2011/04/20 19:13

방사선 피폭 손상의 근원; DNA 손상과 그 수리 Views by Engineer

  방사선 피폭 손상의 근원 ; DNA 손상에서 방사선이 에너지량에 비해 왜 그렇게 위험한가에 대한 얘기를 했다.  그 답은 '방사선은 다른 에너지 형태에 비해 세포 DNA에 에너지를 매우 효과적으로 전달하여 손상을 입히기 때문에 위험하다'였다.
  이번 포스팅에서는 방사선에 의해 DNA가 손상을 입는 pattern 및 생물이 그 손상을 어떻게 수리하는지에 대해 적는다.

  1. DNA의 방사선 손상 pattern

  앞 포스팅에서 무엇이 DNA에 손상을 입히는지에 대해서는 얘기했다.  초보 분들을 위해 DNA 구조를 첨부한다.  특별한 표기가 없으면 그림 출처는 이 source로 앞 포스팅 그림들과 같다.

    
  ▲ 그림 1. DNA의 구조

  위에서 보듯이 DNA의 구조는 당(sugar)과 인산(phosphate)의 실(strand) 두 가닥이 꼬여 있고 이것을 염기쌍들이 이어 주고 있다.  항상 A(adenine)에는 T(thymine), C(cytosine)에는 G(guanine)이 대응하며 그 역도 성립한다.  이 규칙을 엄격하게 지키기 때문에 자손으로 항상 동일한 유전 정보를 전할 수 있다.  어떻게 DNA의 정보를 해석하여 단백질을 만드는가는 triplet codon 어쩌구 배우셨을 텐데 길기도 하려니와 여기서는 관계 없는 얘기니 생략하기로 한다.  고등학교 때 다 배우셨겠지요

  방사선은 이온화/래디칼 생성 과정을 통해 DNA의 구조를 바꿔 놓을 수 있는데, 간단하게 보아 아래 그림처럼 세 가지 가능성이 있다; 단일 염기 손상, 한 편 나선 절단, 2개 나선 절단이다.

 
  ▲ 그림 2. DNA의 구조 손상 가능성

  단일 염기 손상은, DNA를 공격하는 물질이 - 물론 방사선에 의한 직접 손상 외에도 앞 포스팅에서 말한 HO· 래디칼 등 2차 생성물질 및 (방사선과 직접 관계 없이 몸에 들어온) 외부의 발암물질 등도 포함 - 위 '사다리' 중 한 개의 염기를 망가뜨린 경우다.  아래는 thymine이 HO· 래디칼의 공격으로 변화한 모습 중 하나다. (thymine 구조; Wikipedia)

 
   ▲ 그림 3-1. thymine이 HO· 래디칼에 손상을 입는 모습.  먼저 HO· 래디칼이 공격하고,
        다음에 OH-가 붙은 본체가 주변의 다른 분자에서 수소를 뺏아온다.

  위 그림은 '화학적 공격'이지만, 자외선이나 X선 등 광자(photon)에서 에너지를 받는 경우는 염기들 사이에 아래와 같은 광화학반응(photoreaction)이 일어난다.  이 때는 인접한 염기들이 서로 결합하여 아래 그림처럼 소위 '2량체(dimer)'를 만든다.  이 반응은 열(heat)만으로는 잘 일어나지 않으며 광화학 반응이 훨씬 더 가능성이 높다. (source ; here)
 
 
   ▲ 그림 3-2. thymine이 광화학 반응으로 바로 옆의 다른 thymine 염기와 결합하는 모습.  붉게 표시한
          부분이 옆 염기와 붙어 손상을 일으킨 지점이다.

  이런 종류의 손상은 나중 포스팅에서 색소성건피증(xeroderma pigmentosum)과 함께 더 얘기하겠다.

  하나 또는 2개의 나선이 절단되는 것도 더 세부로 가면 여러 가지 가능성이 있다.  '2개 나선 절단'에도 아래처럼 손상 정도가 다른 적어도 세 가지 경우를 생각할 수 있다.

 
   ▲ 그림 4-1. DNA의 구조 손상 가능성; 2개 나선 절단의 경우

 
  ▲ 그림 4-2. DNA의 구조 손상 가능성; 2개 나선 절단에서 '자리가 비스듬하게 엇갈린' 경우

  누구라도 상상 가능하겠지만, 그림 4-1에서 왼편의 폭넓은 손상은 잘 치유되지 않는다.  반면 4-2의 손상은 좀 덜하다고 할 수 있다.  상처가 4-2처럼 드문드문 나거나 3-1/2처럼 점으로 손상을 입은 경우는 그래도 낫지만 - 앞 포스팅에서도 말했듯이 이런 '드문드문'은 低 LET 방사선(beta, gamma, x선)의 손상 pattern이다 - 4-1처럼 어느 부분이 크게 날아가 버린 것은 복구가 당연히 어렵다(高 LET 방사선의 손상에 많다). 

