DNA 복제와 반보존적 복제

세포 분열과 생물의 성장은 정확한 유전 정보의 전달을 필요로 한다. DNA 복제는 염색체에 저장된 유전 정보를 딸세포에게 정확하게 물려주기 위한 핵심 과정이다. 이 과정이 없으면 생물은 번식하거나 성장할 수 없다.

복제의 중요성은 정확성에 있다. DNA 분자는 상보적 염기쌍 규칙에 따라 복제되어, 원본 가닥이 새로운 상보적 가닥의 합성을 위한 주형으로 작용한다. 이 메커니즘은 유전 정보가 고정적으로 보존되는 것이 아니라, 각 세대에 걸쳐 안정적으로 전달될 수 있도록 보장한다. 복제 과정에서 발생하는 오류는 돌연변이의 원인이 되지만, 동시에 진화의 원동력이 되기도 한다.

따라서 DNA 복제는 생명의 연속성을 유지하는 가장 근본적인 분자 수준의 생명 현상 중 하나이다. 이 과정의 오류는 암이나 다양한 유전 질환을 초래할 수 있어, 그 정확한 조절은 생물의 건강과 생존에 결정적이다.

DNA 복제는 세포 주기의 특정 시점에 발생한다. 대부분의 진핵생물에서 DNA 복제는 간기 중 S기에 일어난다. 이 시기에 세포는 분열을 준비하기 위해 유전자 정보를 담고 있는 게놈 전체를 정확하게 복제한다. 원핵생물의 경우, 환경 조건이 양호할 때 상대적으로 빠른 속도로 지속적으로 복제가 이루어질 수 있다.

복제의 위치는 세포 내부의 특정 구조와 연관되어 있다. 원핵생물에서는 세포질 내에서 자유롭게 부유하는 염색체 형태의 DNA가 복제된다. 반면, 진핵생물에서 복제는 세포핵 내부에서 진행된다. 복제 과정은 염색체 상의 특정 지점인 복제 기원에서 시작된다. 원핵생물의 원형 DNA는 일반적으로 단일 복제 기원을 가지지만, 진핵생물의 선형 염색체는 수많은 복제 기원을 가져 동시에 여러 위치에서 복제가 시작된다[3].

복제의 공간적 조직화는 복제 공장이라는 개념으로 설명된다. 이는 복제에 관여하는 다양한 효소와 단백질 복합체가 세포핵 내의 특정 위치에 집중되어 효율적인 복제를 수행한다는 모델이다. 복제가 진행되는 동안 DNA는 복제 분기점에서 Y자 형태의 구조를 형성한다.

1958년 매튜 메셀슨과 프랭클린 스탈은 DNA 복제가 반보존적 복제 모델을 따르는지를 확인하기 위한 결정적인 실험을 수행했다. 이 실험은 대장균을 중질 질소 동위원소 15N이 풍부한 배지에서 여러 세대 배양한 후, 이를 일반적인 14N 배지로 옮겨 추가 세대의 복제를 진행시키는 방식으로 설계되었다. 세포에서 추출한 DNA는 염화세슘 밀도 구배 원심분리법을 이용하여 그 밀도에 따라 분리되었다.

실험 결과는 반보존적 모델을 강력히 지지했다. 15N 배지에서 자란 0세대 DNA는 예상대로 무거운 밴드를 형성했다. 이를 14N 배지에서 한 세대 복제시킨 1세대 DNA는 모든 분자가 중간 밀도의 단일 밴드를 보였는데, 이는 각 DNA 이중나선이 한 가닥은 15N으로, 다른 가닥은 14N으로 구성된 혼성 분자임을 의미했다. 14N 배지에서 두 세대 복제된 2세대 DNA에서는 중간 밀도 밴드와 가벼운 밀도 밴드가 1:1 비율로 나타났다.

이 결과는 복제 과정에서 원본 DNA 이중나선의 두 가닥이 분리되어 각각이 새로운 상보적 가닥 합성의 주형으로 사용된다는 반보존적 메커니즘과 완벽히 일치했다. 이 실험은 당시 제기되었던 보존적 복제나 분산적 복제와 같은 대안 모델들을 명확히 배제했다[5]. 메셀슨-스탈 실험은 분자생물학의 핵심 원리를 실험적으로 증명한 고전적 사례로 평가받는다.

