변이원성 독성(1)

1.1 DNA 및 염색체의 구조

변이원성 독성을 이해하려면 우선 화학물질과 DNA의 상호작용, 그리고 DNA 및 염색체의 구조를 먼저 정확히 알아야 합니다. DNA는 생물 유전정보를 저장하고 전달하는 기본 단위로, 염기(purine 및 pyrimidine), 당(deoxyribose), 인산으로 구성되어 있습니다.

피리미딘(pyrimidine) 염기로는 cytosine, thymine, uracil이 있으며, 퓨린(purine) 염기로는 guanine과 adenine이 존재합니다. 이 중 cytosine과 thymine은 DNA에서, cytosine과 uracil은 RNA에서 발견됩니다. 각 염기는 환경 조건에 따라 lactim형과 lactam형이라는 서로 다른 형태(상호전환형)로 존재할 수 있습니다.

이러한 염기의 구조적 평면성과 상호전환 특성은 DNA의 이중 나선 구조가 유지될 수 있는 중요한 조건입니다. 염기는 전자 클라우드를 통해 평면성을 가지며, 이는 염기쌍이 DNA의 나선 꼭대기에 적층될 수 있도록 해줍니다.

DNA의 고차원 입체 구조는 뉴클레오사이드(nucleoside) 단위로 설명할 수 있으며, purine 염기는 deoxyribose의 C-1'에, pyrimidine 염기는 ribose의 C-1'에 글리코사이드 결합을 형성합니다. 이 결합은 일반적으로 산에 약한 특성을 가지며, 당의 종류에 따라 리보사이드(RNA) 또는 데옥시리보사이드(DNA)로 구분됩니다.

예시로는 adenosine(A)/deoxyadenosine(dA), guanosine(G)/deoxyguanosine(dG), cytidine(C)/deoxycytidine(dC), thymidine(T) 등이 있습니다. Thymidine은 DNA에서만 존재하기 때문에 ‘d’ 접두사를 생략하며, RNA에서만 발견되는 uridine은 리보사이드 계열입니다.

이 뉴클레오사이드는 syn형과 anti형 두 가지 형태로 존재할 수 있으며, 자연 상태에서는 anti형이 더 안정하게 존재합니다. 이는 자유 회전 가능성과 입체 장애에 따른 것입니다.

이어서, 인산이 당의 3' 또는 5' 위치의 수산기와 에스터 결합하면 **뉴클레오타이드(nucleotide)**가 형성되며, 대표적으로 AMP, dAMP, TMP 등의 명칭으로 구분됩니다. 이 구조는 결국 3'-5' phosphodiester 결합으로 연결되어 고분자 DNA 나선을 구성하게 됩니다.

각 염기는 deoxyribose의 C-1'에서 외부로 돌출되며, DNA 사슬은 한쪽은 5'-OH, 다른 쪽은 3'-OH 극성을 가지게 됩니다.

1.2 DNA 이중 나선 모델과 기능

1940년대 후반, Chargaff는 DNA에서 dA:T, dG:C의 비율이 항상 같다는 사실을 발견하였고, Watson과 Crick은 X선 회절 이미지를 바탕으로 DNA의 이중 나선 구조 모델을 제안했습니다. 이 모델에 따르면 두 DNA 사슬은 서로 반대 극성을 가지며, 염기들은 수소 결합을 통해 안정적으로 연결됩니다.

• dA-T: 2개의 수소 결합
• dG-C: 3개의 수소 결합 → 결합력이 50% 더 강함

이중 나선은 회전당 약 10개의 염기쌍을 가지며, 총 길이는 약 3.4nm입니다. DNA는 온도가 상승하거나 염 농도가 감소할 경우 이중 나선이 풀리며, 흡광도 증가(변성 현상)가 발생합니다.

DNA는 구조상 **긴 홈(major groove)**과 **짧은 홈(minor groove)**을 가지고 있으며, 이곳은 특정 단백질과의 상호작용 부위가 됩니다. 이중 나선 중 유전 정보를 가진 쪽은 감지나선, 반대쪽은 복제에 사용되는 주형나선(템플릿 나선)이라고 합니다.

복제는 항상 5'에서 3' 방향으로 진행되며, mRNA는 감지나선을 기반으로 생성됩니다. mRNA는 **코돈(codon)**이라는 3개의 염기쌍 단위로 번역되며, 이는 단 하나의 아미노산을 지정합니다.

DNA의 4가지 염기 조합으로 가능한 코돈의 수는 64개(4³)이고, 이 중 61개는 실제 아미노산을 지정하며, 나머지 **3개는 종결 코돈(nonsense codon)**입니다. 하나의 아미노산을 여러 코돈이 지정할 수 있는 이 구조적 여유는 **유전정보의 퇴화(degeneracy)**라고 불립니다.

1.3 유전자와 염색체 구성

하나의 유전자는 약 **1000개의 염기쌍(codon 나선)**으로 구성되며, 수많은 유전자가 모여 **염색체(chromosome)**를 형성합니다. 인간 염색체는 약 10⁸ 염기쌍을 포함하고 있으며, DNA 외에도 **히스톤 단백질(histone proteins)**과 산성 단백질, RNA 등을 포함합니다.

**염색질(chromatin)**은 염색체가 세포핵 안에서 응축된 상태를 의미하며, DNA가 nucleosome 단위로 정리되어 있습니다. 이 nucleosome은 H2A, H2B, H3, H4 등의 히스톤 단백질 2개씩이 결합된 중심에 DNA가 감겨 형성되며, H1은 외부에서 입출구를 고정합니다.

전자현미경을 통해 보면, 직경 5~10nm의 얇은 섬유가 직경 25~30nm의 굵은 섬유로 접혀 있는 형태로 나타나며, 세포 분열 중기의 염색체는 X자 모양으로 보입니다. 이때 중앙의 연결 부위를 동원체(centromere), 양쪽 팔을 **자매염색체(sister chromatids)**라고 부르며, 염색체를 특정 염료로 염색했을 때 나오는 **밴드(띠무늬)**는 종마다 고유한 특징을 가집니다.