밝혀지는 과정은 명확했지만 그 공로가 인정받는 절차는 사기에 가까웠다. 주워먹기
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제임스 왓슨 프랜시스 크릭
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제임스 왓슨프랜시스 크릭은 DNA의 구조를 밝히기 위해 머리를 굴려가며 모형을 짜맞추다가, 실제 구조에서 겉과 속을 뒤집은 형태의 모형을 만들어서 발표했는데, 당연히 소수성 염기가 물과 접촉하고 친수성 인산들이 안에 들어간 데다가 인산끼리 서로 반발하는 힘이 강하기에 구조적으로 불안정한 (ATP 참조), 화학적으로 검증된 DNA의 안정성과 배치되는 형태였다. 이 자리에 당시 결정학자이자 X선 회절 전문가인 로절린드 프랭클린도 있었고, 그녀는 이 조잡한 예측을 대놓고 저격했다.(...) 한편, 왓슨과 크릭은 그들의 고용주에게 하라는 일은 안 하고!!란 식으로 까였으며, 결국 DNA 구조 관련 연구를 중단해야했다. 참고로, 이들은 첫 망작 모형을 만들 때, 자체적으로 실험을 할 수도 없고, 다른 학자들로부터 데이터를 얻을 수도 없어서 둘이서 종이를 잘라 모형을 만든 뒤 끼워맞춰가며 적절한 구조를 만들어 내면 나중에 누군가가 실험으로 증명할 것이라는 발상이라는 것이다. 이는 사실 관찰 및 실험으로 입증하여 자연의 현상을 탐구하는 전통적인 과학적 방법론을 따라야 하는 그 당시 과학자들에게 있어서는 일종의 사도에 가까운 길을 걸은 것이다.[3]

왓슨과 크릭은 DNA의 모형을 조정하여 제대로 된 모델을 만들어낸다.[4] 문제는 이를 뒷받침할 수 있는 증거자료였다.
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로절린드 프랭클린 모리스 윌킨스
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프랭클린이 발견한 DNA X선 회절 사진

그들은 그 결정적인 증거자료를 프랭클린과 모리스 윌킨스가 일하던 연구소에서 얻게 된다. 프랭클린은 연구소를 떠나 버크벡 대학으로 옮기게 되었고, 그 전에 갖고 있던 자료를 동료 연구자인 윌킨스에게 공유하라는 지시를 받은 상태였다. 윌킨스는 그가 넘겨 받은 자료 중 프랭클린이 100시간에 걸쳐 자신이 고안한 카메라 장치로 촬영한 깨끗한 X선 회절 사진을 왓슨과 크릭에게 보여 준다. 이것은 모델에 대한 결정적 근거였지만, 프랭클린의 동의를 받지 않고 그녀의 자료를 이용한 것 때문에 많은 논란이 일어났다. 왓슨과 크릭은 윌킨스에게 논문 공동저자가 되자고 권했지만 윌킨스는 거절했다. 왓슨과 크릭은 논문을 발표하면서 "윌킨스와 프랭클린의 출판되지 않은 자료들에서 영감을 받았다"는 각주로 간단하게 언급하고 만다.