반보존적 복제 모델은 DNA 복제 과정에서 두 개의 새로운 DNA 이중나선이 각각 한 가닥의 모친 가닥과 한 가닥의 새로 합성된 딸 가닥으로 구성된다는 원리를 설명한다. 이 모델에 따르면, 복제가 완료되면 원본 DNA 분자는 보존되지 않고, 대신 원본의 각 가닥이 새로운 상보적 가닥을 만드는 주형으로 작용한다. 결과적으로 생겨나는 두 개의 자손 DNA 분자는 각각 하나의 오래된 가닥과 하나의 새로운 가닥을 포함하게 되어, 유전 정보가 정확하게 전달된다.

이 원리의 핵심은 DNA의 이중나선 구조와 염기쌍의 상보성에 기반을 둔다. 복제가 시작되면, 헬리카제 효소가 DNA의 두 가닥을 풀어 단일가닥 형태로 만든다. 이렇게 분리된 각 가닥은 DNA 중합효소에 의해 주형으로 사용된다. 중합효소는 주형 가닥의 염기 서열에 상보적인 뉴클레오타이드를 하나씩 연결하여 새로운 가닥을 합성한다. 예를 들어, 주형 가닥에 아데닌(A)이 있으면 새 가닥에는 티민(T)이, 구아닌(G)이 있으면 시토신(C)이 결합한다.

반보존적 모델은 복제의 정확성과 효율성을 보장한다. 모친 가닥이 그대로 유지되므로, 원본 염기 서열이 손상될 위험이 줄어든다. 또한, 두 가닥이 동시에 주형으로 작용하여 복제 속도를 높인다. 이 모델은 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA 구조를 제안한 직후인 1953년에 그들에 의해 처음 제기되었으며, 이후 1958년의 메셀슨-스탈 실험을 통해 실험적으로 증명되었다.

메셀슨-스탈 실험이 반보존적 복제를 입증하기 전까지는 DNA 복제 메커니즘에 대한 몇 가지 대안적 모델이 제안되었다. 이 모델들은 주로 새로 합성된 DNA 가닥과 기존 모체 가닥이 어떻게 배치되는지에 대한 가설적 설명을 제공했다.

주요 대안 모델로는 보존적 복제 모델과 분산적 복제 모델이 있었다. 보존적 복제 모델에서는 원래의 모체 이중나선이 완전히 보존된 채로, 완전히 새로운 이중나선이 새로 합성된다고 가정했다. 즉, 복제 후 하나의 DNA 분자는 두 개의 원래 가닥을 모두 포함하고, 다른 하나는 완전히 새로 합성된 두 가닥으로 구성된다. 분산적 복제 모델은 복제 과정에서 모체 가닥과 새 가닥이 여러 부분에 걸쳐 조각나서 뒤섞인 새로운 이중나선을 형성한다고 제안했다. 이 모델에 따르면 각 딸분자는 오래된 부분과 새로운 부분이 혼합된 형태를 띤다.

메셀슨과 스탈의 실험 결과는 이 두 대안 모델을 모두 기각하고 반보존적 모델을 지지했다. 실험에서 관찰된 2세대 DNA의 밀도 분포는 보존적 모델이 예측하는 밀도 구분(한쪽은 무거운, 다른 쪽은 가벼운)과 일치하지 않았다. 또한, 1세대의 중간 밀도 분자들이 2세대에서 다시 중간 밀도와 가벼운 밀도로 나뉘는 패턴은 분산적 모델이 예측하는, 세대가 지날수록 점점 더 가벼워지는 단일 밴드 패턴과도 명확히 구분되었다.

이 비교를 통해 반보존적 메커니즘이 유일하게 실험 데이터를 설명할 수 있는 모델임이 확인되었다. 이 발견은 분자생물학의 중심 원리를 확립하는 데 결정적인 역할을 했다.

DNA 복제의 개시 단계는 복제가 시작되는 지점인 복제 기원을 인식하고, 이중 나선을 풀어 단일 가닥 템플릿을 준비하는 과정이다. 이 과정은 복제 기원 인식 단백질에 의해 엄격하게 조절되며, 원핵생물과 진핵생물에서 그 메커니즘에 차이가 있다.

원핵생물인 대장균의 경우, 복제 기원인 *oriC* 부위에 DnaA 단백질이 결합한다. DnaA 단백질이 다수 결합하면 DNA 나선이 국부적으로 풀리게 되고, 이어서 DnaB(헬리카제)와 DnaC 단백질 복합체가 풀린 부위에 로딩된다. DnaB 헬리카제는 DNA 이중 나선을 풀어나가며 복제 분기점을 형성하고, 단일 가닥 결합 단백질(SSB)이 풀린 단일 가닥을 안정화시켜 염기쌍이 다시 이루어지는 것을 방지한다.

