DNA 복제 — 반보존적 복제는 어떻게 증명됐을까

세포 하나가 둘로 나뉘면 두 세포는 똑같은 DNA 를 갖습니다. 그러려면 나뉘기 전에 DNA 가 한 벌 더 만들어져 있어야 하는데, 이것이 DNA 복제입니다. 그런데 복제가 끝난 두 분자 안에 원래 있던 가닥은 어떻게 들어 있을까요. 1953년 왓슨과 크릭이 이중 나선 구조를 밝히면서 복제 방식도 함께 짐작했지만, 그 짐작을 실험으로 증명한 것은 1958년 메셀슨과 스탈이었습니다. 어떻게 증명했는지를 따라가 봅니다.

가설은 셋이었습니다

DNA 는 두 가닥이 꼬인 이중 나선이고, 두 가닥은 염기끼리 짝을 지어 붙어 있습니다. A 는 T 와, G 는 C 와만 짝을 이루므로 한 가닥의 염기 순서를 알면 다른 가닥은 저절로 정해집니다. 왓슨과 크릭은 여기서 복제 방식을 떠올렸습니다. 두 가닥을 풀어 각각을 주형으로 삼고 짝이 되는 염기를 붙여 가면 새 가닥이 만들어지고, 결과는 원래 가닥 하나와 새 가닥 하나가 짝을 이룬 분자 둘입니다. 이것이 반보존적 복제입니다.

그러나 그때는 다른 가능성도 있었습니다. 원래 두 가닥은 그대로 남고 새 두 가닥으로 된 분자가 따로 생긴다는 보존적 복제, 원래 가닥과 새 가닥이 조각조각 섞인다는 분산적 복제입니다. 그림을 보면 세 가설은 1세대에서 갈리고 2세대에서 또 갈립니다. 가려내려면 원래 가닥과 새 가닥을 구별할 표시가 있어야 합니다.

무거운 질소로 가닥에 표시를 했습니다

DNA 의 염기에는 질소가 들어 있습니다. 보통의 질소는 $^{14}\mathrm{N}$ 인데, 중성자가 하나 더 있어 조금 무거운 동위 원소 $^{15}\mathrm{N}$ 이 있습니다. 방사성이 아니라 그저 무거울 뿐입니다. 메셀슨과 스탈은 질소원이 $^{15}\mathrm{N}$ 뿐인 배지에서 대장균을 여러 세대 길러 DNA 의 질소를 모두 $^{15}\mathrm{N}$ 으로 바꿔 놓았습니다. 그런 다음 대장균을 보통의 $^{14}\mathrm{N}$ 배지로 옮겼습니다. 이제부터 새로 만들어지는 가닥은 모두 가벼운 $^{14}\mathrm{N}$ 가닥입니다. 원래 가닥은 무겁고 새 가닥은 가벼우니, DNA 의 밀도가 곧 표시입니다.

세대가 지날 때마다 대장균을 조금씩 꺼내 DNA 를 뽑고, 진한 염화 세슘 용액에 넣어 초원심 분리기로 오래 돌렸습니다. 용액은 아래로 갈수록 진해지는 밀도 층을 이루고, DNA 는 제 밀도와 같은 자리에 멈춰 띠를 만듭니다. 두 가닥 다 무거우면 아래, 다 가벼우면 위, 하나씩이면 그 중간입니다.

결과는 이렇습니다. 옮기기 전 0세대는 무거운 띠 하나입니다. 1세대는 중간 띠 하나였습니다. 보존적 복제라면 원래 분자는 무겁고 새 분자는 가벼워 띠가 둘이어야 하는데, 그렇지 않았으니 보존적 복제는 탈락입니다. 그런데 반보존적이든 분산적이든 1세대의 모든 분자는 원래 가닥과 새 가닥을 반씩 가지므로, 여기까지는 둘을 가를 수 없습니다. 판가름은 2세대에서 났습니다. 중간 띠와 가벼운 띠가 1 : 1 로 나뉘었습니다. 분산적 복제라면 2세대도 모든 분자가 섞여 있어 띠가 하나여야 합니다. 반보존적 복제만 이 결과와 맞습니다. 3세대는 중간 1 : 가벼움 3 으로, 중간 띠가 점점 엷어졌습니다.

왜 그런지는 가닥을 세어 보면 보입니다. 원래의 무거운 가닥은 처음부터 끝까지 둘뿐입니다. 복제는 이 둘을 쪼개지 않고 각각 다른 분자로 보내므로, 중간 밀도의 분자는 세대가 아무리 지나도 늘 둘입니다. 분자의 총수만 세대마다 두 배로 늡니다.

$n = 2$ 면 2 : 2 로 1 : 1, $n = 3$ 이면 2 : 6 으로 1 : 3 입니다. 실험의 띠 비율과 꼭 맞습니다.