논문을 완성한 왓슨과 크릭은 네이쳐 편집장이었던 학장에게 부탁하여 결국 딸랑 3장짜리 논문을 발표하는데, 이 논문에는 직접 자기 손으로 그린[5] DNA 구조, 그것도 무슨 화학물질이 들었는지 아무 설명도 없이 그냥 선만 그려놓은 것 말고는 아무런 그림도 없는, 그러니까 데이터는 1g도 안 들어간 눈물나는 논문을, 아…그러니까 우리가 대단한 걸 발견했는데요, DNA 구조란 게 대충 이런 것 같슴당. 근데 데이터는 없…… 하며 내놓은 것이다. 그런데 사실 이 논문과 논문집, 같은 호에 모리스 윌킨스의 논문과 로잘린드 프랭클린의 논문이 같이 실렸기 때문에 독자들은 이 3페이지 짜리 논문에서 "DNA구조가 이랬단 말인가!" 하며 뒤통수를 얻어맞은 기분이 되었다가, 바로 뒷 페이지에 실린 윌킨스의 논문과 프랭클린의 논문을 읽고 그 데이터와 결론을 왓슨과 크릭의 구조 예측으로 설명하면 완전히 간결하게 맞아 떨어진다는 것을 알게 되고 인정하지 않을 수가 없었다. 애초에 왓슨과 크릭은 이런 효과를 노리고 무리해서라도 3장짜리 논문을 프랭클린이 논문을 내던 시점에 맞춰서 급하게 낸 거였고[6] 당시 DNA를 X선 회절 사진으로 연구하던 학자들이 많았기 때문에 순식간에 화제가 되었다. 그리고 얼마 뒤 왓슨과 크릭은 자기네 예측을 깔끔하게 정리해서 후속 논문을 제출했고, 이 논문에 X선 회절 사진을 제공한 윌킨스를 공동저자로 끼워준다. 그 논문은 실로 예술이었는데, DNA가 이중나선이며 A-T, G-C 상보적 결합을 통해 한 가닥만 있어도 다른 가닥을 그대로 만들 수 있기 때문에 복제도 가능한 구조라는 것을 모두 멋들어지게 밝힌 논문이었다. 역시 인생은 한 방 이 공로로 왓슨, 크릭, 윌킨스는 노벨 생리의학상을 1962년에 수상한다. 왓슨과 크릭의 첫 네이처 논문[7][8]

하지만, 로절린드 프랭클린은 1958년에 37세에 난소암으로 요절했기 때문에 수상하지 못했다. 노벨상은 이미 죽은 사람한테는 수여되지 않기 때문이다. 하지만 프랭클린의 공로가 잘 알려지지 않았기 때문에 후에 그 공로가 재발견됐을 때 성차별 및 업적을 가로챘다는 논란에 휩싸였다. 다만 왓슨과 크릭 입장에서는 억울한 면이 있는 것이 애초에 공동저자 제안을 이론을 납득하지 않은 프랭클린이 받아들이지 않았다.[9] 사실 프랭클린이 살아있었어도 노벨상을 받지 못했을 것이라는 암울한 추측도 많다. 프랭클린은 자기 혼자서 데이터를 모두 정리하려고 했기 때문에 노벨상을 수상하게 해준 그 논문에서 제4 저자로 실렸고 노벨상은 한꺼번에 3명까지만 받을 수 있기 때문이다. 프랭클린보다 테크닉이 떨어져 깔끔한 사진은 찍지 못하던 윌킨스는 자기가 찍은 사진들을 적극적으로 왓슨과 크릭에게 지원해줘 제3 저자로 실린 것과는 대조적이다. 왓슨은 노벨상 수상 이후 "이중나선"이라는 책을 집필하였는데 이 책을 통해 이중나선의 발견 과정이 상세히 알려지면서 공로에 대한 논란이 더 커졌다.