   2. DNA 손상의 수리 방법

  위에서 다양한 DNA 손상 pattern을 보았다.  그러면 생물은 이런 DNA 손상들을 어떤 식으로 복구하는가?

  우선 생물들이 이런 DNA 손상을 왜 수리하나부터 보자.  기본적으로 대부분의 돌연변이는 생명체에 해롭다는 점을 알아야 한다.  돌연변이는 이미 잘 조정된 (복잡한) 생명체에 무작위로 '설계도'를 약간 변경하는 것과 마찬가지다.  이러니 '잘 될' 가능성보다 '잘 안 될' 가능성이 훨씬 많다.  물론 돌연변이가 꾸준히 생기지 않았다면 우리는 모두 단세포 생물로 머무르고 있겠지만, 특정 생명체의 관점에서 볼 때 돌연변이의 결과는 예측할 수가 없으며 따라서 돌연변이를 효과적으로 억제한 개체들이 퍼져나갔을 것이 분명하다.  故 조지 윌리엄즈(George Williams)의 말처럼 "돌연변이를 막으려고 무슨 짓이건 하지 않는 생물은 알려진 바 없다".

  그림 3-1처럼 한 개의 염기가 망가진 경우는 아래 왼쪽 그림처럼 수복 절차를 밟는다.  그림 4-2처럼 '비스듬하게' 잘린 경우도 비슷하게 된다.  여기서 한 쪽 사슬이 멀쩡하기 때문에, 손상된 쪽에 어떤 염기가 와야 하는지를 알 수 있으므로 원래 상태대로 만들 수 있다.  이것을 '손상 입지 않은 사슬이 주형(template) 역할을 한다'고 말한다.  반면 그림 3-2처럼 '2량체'가 생긴 경우, 아래 오른편 그림처럼 좀 크게 잘라낸다.  그 다음에는 멀쩡한 사슬을 기준으로 똑같이 복구해 낸다.

      
 ▲ 그림 5. DNA의 구조 손상 후 복구하는 두 가지 방법

  위에서 리가아제(ligase), 중합 효소(polymerase), 뉴클레아제(nuclease), 헬리카제(helicase) 등 수많은 효소들이 등장한다.  이처럼 생물들은 - 이런 효소들은 대장균에도 있다 - 수많은 효소들을 동원하여 돌연변이의 원인이 되는 DNA의 상처를 고치고 있으며, 그런 효소들을 만드는 방법은 물론 자신의 DNA에 암호화되어 들어 있다.

   위에서는 한 쪽 나선 사슬만 짤린 경우에 준해 고치는 방법을 보았는데, 그러면 양쪽 나선이 같은 위치에서 잘린 그림 4-1 같은 경우는 어떻게 복구하겠는가?  물론 위에서 말했듯이 어렵기 때문에 대장균에서는 상당히 높은 빈도로 균이 죽는 원인이 된다.  하지만 사람처럼 2중으로 유전 정보를 갖고 있는 생물은, 한 쪽의 DNA가 단독 자체 복구가 어려울 정도로 망가졌을 경우 여분의 DNA에서 같은 자리의 염기 배열 정보를 참고하여 망가진 쪽을 복구할 수 있다.

  다음 포스팅에서는 여기서 언급한 DNA의 수선 방법 외에, 생명체가 돌연변이를 막는 다른 방법들도 언급하겠다.  

ODE TO tbC~~~

  漁夫

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덧글

  • 만슈타인 2011/04/20 19:27 # 답글

    저걸 알아서 복구한다니 생명이란 대단한 거네요.
  • 데지코 2011/04/20 19:38 #

    복구 못하면 자살 코드가 발동합니다
  • ChristopherK 2011/04/20 20:57 #

    면역, 복구.. 모두다 대단한 것들이죠.
  • 漁夫 2011/04/21 13:00 #

    만슈타인 님 / 대단하죠. 저게 다 trial and error로 생겼다니..

    데지코 님 / 그건 다음편에..... (기밀누설은 사절합니다 :-)
  • 漁夫 2011/04/21 13:01 #

    ChristopherK 님 / 네 다 대단하지요 정말.....
  • ArchDuke 2011/04/20 19:40 # 답글

    한 1년전에 배운 기억이...
  • 漁夫 2011/04/21 13:01 #

    학생 때가 좋은 겁니다
  • Charlie 2011/04/20 19:50 # 답글

    3차원 데이터 코딩방식 만세!
    ...
    그나저나 방사능 종말론은 또 언제 그랬냐는듯이 사라지고 있네요..
  • 漁夫 2011/04/21 13:02 #

    에이 1차원이죠 ^^;; 'line'이니까... ㅎㅎㅎ

    대단한 거 아니었다 싶으니까 알아서 수그러지는 거지요. 천안함은 연평도 포격 사건이 한몫 하긴 했습니다만 역시 그것도...
  • 단순한생각 2011/04/20 20:35 # 삭제 답글

    최근에 연구소에서 하는 연구가 저거랑 관련이 있죠. (사실은 방사능 수복이 아니라 방사능 돌연변이...)
  • 漁夫 2011/04/21 13:02 #

    오 뭔지 궁금합니다.... @.@
  • L.s 2011/04/20 22:03 # 삭제 답글

    우리에겐 photolyase가 없엉 그래서 우린 안될꺼얌 뿌우ㅋㅋ(이거 없어도 수선은 합니다. 있는 종에 비해서 수선이 븅신같이 되서 그렇지.)
  • 漁夫 2011/04/21 13:03 #

    감사합니다. 진짜 photolyase가 한 몫 한다는 것을 모르고 있었거든요.