복제는 이렇게 진행됩니다

실제 세포 안에서는 효소 여럿이 차례로 일합니다. 먼저 헬리케이스가 복제 원점에서 염기 사이의 수소 결합을 끊어 두 가닥을 풀고, 풀린 자리는 Y 자 모양의 복제 분기점이 되어 양쪽으로 나아갑니다. 풀린 가닥 하나하나가 주형이 되고, DNA 중합 효소가 주형의 염기와 짝이 되는 뉴클레오타이드를 하나씩 붙여 새 가닥을 늘립니다.

DNA 중합 효소에는 두 가지 제약이 있습니다. 새 가닥을 5′ 말단에서 3′ 말단 쪽으로만 늘릴 수 있고, 아무것도 없는 자리에서 시작하지는 못해 먼저 프라이머라는 짧은 RNA 가 붙어 있어야 합니다. 두 가닥이 서로 반대 방향으로 달리므로 한쪽 새 가닥은 분기점이 벌어지는 방향으로 끊김 없이 길게 만들어지는 선도 가닥이 되고, 다른 쪽은 분기점과 반대 방향으로 짧은 토막을 되풀이해 만드는 지연 가닥이 됩니다. 이 토막이 오카자키 절편이고, 프라이머를 DNA 로 바꿔 채운 뒤 DNA 연결 효소가 토막 사이를 이어 한 가닥으로 만듭니다. 어느 쪽이든 결과는 같습니다. 원래 가닥 하나에 새 가닥 하나가 붙은 분자 둘입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 세 가설의 예상 결과 가르기. 보존적은 1세대에 무거움 + 가벼움 두 띠, 반보존적과 분산적은 1세대에 중간 한 띠. 분산적은 2세대도 한 띠(모든 분자가 섞임), 반보존적은 2세대에 중간 : 가벼움 = 1 : 1. 1세대 결과가 보존적을, 2세대 결과가 분산적을 뺍니다.
• $n$ 세대 뒤 비율. 중간 : 가벼움 = 2 : (2ⁿ − 2). 3세대 1 : 3, 4세대 1 : 7. $^{15}\mathrm{N}$ 이 든 분자의 비율은 2/2ⁿ.
• 가닥 단위로 셀 때. $^{15}\mathrm{N}$ 가닥은 언제나 둘이고 전체 가닥은 2ⁿ⁺¹. 1세대에 무거운 가닥 : 가벼운 가닥 = 1 : 1, 2세대에 1 : 3. DNA 를 두 가닥으로 풀어 원심 분리하면 이 비율로 띠가 섭니다.
• 거꾸로 옮긴 실험. $^{14}\mathrm{N}$ 에서 기른 대장균을 $^{15}\mathrm{N}$ 배지로 옮기면 1세대는 중간 한 띠, 2세대는 중간 : 무거움 = 1 : 1.
• 복제 효소의 역할. 헬리케이스는 풀고, 중합 효소는 5′→3′ 방향으로 늘리고, 연결 효소는 잇습니다. 그림에서 주형 가닥의 방향을 보고 선도 가닥과 지연 가닥을 가르는 문제가 자주 나옵니다 — 주형의 3′ 말단 쪽에서 시작해 분기점 쪽으로 연속으로 만들어지는 것이 선도 가닥입니다.

자주 헷갈리는 것

• "반보존적 복제는 DNA 의 절반만 복제한다는 뜻이다" — 두 분자 모두 완전한 이중 나선입니다. "반" 은 각 분자의 두 가닥 가운데 하나가 원래 가닥이라는 뜻입니다.
• "1세대에서 중간 띠가 나왔으니 반보존적 복제가 증명된 것이다" — 분산적 복제도 1세대는 중간 띠 하나입니다. 2세대에서 띠가 둘로 갈려야 반보존적입니다.
• "$^{15}\mathrm{N}$ 은 방사성 동위 원소라서 검출된다" — 안정 동위 원소입니다. 방사선이 아니라 밀도 차이로 가립니다. 그래서 원심 분리가 필요했습니다.
• "새 가닥 둘이 모두 한 번에 길게 만들어진다" — 한쪽은 연속으로, 다른 쪽은 토막으로 만들어진 뒤 이어집니다. 중합 효소가 한 방향으로만 늘리기 때문입니다.

정리합니다. DNA 는 두 가닥을 풀어 각각을 주형으로 새 가닥을 만들므로, 복제된 분자마다 원래 가닥 하나와 새 가닥 하나가 들어 있습니다. 메셀슨과 스탈은 무거운 질소로 원래 가닥에 표시를 하고 세대마다 밀도 띠를 보아, 1세대의 중간 띠로 보존적 복제를, 2세대의 1 : 1 로 분산적 복제를 걸러 냈습니다. 원래 가닥은 끝까지 둘뿐이라 중간 띠의 분자는 늘 둘입니다.

그림 참고: [Wikimedia Commons, Meselson-Stahl experiment diagram](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Meselson-stahl_experiment_diagram_en.svg) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.