세간과 학계의 사람들은 "이중나선"을 읽으면서 결국 실험 데이터를 모두 뽑아냈던 윌킨스와 프랭클린의 업적이 그저 예측과 결과 분석을 수행한 왓슨과 크릭보다 훨씬 높고 왓슨과 크릭은 그 두 사람의 연구를 사실상 도둑질하여 재구성한 것에 불과한 것이 아니냐는 의문을 가지게 되었고, 결국 왓슨과 크릭은 끝없이 해명과 자기변호를 해야만 했다.(프랜시스 크릭은 2004년에 사망했다) 이는 절대 불합리한 문제제기가 아니며, 학계에 제출되는 모든 출간물과 발표의 저자 기여도에서 가장 큰 비중을 차지하는 것 중 하나가 실험의 기획과 설계를 맡는 것이 누구냐이다. 실험을 설계하는 것[10]과 결과를 분석하는 것 두 가지가 저자 기여도에서 가장 중요한 두 부분인데, 왓슨과 크릭은 결국 결과분석만을 수행한 것이고 이 둘이 실험의 설계와 수행을 모두 수행한 윌킨스나 프랭클린을 제치고 영예를 차지하는 것이 과연 바람직한 일이냐는 생각은 누구나 가질 수 있는 것이었다. 물론, 핵심적인 아이디어인 이중나선구조와 이를 통한 DNA의 자기복제 기작, 샤가프 법칙의 인용 등은 왓슨과 크릭의 공로이긴 하지만. 과연 프랭클린의 사진과 데이터들이 없었어도 왓슨과 크릭이 이중나선모형을 발견할 수 있었을 것인지, 또는 역으로 왓슨과 크릭이 없었어도 프랭클린이 독자적으로 자신의 데이터를 활용해서 이중나선모형의 발견자가 될 수 있었을지에 대해서는 논란이 분분하다. 윌킨스가 프랭클린과 사이가 좋지 않았고 왓슨과 더 친했던 것, 왓슨과 크릭이 프랭클린보다 윌킨스를 더 인정했던 것이 남녀에 대한 차별 문제인지 단지 인간관계 문제였는지도 보는 관점에 따라 다르다.

사족으로 왓슨은 이후 인종차별적인 발언이 드러나 2007년 무렵 학계에서 쫓겨나다시피 하고 2014년엔 자신의 노벨상 메달을 경매에 내놓기에 이르렀다. 결과적으론 예상가보다 높은 53억에 낙찰되었고, 대인배 낙찰자[11]가 메달을 왓슨에게 곧장 돌려줌으로써 말년을 비참하게 보낼 뻔한 위기에서 구해졌다. 지금은 인종차별적인 발언을 했던 과거에 대해서 깊이 반성하고 있다고. 관련기사 2

DNA 구조 발견 이후 왓슨과 크릭은 한 바이러스의 구조를 밝혀내는 추가 공동연구를 수행하기도 하였다. 이후 왓슨은 분자생물학 교과서 (우리나라에서도 이 책을 쓰는 학교가 많다)를 저술하기는 하였으나 연구하는 과학자보다는 행정가로서의 길을 가게 되었다 (콜드스프링하버 연구소장, 휴먼지놈프로젝트 제창 등). 크릭은 DNA → RNA → 단백질 합성으로 이어지는 센트럴 도그마의 아이디어를 내놓았고 그와 관련한 지속적인 연구에 매진하여 분자생물학계의 거두로 자리매김한다. 사실상 현대 생물학의 기초를 만든 것은 크릭이라고 봐도 좋다. 크릭과 왓슨이 맞을 거 같다

한편 화학자로서 화학결합의 개념을 정립하는 데 큰 기여를 한 라이너스 폴링 역시 DNA의 구조를 알고자 하였는데, 폴링은 삼중나선 형태라고 예측하였었다. 왓슨과 크릭은 첫 모형에서 염기들을 밖에 내놓는, 화학적으로 불가능한 구조를 만드는 삽질을 했는데, 중요하고 자주쓸 염기를 왜 굳이 안에 박아두겠냐는 생각에… 폴링의 삼중나선 예측도 비슷한 류의 삽질이다. 그러나 이중 나선 구조로 밝혀지고 나자 진심으로 축하를 하며 '아름다운 구조'라고 극찬을 했다고.

3. 구조

3.1. 분자적 구조

파일:DNA 구조(한글 번역-수정).jpg
원본
DNA는 기본적으로 H, C, N, O, P로 이루어진 뉴클레오티드의 사슬이다. 뉴클레오티드는 DNA의 기본구성 단위로 당(Sugar), 염기(Nitrogenous base), 인산기(Phosphate)로 구성되어 있다. 참고로 인산기 때문에 DNA는 전체적으로 음전하를 띤다.

