반보존적 복제

DNA 복제에 대한 3가지 가설

반보존적 복제(半保存的 複製, 영어: semiconservative replication)는 1953년 제임스 왓슨(J. D. Watson)과 프랜시스 크릭(F. H. C. Crick)에 의하여 제창된 DNA 복제 모델로 DNA의 두 가닥이 풀려서 각 가닥을 주형으로 상보적인 가닥이 합성되고, 복제 후의 DNA에서 한 가닥은 주형 가닥, 나머지 한 가닥은 새로 합성된 가닥을 형성하는 DNA 복제 방식을 말한다.^[1] 이외에도 DNA 복제에 대해 보존적 복제(conservative replication), 분산적 복제(dispersive replication) 가설이 제기되었으나, 1958년 메셀슨(Matthew Meselson)과 스탈(Franklin Stahl)에 의해 DNA의 복제가 반보존적 복제 방식으로 복제된다는 것이 실험적으로 증명되었다^[2][3]. 그들은 무거운 동위원소로 DNA를 표지하고 여러 세대를 거치면서 DNA의 변화를 CsCl 등밀도원심법(CsCl density gradient ultracentifugation)을 이용하여 추적분석하였다. ¹⁵NH₄Cl을 유일한 질소원으로 가지고 있는 배양액에 여러 세대를 거친 대장균의 DNA와 대장균을 ¹⁴NH₄Cl이 과량 첨가된 배지로 옮겨 분열한 대장균의 DNA를 분리한 후 원심분리하여 시험관에서의 DNA 위치를 관찰하는 실험을 하였다. 0세대인 ¹⁵NH₄에서 배양한 대장균 DNA는 1.724g/ml(heavy DNA)의 위치에서 띠를 형성하였으며, 4세대의 대장균 DNA는 1.710g/ml(light DNA)의 위치를 나타내었다. 단 1세대의 대장균 DNA는 1.717g/ml의 단일 위치에서 띠를 형성하였으며, 이는 ¹⁵N과 ¹⁴N을 같은 양으로 포함하고있는 DNA를 의미하는 것이다. 그리고, 2세대를 거친 대장균 DNA는 1.717g/ml과 1.710g/ml의 밀도 위치에서 동일양의 띠를 나타내었다. 이러한 결과는 DNA 복제가 반보존적 복제 방식으로 복제된다는 것을 증명하는 것이다.

실험 과정

메셀슨과 스탈의 실험

자연계에 존재하는 질소는 흔히 ¹⁵N와 ¹⁴N이 약 0.7% 대 99.3%의 비율로 존재하는데 1mol 기준으로 ¹⁵N이 ¹⁴N보다 1g이 더 무겁다. 이 실험에서는 대장균을 ¹⁵N가 들어 있는 배지에서 여러 세대 배양하여 ¹⁵N가 포함된 DNA를 갖는 대장균을 얻는다.(이때 DNA 염기서열에는 ¹⁵N이 포함되어 있다고 본다. 100% ¹⁵N이 아니더라도 무게의 차이만 확인하면 되므로 상관없다.) 이후에 ¹⁵N에서 들어 있는 배지에서 배양한 대장균을 ¹⁴N이 들어 있는 배지로 옮겨기르는 과정을 통해 DNA가 어떤 복제방식으로 복제되는지를 검증하는 실험이다.

1. 대장균을 ¹⁵N가 들어 있는 배지에서 여러 세대 배양하여 ¹⁵N가 포함된 DNA를 갖는 대장균 G₀(G: Generation의 약자)를 얻는다.
2. G₀의 대장균들을 ¹⁴N가 들어 있는 배지로 옮겨서 배양한다. G₀가 분열하여 G₁을 만드는데 G₁에서 새로 합성된 DNA 가닥은 ¹⁴N를 포함하고 있을 것이다.(세포 내에도 아미노산이 남아있고 일부 DNA나 RNA를 분해해서 새 DNA를 만드는데 이용할지도 모르지만 앞서 말했듯 질량의 차이만 주면되고, 위의 반응이 일어난다고 할지라도 ¹⁴N을 포함한 아미노산을 보다 많이 쓸 것이다.) 이때 대장균이 1회 분열하는 시간을 기준으로 하여 평균적으로 1회 분열하는데 걸리는 시간동안 배양한 후에 G₁의 대장균에서 DNA를 추출하여 CaCl이 녹아있는 수용액에서 원심분리한다. 이때 CaCl은 원심분리되는 속도를 조절하고(회전속도는 40,000 Rpm) 자외선을 이용하여 DNA 층을 확인한다.
3. 원심분리한 튜브를 G₁으로부터 취한 DNA의 원래가닥은 ¹⁵N을 포함하고 새롭게 합성된 가닥은 ¹⁴N을 포함할 것이다. 이때 보존적 복제모델에 의하면 원래 존재했던 DNA가닥과 나중에 합성된 DNA가닥의 질량이 서로 다르기 때문에 두 개의 층이 생겨야 한다. 하지만 실제 실험에서는 1개의 층이 생겼으므로 보존적 복제 가설은 기각됨을 알 수 있다.
4. G₁을 계속 배양하여 두 번째 분열 후에 대장균(G₂)에서 DNA를 추출하여 위의 실험 과정 2를 다시 수행한다. 이때 반보존적 복제 가설에 따르면 G₀의 DNA 가닥을 포함한 DNA와 그렇지 않은 DNA로 나누어지고, 분산적 복제 가설이 맞다면 G₀의 DNA 가닥은 골고루 혼합되어서 질량의 차이가 존재하지 않아 띠는 하나로 보여야 한다. 실험 결과에서 두 개의 띠가 관찰되었으므로 DNA의 복제는 반보존적으로 복제됨을 알 수 있다. 여기서 띠가 약간 연속적(그림처럼 선으로 보이지 않고 흐리게 보임)으로 보이는 것은 모든 대장균이 동시에 분열하지 않으며, 실험 과정 1에서 언급한 DNA나 RNA를 분해한 후 재조립하는 세포 내 과정이 존재하기 때문에 불연속적으로 보이지 않는 것이다.

같이 보기

• DNA 복제

참고 문헌

1. Watson, J. D., and Crick, F. H. C., 1953. Nature 171:737-738
2. Meselson, M., and Stahl, F. W., 1958. Proceedings of the National Academy of Sciences 44:671-682
3. Freifelder, D,1987. Molecular Biology, 2nd edition, p.224-228

외부 링크

• 반보존적복제 - 엔싸이버백과사전^{[깨진 링크(과거 내용 찾기)]}