진핵생물의 개시는 더욱 복잡하며, 여러 단계에 걸쳐 이루어진다. 먼저 복제 기원 인식 복합체(ORC)가 복제 기원에 결합한다. 이후 Cdc6과 Cdt1 같은 조절 단백질이 ORC에 결합하고, 미니염색체 유지 단백질(MCM) 복합체(헬리카제 코어)를 DNA에 로딩하여 전복제 복합체를 형성한다. 이 복합체는 S기로의 세포 주기 진행 신호에 활성화되어, 추가적인 효소들이 결합하며 최종적으로 활성화된 헬리카제를 형성한다. 이 과정은 세포 주기 조절과 밀접하게 연결되어 있다.

개시 단계의 완료는 두 개의 복제 분기점이 형성되고, DNA 중합효소가 프라이머에 결합할 수 있는 상태가 되는 것으로 표시된다. 이는 신장 단계로의 원활한 전환을 보장한다.

신장 단계는 DNA 중합효소가 뉴클레오타이드를 첨가하여 새로운 DNA 가닥을 합성하는 핵심 과정이다. 이 과정은 복제 분기점에서 진행되며, 주형 가닥의 염기 서열에 상보적인 새로운 가닥이 5'에서 3' 방향으로만 합성된다는 제한으로 인해 두 가닥의 합성 방식이 다르다.

선도 가닥의 합성은 연속적이다. 복제 분기점이 열리는 방향과 일치하는 선도 가닥은 3'→5' 방향의 주형 가닥을 사용한다. DNA 중합효소는 RNA 프라이머의 3' 말단에서 시작하여 복제 분기점을 향해 끊임없이 뉴클레오타이드를 첨가한다. 반면, 반대 방향의 주형 가닥을 사용하는 지연 가닥의 합성은 불연속적이다. 복제가 진행됨에 따라 노출되는 주형 가닥을 따라 프라이머제가 반복적으로 RNA 프라이머를 합성하면, DNA 중합효소가 각 프라이머에서 복제 분기점 반대 방향으로 짧은 DNA 조각을 합성한다. 이 조각을 오카자키 절편이라고 부른다.

신장 과정에서 합성된 오카자키 절편은 이후 처리된다. 먼저, DNA 중합효소 I이 RNA 프라이머를 제거하고 그 자리를 DNA 뉴클레오타이드로 대체한다. 그 후, 인접한 DNA 절편 사이에 남은 틈은 DNA 리가아제에 의해 인산디에스테르 결합으로 연결되어 하나의 완전한 가닥이 완성된다. 이 모든 과정은 복제 분기점에서 DNA 중합효소 III(원핵생물) 또는 DNA 중합효소 δ와 DNA 중합효소 ε(진핵생물) 같은 효소 복합체에 의해 조율되며, 높은 속도와 정확성을 유지한다.

종결 단계는 DNA 복제의 최종 단계로, 새로 합성된 DNA 가닥들이 완전한 이중나선 구조로 완성되는 과정이다. 이 단계에서는 오카자키 절편의 연결, 프라이머 제거 및 대체, 그리고 최종적으로 두 개의 새로운 DNA 분자가 분리되는 일련의 사건들이 일어난다.

원핵생물의 경우, 복제 분기점이 만나는 지점에서 복제가 종결된다. 원형 염색체를 가진 대부분의 세균에서는 두 개의 복제 분기점이 복제 종료 지점에서 만나며, 이때 남은 단일 가닥 부분은 DNA 중합효소가 채우고 DNA 리가아제가 최종적인 인산디에스테르 결합을 형성하여 연결한다. 일부 세균에서는 Tus 단백질과 같은 종결 단백질이 복제 종료 지점에 결합하여 헬리카제의 진행을 막음으로써 복제를 종결시킨다[6].

진핵생물에서의 종결은 더욱 복잡하다. 선형 염색체의 끝부분인 텔로미어 영역에서 복제가 완료되면, 지연 가닥의 3' 말단에 생기는 문제, 즉 '말단 복제 문제'가 발생한다. 이 문제는 텔로미어의 반복 서열과 텔로머라아제 효소에 의해 해결된다. 또한, 여러 개의 복제 분기점에서 시작된 복제 거품들이 서로 만나면, 인접한 오카자키 절편들이 연결되어 하나의 연속된 가닥을 형성한다. 모든 절편이 연결되고 프라이머가 제거된 후, 최종적으로 두 개의 딸분자 DNA가 분리되어 각각의 핵소체 구조로 포장된다.