뉴클레오베이스(Nucleobase)는 염기, 뉴클레오사이드(Nucleoside)는 염기 + 당, 뉴클레오티드(Nucleotide)는 염기 + 당 + 인산기를 의미한다. DNA는 RNA와 달리 의 2번 탄소와 결합한 -OH에서 산소가 빠져 -H가 붙어있고[12], 그리고 결합하는 염기가 하나 다르다. DNA의 염기는 4종류로 A(아데닌),G(구아닌),C(시토신),T(티민)가 있다. RNA는 T 대신 U(유라실)을 사용한다.

이러한 DNA만의 고유한 특징은 DNA의 안정성에 대한 분자적 근거가 되는데 이를 나열하면 다음과 같다.
  • 당의 2번 탄소에 -OH가 아닌 -H가 있기 때문에 알칼리성 조건에서 쉽게 가수분해되지 않는다. [13]
  • 염기가 U가 아닌 T로 구성되어 있어서 C의 탈아미노화에 의한 변이가 일어날 경우 DNA 복구계에 의해 교정될 수 있다. [14]
  • 바깥쪽의 당-인산 골격이 안쪽의 염기를 보호하고 있다.
  • 상보적인 이중가닥을 형성하므로, 한 가닥의 염기가 손상되더라도 다른 가닥으로부터 보완될 수 있다.

당은 인산과는 5번 탄소에서 인산에스터(phosphoester) 결합을 하고 염기와는 1번 탄소에서 글리코시드(glycosidic) 결합을 하는 데, 둘다 물을 생성한다. 뉴클레오티드는 다른 뉴클레오티드와 결합해서 DNA 단일가닥이 되는데, 한 뉴클레오티드의 인산기와 다른 뉴클레오티드 3번 탄소의 -OH가 인산디에스터(phosphodiester) 결합을 이룬다.(역시 물이 생성된다) 이 반응이 계속 되면서 사슬이 생긴다.

DNA는 이 염기로 정보를 저장한다. DNA의 염기가 나열된 것을 염기서열이라고 부르는데, 자세한 것은 코돈 참조. DNA의 이중나선은 뉴클레오티드 사슬의 염기들이 '다른' 사슬의 염기들과 상보적으로 수소결합을 해서 생기는 구조다. A와 G는 퓨린기(purine), C와 T는 피리미딘기(pyrimidine)라고 불린다. 상보적이라는 것은 퓨린과 피리미딘이 1:1로 결합하는 걸 말하는데, 그중에서도 A는 T하고만(A=T), C는 G하고만 (C≡G) 결합한다(=는 수소결합이 2개, ≡은 3개 있다는 의미). 돌연변이가 생기는 원인 중 하나는 DNA 복제 과정에서 상보적이지 않은 염기끼리 대응되는 것이다.

생물이 늘 그렇듯이(...) 실제로는 예외가 존재하고 또 구조 또한 더 복잡하다. 메틸기(-CH3)가 붙은 염기도 존재하고 염기 사이의 결합이 회전되어 있거나 기타 등...

3.2. 기하학적 구조

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DNA가 이중나선을 이루면서 넓은 홈(Major groove)과 좁은 홈(Minor groove)이 생긴다. 문자 그대로 넓은 홈은 홈이 넓어서(...) 염기들이 많이 드러나 있어 정보량이 많다. 즉 염기를 인식하는 단백질들이 인식을 잘 하게되고 잘 붙을 수 있게 된다. 실제로 대부분의 단백질들은 넓은 홈에 결합한다. 그림에서 진하게 칠한 부분이 홈이고, 나머지는 사슬이다. 넓은 홈과 좁은 홈이 보이는가?

파일:external/upload.wikimedia.org/A-B-Z-DNA_Side_View.png
왼쪽부터 A형, B형, Z형 DNA

DNA는 A형, B형, Z형 3종류의 형태가 있는데, 이 중 B형이 왓슨-크릭 구조, 즉 DNA 연구를 할 때 기준이 되는 구조이고 A형과 Z형은 B형의 변이들이며 이들의 특징은 각기 다르다.

