13장. DNA의 구조와 역할(1)

이번 장에서는 염색체 내에 존재하는 유전물질 DNA를 다룰 것이다. 지금까지 우리는 DNA가 어떤 역할을 하고, 다음 기존 세대에서 다음 세대로 전승될 때 어떻게 유전이 되는지를 공부했다. 그럼 이 DNA는 어떤 형태와 형질을 지녔기에 이와 같은 행동을 취하는지를 알아보려 한다.

먼저 DNA(디옥시리보핵산) 역할이 무엇인지 다시 한번 짚고 넘어가 보도록 하자. DNA는 유전정보를 가진 물질로 개체의 형질 발현을 유도하고, 자신의 정보를 복제함으로써 자손 세대에게 형질을 전달해주는 역할을 한다. 앞서 설명했다시피, 수 세기에 걸쳐 많은 학자들은 유전자는 무엇이며 이는 어디에 존재하는 지를 입증하기 위해 논쟁해왔다. 이 논쟁의 중심에는 오스트리아의 수도승이자 유전학자인 그레고어 요한 멘델(Gregor Johann Mendel. 1822)과 미국의 생물학자 서턴(Sutton. 1877)이 있었는데, 멘델은 우리 몸속 어딘가에 유전 물질이 존재한다고 주장하였고, 서턴은 염색체 위에 유전자가 존재한다고 주장하였다. 이러한 주장은 많은 학자들의 연구와 현대 기술의 발달을 통해 DNA는 유전 물질이며, 서턴의 학설처럼 유전자(DNA)는 염색체 위에 존재하는 게 맞다고 입증되었다. 다음의 두 예시로 DNA가 유전물질임을 어떻게 밝혀냈는지 확인해보자.

그리피스의 실험 - 군의관이었던 그리피스는 폐렴을 일으키는 세균 즉 폐렴쌍구균에 대한 백신 개발을 시도하였지만, 예상치 못하게 이 과정에서 유전의 메커니즘을 밝혀냈다. 실험은 다음과 같다. 외관이 다른 두 종류의 균주(R:표면 거침, S: 표면 매끈)를 쥐에게 주사하였을 경우 어떤 상태의 어떤 균주가 독성 작용을 일으키는지였다. 실험은 총 네 단계에 걸쳐 진행이 되었고 다음과 같은 결과가 나왔다. 1. 살아 있는 R 균주를 실험용 생쥐에게 주사하였더니, 쥐는 폐렴에 걸리지 않았다. 즉, R 균주는 무해하다. 2. 살아 있는 S 균주를 실험용 생쥐에게 주사하였더니, 쥐는 폐렴에 걸렸다. 즉, S균주는 유해하다. 3. 높은 온도에서 S 균주를 죽인 후 실험용 생쥐에게 주사하였더니 쥐는 죽지 않았다. 4. 살아있는 R 균주와 열로 죽인 S 균주를 섞어 생쥐에게 주사한 결과, 쥐는 죽었고 쥐는 폐렴에 걸렸으며 쥐의 혈액 속에는 S 균주가 가득했다. 이에 대한 결론으로 열로 인해 S 균주는 죽었으나 감염을 유발한 물질인 유전 물질은 파괴되지 않았다. 즉, 열처리된 S 균에는 열에 강하고 R 균을 S 균으로 형질 전환시켜주는 물질이 존재한다는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 토대로 미국의 세균학자 에이버리(Avery. 1877)는 한층 더 정밀한 실험을 하였고, 세균 내의 DNA가 유전적인 특성을 나타내는 유전물질임을 밝혀냈다.

박테리오 파지의 증식 실험 - 1950년대부터 학자들은 분자를 탐지하는 실험 재료로 바이러스를 사용하였고, 이를 감염시키는 박테리오파지(T2 파지)라 불리는 바이러스를 이용하여 DNA의 유전적 성질을 실험하였다. 실험은 다음과 같다. DNA와 단백질 껍질로만 이루어져 있는 박테리오파지를 각자 방사성 동위원소 인(P)과 황(S)이 포함된 배지에서 배양시켜 바이러스 입자에 각각 인(P)과 황(S)을 표지 시켰다. 이 실험의 결과 황(S)으로 표지 된 바이러스는 세균 내부에 형광물질만 주입하고 황(S) 물질의 성분은 세균의 외부에서 발견되었으며, 인(P)으로 표지 된 바이러스는 세균 내부에 인(P) 성분이 포함된 DNA를 주입하였고 세포 내에 남아있었다는 게 밝혀진 것이다. 이로써 바이러스의 유전물질이 DNA라는 결론이 나왔다. 그렇다면, DNA는 어떻게 생겼고 유전은 어떻게 진행되는 것일까?

큰 틀에서 DNA는 핵산의 일부로써 핵산은 DNA, RNA 두 가지로 구분이 되는데, 이중 DNA는 핵에 존재하는 유전물질로 기본 단위체인 뉴클레오티드로 구성되어있다. 뉴클레오티드는 5개의 탄소로 이루어진 당과 1번 탄소에 접합된 염기, 5번 탄소에 접합된 인산기로 구성이 되어있다. 뉴클레오티드 = 당 + 염기 + 인산기 여기에서 당은 중심에서 골격을 유지하는 역할, 염기는 질소 성분을 함유하는 물질로 배열에 변화를 주어 유전정보를 결정하는 역할, 인산은 에너지 물질로 각 뉴클레오티드 간의 결합 시 에너지를 제공해주는 역할을 담당한다. 뉴클레오티드는 총 네 종류로 단일 고리로 연결되어 있고 비교적 크기가 작은 피리미딘 계열의 티민(T), 시토신(C) [RNA에서는 우라실(U)] , 이중 고리로 연결되어 있고 비교적 크기가 큰 퓨린계열의 아데닌(A), 구아닌(G) 이렇게 총 네 종류의 형태를 지니고 있다. 아니 엄밀히 말하자면 핵산의 결합에 참여하는 염기는 아데닌, 구아닌, 티민, 시토신, 우라실 총 다섯 종류이며, DNA를 구성하느냐 RNA를 구성하느냐에 따라 총 8가지 형태의 뉴클레오티드를 나타낸다. 이 이유는 각 염기는 같더라도 골격을 유지하는 당의 차이로 다른 종으로 분류되기 때문이다.