    ... 근데 저기 수선 mechanism 나온 것 중 하나가 바로 그 븅신같은 수선법........ ㅎㅎㅎ
  • Niveus 2011/04/20 23:09 # 답글

    인간이 탄생할때까지 조상의 조상까지 합치면 30억년넘게 지구상에서 생존했는데 그렇게 허술할리가 없죠;;;
    허술했음 애저녁에 멸종했지;;;
  • 漁夫 2011/04/21 13:03 #

    허술한 넘은 애당초 모두 지구상에서 바이바이.......
  • KittyHawk 2011/04/21 00:31 # 답글

    저런 부분과 관계된 것들의 비밀을 풀어내고 실제로 이용하기 위한 연구가 어떤 성과를 내느냐에 따라 인류의 생존 여부가 결정될 수도 있다는 시각이 결코 공상은 아닐 수도 있겟군요...
  • 漁夫 2011/04/21 13:04 #

    음... 그럴지는 잘 모르겠습니다. 전 인류의 장래에 대해 비교적 낙관적이거든요.

    지름 10km짜리 소행성이라도 와서 갖다박는다면 모를까....
  • kuks 2011/04/21 02:52 # 삭제 답글

    이야... 저렇게 진화시킨 생명체나 알아낸 과학자나 대단하달 수 밖에...
  • 漁夫 2011/04/21 13:04 #

    네 세부 기전까지 가면 정말 경이적이긴 합니다. 과학자들의 노력도 대단하지요.
  • 獨步 2011/04/21 10:59 # 삭제 답글

    방사능공포에 대해서는 좀 사그라들고 있는데 이번에는 이글루스 한정이지만 백신이 또(...).

    그래서 철지난(?) 이야기이긴 합니다만 방사능제로를 주장하시는 분들께는 이런 말씀을 드리고 싶더군요.

    생후 반 년 정도 된 아가는 열심히 손짓 발짓 합니다. 그게 때로는 귀엽다고 안아주려는 어른들에게 주먹질 발길질(...)이 될 수도 있지요. 그것은 엄마아빠 포함하여 어른들에게도 일정 부분은 분명히 타격이 될 것입니다.

    그렇다면 그런 타격도 쌓이고 쌓이면 건강에 해롭겠네요?

    와, 앞으로 엄마아빠(특히 엄마필수)들은 아가 한 번 안아주려면 방호복 필수이겠습니다.
  • 漁夫 2011/04/21 13:05 #

    하하하 저도 사실 그거에 빗대서 얘기할 생각을 하고 있었습니다. 이번 시리즈의 한 4편 정도에서 그런 말이 나올 것입니다.
  • 死海文書 2011/04/21 14:50 # 답글

    저게 30억년에 걸쳐 발전한 분자레벨에서의 수리방법이군요. 대단합니다. 사람은 언제 뻑난 반도체 수리하려나.

    집에서 램 날려먹었단 소리 들으니 망연하네요.
  • 漁夫 2011/04/21 20:48 #

    대단하지요.

    반도체들을 자체 증식시키면 빠르건 늦건 자체 수리를 할 겁니다..... (응)
  • 안용ㅡ 2011/04/21 23:04 #

    자체 증식을 하고나면 반도체들도 스카이넷을 만들고 싶어할지도;;;
  • n1203 2011/04/29 10:13 # 삭제 답글

    저거 말고도 긴급 복구가 필요한 상황에선 오류를 감수하고 때려박기도 시전합니다. 지연되면 안되는 Phase에 있는 경우 그냥 막 때려박는 루트도 있는데 문제는 이러면 이것도 돌연변이(...)
  • 漁夫 2011/04/29 19:21 #

    이거 다음 글에 명확히 적어놓지 않았군요. 마지막 그림을 잘 보면 사실 돌연변이가 암화로 진행되는 과정에서는 망가진 채로 분열하지 않으면 안되는 얘긴데.. 지적 감사합니다. (_ _)
  • n1203 2011/04/29 10:26 # 삭제 답글

    마치뭐랄까, 납품기일에 쫓기는 하도급업자들의 심정이랄까, 아니면 과제 제출기간에 쫓기는데 하드가 박살난 학생의 심정이랄까 같은거겠지요.
  • 2013/04/17 02:48 # 답글 비공개

    비공개 덧글입니다.
  • 漁夫 2013/04/17 08:49 #

    네 출처만 정확히 밝히신다면 문제 없습니다.
  • 2013/04/25 16:14 # 비공개

    비공개 답글입니다.
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