DNA 중합효소는 뉴클레오타이드를 중합하여 새로운 DNA 가닥을 합성하는 핵심 효소이다. 이 효소는 DNA 복제 과정에서 템플릿 가닥의 염기 서열에 상보적인 새로운 디옥시리보뉴클레오타이드 삼인산(dNTP)을 첨가하는 역할을 수행한다. DNA 중합효소는 반드시 이미 존재하는 프라이머의 3'-OH 말단에만 뉴클레오타이드를 첨가할 수 있으며, 따라서 DNA 합성은 항상 5'→3' 방향으로 진행된다.

원핵생물인 대장균에서 가장 잘 연구된 DNA 중합효소는 DNA 중합효소 III이다. 이는 복제 중 새로운 DNA 가닥의 신장을 주로 담당하는 효소이다. 반면, DNA 중합효소 I은 복제 과정에서 생성된 RNA 프라이머를 제거하고 그 자리를 DNA로 대체하는 역할을 한다. 진핵생물에는 여러 종류의 DNA 중합효소(α, δ, ε 등)가 있으며, 각각 특화된 기능을 가진다. 예를 들어, DNA 중합효소 α/프라이머제 복합체는 프라이머 합성을 시작하고, DNA 중합효소 δ와 ε은 주로 지연 가닥과 선도 가닥의 신장을 담당한다[7].

DNA 중합효소의 중요한 특징은 대부분이 '교정 읽기' 기능을 갖추고 있다는 점이다. 이는 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성으로, 잘못 삽입된 뉴클레오타이드를 즉시 제거하고 정확한 염기쌍을 형성할 수 있도록 한다. 이 기작은 복제의 높은 정확성을 보장하는 데 결정적이다. 주요 DNA 중합효소들의 기능을 비교하면 다음과 같다.

따라서 DNA 중합효소는 단순한 중합 작용을 넘어 복제의 정확성 유지와 프라이머 처리 등 복잡한 복제 과정의 여러 측면에 관여하는 필수 단백질이다.

헬리카제는 DNA 이중나선의 두 가닥 사이의 수소 결합을 끊어 나선을 풀어주는 효소이다. 이 과정에는 ATP가소모되며, 복제 분기점에서 복제 포크가 진행되는 방향으로 DNA를 풀어나간다. 헬리카제 없이는 DNA의 템플릿 가닥이 노출되지 않아 DNA 중합효소가 새로운 가닥을 합성할 수 없다. 대부분의 생물에서 헬리카제는 복제 포크에서 단일가닥 DNA 결합 단백질(SSB)과 협력하여 풀린 가닥이 다시 엉기거나 분해되는 것을 방지한다.

토포이소머라제는 DNA의 초나선 구조에 의해 발생하는 꼬임 응력을 풀어주는 효소이다. DNA 이중나선이 풀리면 나선 앞쪽에 과도한 꼬임 응력이 쌓여 복제 포크의 진행을 방해할 수 있다. 토포이소머라제는 DNA의 한 가닥 또는 두 가닥을 일시적으로 절단한 후, DNA를 풀어 응력을 제거하고 절단 부위를 다시 연결한다. 주요한 예로, DNA 가이레이스(대장균의 토포이소머라제 II)는 ATP를 사용하여 DNA 이중나선에 음성 초나선을 도입하여 나선 풀림을 용이하게 한다.

이 두 효소의 역할을 요약하면 다음과 같다.

헬리카제가 나선을 '풀어헤치는' 역할을 한다면, 토포이소머라제는 풀리는 과정에서 생기는 '뒤엉킴'을 해소하는 역할을 한다고 볼 수 있다. 이들의 협력적인 작용 없이는 DNA 복제 포크의 효율적인 진행이 불가능하며, 이 과정에서 발생하는 오류는 게놈 불안정성을 초래할 수 있다.

프라이머제는 DNA 복제 과정에서 RNA 프라이머를 합성하는 특수한 RNA 중합효소이다. DNA 중합효소는 기존의 뉴클레오타이드 사슬 끝에만 새로운 뉴클레오타이드를 추가할 수 있기 때문에, 복제 개시 시점에 짧은 RNA 서열을 먼저 만들어 주는 것이 필요하다. 이 RNA 서열은 약 10개 내외의 뉴클레오타이드로 구성되며, DNA 중합효소가 DNA 합성을 시작할 수 있는 3'-OH 말단을 제공한다. 프라이머제는 복제 기점에서 DNA 주형 가닥에 결합하여 이 프라이머를 합성한다.