B형은 우리가 알고 있는 DNA의 형태로, 높은 습도에서 형성되며 가장 안정한 형태이다. 직경은 2nm이고 1회전당 길이는 3.4nm이다. 나선의 회전방향은 위에서 볼 때 반시계방향이고[15] 나선의 1회전당 염기쌍은 10.5개이다.

A형은 탈수된 환경에서 주로 관찰되는데 직경은 2.6nm이고 1회전 당 길이는 2.8nm이다. 나선의 회전방향은 B형처럼 반시계방향이고 나선의 1회전당 염기쌍은 11개이다. 즉 B형을 양쪽에서 잡아당긴 듯한 모양이다.[16] DNA의 결정형성을 촉진시키는 시약을 사용하면 DNA가 탈수되어 A형으로 결정화되는 경향이 있다. 또한 RNA/DNA가 서로 상보적으로 결합한 잡종뉴클레오티드나 두 가닥의 RNA도 A형을 이룬다.

Z형은 불규칙하게 지그재그로 꼬인 나선이며 회전 방향은 위에서 볼 때 시계방향인데, 이는 퓨린기와 당의 결합 각이 다른 형태의 DNA와는 다르기 때문이다.[17] 직경은 1.8nm이고 1회전당 길이는 4.4nm이다. 나선의 1회전당 염기쌍은 12개이다. 즉 B형보다 더 길고 느슨하다. Z형은 B형과의 가역적인 구조변화가 가능한데, 특히 퓨린과 피리미딘이 교차하며 늘어선 염기서열[18]에서는 B형보다 오히려 Z형을 선호한다! 일부 Z형 DNA가 생물체에서 발견되었지만 아직 그 역할은 밝혀지지 않았다. 하지만, 5-메틸시토신에 의해 Z-DNA가 있을 경우 돌연변이를 일으키기 쉬워진다는 보고는 있다.

4. 새로운 3가닥 DNA

이제까지 DNA는 1가닥 또는 2가닥뿐이라고 생각되어왔지만, 요즘 3가닥 DNA의 존재가 과학자들 사이에서 알려져있다.
보통, 진핵생물 세포 내에서 DNA는 2가닥으로 존재하며, 약 60도정도로 온도가 올라가면 수소결합이 끊기면서 1가닥으로 된다.
반대로 온도가 떨어지고 0도정도 되면 세포질 안에서 3개의 염기가 같은 높이로 오는 경우가 있다.(인산을 중심으로)
3개의 염기가 같은 높이로 올라오면 DNA는 3가닥 상태로 존재하게 된다.하지만 세포질이 0도까지 떨어지는 환경은 지구상에서 보기 힘들기 때문에 인공적으로 3가닥 DNA를 만들려고 하지만, 인산이 필요하기 때문에 연구하기는 어렵다고 한다.
하지만 예외적으로 자연계에서 3가닥의 DNA를 가지고 있는 균이 있다. 그 균의 DNA는 한가닥한가닥씩 단계적으로 풀어지면서 DNA양을 증가시킨다.
또, 놀랍게도 3가닥 DNA에 있어서의 구조는 2중나선DNA와 거의 구조가 같다고 한다.(나선패턴 등)
그리고 DNA의 일차구조를 유지하기 위한 부담, 즉 에너지는 놀랍게도3가닥DNA에서 더 높다고 한다.

5. 복제

복제(생물학) 문서 참고.

6. 후성유전(Epigenomic)

후성유전 항목 참고.

7. DNA 보조식품?

핵산 항목 참고. 유사과학의 극치이자 비뚤어진 상이 잘못된 과학을 만나 어떻게 둔갑하는지를 보여주는 좋은 사례다.

8. 관련 문서



[1] 바이러스 중에는 DNA 대신 RNA를 유전물질로 사용하는 경우도 흔하다.[2] DNA에 히스톤 단백질이 결합한 형태로, 염색사라고 한다.[3] 마찬가지 이유에서 실험 없는 이론구축을 일삼는 초끈이론 분야를 "실험적 근거가 나오기 전까지는 과학으로 인정할 수 없다!"는 시각을 가진 학자가 제법 존재한다.[4] 이 과정에서 프랭클린의 지적에서 많은 힌트를 얻은 것으로 보인다. 앞에서도 언급했듯이 DNA의 뼈대 부분이 바깥쪽에 있어야 한다고 지적한 것도 프랭클린이었다.[5] 컴퓨터가 없던 시절에도 전문 자료들은 따로 그려주는 사람이 있었다. 그러니까 그림을 부탁할 여력도 없었고, 애초에 그림 자체가 없었다(...).[6] 로잘린드가 논문을 내려던 시점에 아직 자료 정리가 덜 끝났기 때문이었다.[7] 2018년 4월 현재 구글 스콜라 기준 피인용수 14549회[8] 저자들이 Watson & Crick을 줄여서 WAC라고 써서 초반에는 보수적인 학자들에게 화장실 논문(...)이라고 놀림받았다. 그러게 CAW로 하지 그랬어, 동전 던지기로 누구를 앞으로 할지 결정한 것이니 뭐...[9] 애초에 묻혀있던 프랭클린의 관측결과에 대한 사실과 업적을 널리 알린 책 "이중 나선"를 쓴 저자가 왓슨 본인이었다. 일부에서 주장하는 것처럼 이들이 프랭클린의 업적을 도둑질할 셈이었다면 하지 않았을 일이다.[10] 실험 수행의 경우 전문 실험자를 고용하는 경우도 있어 실험 설계보다 중요성이 떨어진다. 물론, 고용된 전문 실험자 역시 반드시 저자에 포함되어야 한다.[11] 라고는 하지만, 이 메달을 사서 돌려준 사업가 역시 인종차별적인 언행으로 구설수에 오른적이 있다. 어떤 의도로 그런 행동을 했을지 생각해보자.[12] 이 당을 디옥시리보스라고 한다.[13] RNA는 당의 2번 탄소의 -OH가 염기에 의한 가수분해의 매개원자단으로 작용하여 알칼리성 조건하에서 가수분해되도록 한다.[14] 만약 원래부터 DNA에 U가 존재했다고 가정해보자. C에 탈아미노화가 일어나 U로 변이된 경우, 정상 U와 구별할 수 없어서 복구되기 어려울 것이다. 결국 모든 세포에서 점점 C≡G염기쌍은 U=A염기쌍으로 치환되고, C≡G서열에 의존하던 발현산물들은 사라질 것이다.[15] 오른손의 주먹을 쥐고 엄지를 펴서 세워보자. 나머지 네 개의 손가락이 엄지를 휘감고 올라가는 방향이다. 검지손가락 두개를 나선의 방향대로 꼬면 회전방향을 알기 쉽다.[16] 앞서 DNA가 주로 음전하를 띤다고 말한 것을 기억하는가? 이 때문에 DNA 내부에는 서로를 밀어내는 힘(척력)이 존재한다. 원래는 물의 부분적인 양전하와 각종 양이온들이 척력을 감소시켰지만, 탈수된 환경에서는 그게 물과 양이온이 적어서 척력이 강해지기에 이런 모양이 생기는 것이다.[17] A형, B형의 염기와 Z형의 피리미딘기는 anti 형태로, 당의 1번탄소와 염기의 N 사이의 결합이 180도를 이룬다. 하지만 Z형의 퓨린기는 syn 형태로, 0도를 이룬다. 따라서 Syn형과 anti형이 상보적으로 결합하면서 왼쪽 방향으로 회전된다.[18] 예를 들면 시토신과 구아닌, 혹은 5-메틸시토신과 구아닌 잔기가 나열된 서열