DNA 리가아제는 DNA 사슬의 단절을 연결하는 효소이다. 복제 과정에서 특히 지연 가닥의 합성에 중요한 역할을 한다. 지연 가닥은 오카자키 절편이라는 불연속적인 DNA 조각들로 합성되는데, 각 절편의 시작 부분에는 RNA 프라이머가 존재한다. DNA 중합효소가 이 프라이머를 연장하여 오카자키 절편을 완성한 후, RNA 프라이머는 제거되고 그 자리는 DNA로 채워진다. DNA 리가아제는 바로 이 인접한 두 DNA 절편 사이의 인산디에스테르 결합을 촉매하여 하나의 완전한 DNA 가닥으로 연결한다[8].

두 효소의 역할을 정리하면 다음과 같다.

프라이머제가 생성한 RNA 프라이머는 복제가 완료된 후 제거되어야 최종적인 DNA 이중나선이 완성된다. 이 제거 과정은 DNA 중합효소 I(원핵생물의 경우)이나 특정 핵산분해효소(진핵생물의 경우)에 의해 수행되며, 제거 후 생긴 공간은 DNA 중합효소가 DNA로 채우고, 최종적으로 DNA 리가아제가 남은 틈을 매운다. 따라서 프라이머제와 DNA 리가아제는 복제의 시작과 마무리 단계에서 서로 보완적인 기능을 수행하여 정확한 자손 DNA 분자의 형성을 보장한다.

DNA 복제는 두 개의 DNA 이중나선이 각각의 가닥을 주형으로 사용하여 새로운 상보적 가닥을 합성하는 과정이다. 이 과정에서 두 주형 가닥의 복제 방식은 서로 다르며, 이에 따라 합성되는 새로운 가닥을 각각 선도 가닥과 지연 가닥으로 구분한다. 이러한 차이는 DNA 중합효소가 DNA를 합성할 수 있는 방향이 5'에서 3'으로 한정되어 있기 때문에 발생한다.

선도 가닥은 복제 분기점에서 복제 방향과 같은 방향, 즉 3' → 5' 방향으로 배열된 주형 가닥을 사용하여 합성된다. 따라서 새로운 가닥은 복제 방향과 일치하는 5' → 3' 방향으로 연속적으로 합성될 수 있다. 이 가닥의 합성은 복제가 시작되면 중단 없이 진행된다. 반면, 지연 가닥은 반대 방향(5' → 3')으로 배열된 주형 가닥을 사용한다. DNA 중합효소는 5' → 3' 방향으로만 합성할 수 있으므로, 이 주형 가닥에 대한 새로운 가닥의 합성은 전체 복제 방향과 반대 방향으로 불연속적으로 이루어져야 한다.

이 불연속적 합성의 결과로 생성되는 짧은 DNA 조각을 오카자키 절편이라고 한다. 지연 가닥의 합성은 다음과 같은 단계로 이루어진다.

1. 복제 분기점이 진행됨에 따라 지연 가닥의 주형에 새로운 RNA 프라이머가 주기적으로 결합한다.

2. DNA 중합효소가 프라이머의 3' 말단부터 시작하여 복제 분기점에서 멀어지는 방향으로 짧은 오카자키 절편을 합성한다.

3. 다음 오카자키 절편의 합성이 시작되기 전에, 앞서 합성된 절편의 RNA 프라이머는 제거되고, 절편 사이의 틈은 DNA 리가아제에 의해 연결된다.

결과적으로, 하나의 복제 분기점에서는 선도 가닥의 연속적 합성과 지연 가닥의 불연속적 합성이 동시에 진행된다. 이 두 과정은 조화를 이루며, 최종적으로는 완전한 두 개의 새로운 DNA 이중나선을 만들어낸다.

오카자키 절편은 DNA 복제 과정에서 지연 가닥에 불연속적으로 합성되는 짧은 DNA 조각이다. 이 현상은 복제가 양방향으로 진행되며, DNA 중합효소가 5'에서 3' 방향으로만 뉴클레오타이드를 추가할 수 있기 때문에 발생한다.

복제 분기점인 리플리케이션 포크에서, 선도 가닥은 연속적으로 합성되지만, 반대 방향을 향하는 지연 가닥은 복제 방향과 반대 방향으로 불연속적으로 합성되어야 한다. 이때 DNA 프라이머제가 주형 가닥에 RNA 프라이머를 합성하면, DNA 중합효소 III (원핵생물의 경우)가 그 프라이머를 시작점으로 삼아 약 1,000-2,000개의 뉴클레오타이드(원핵생물) 또는 100-200개의 뉴클레오타이드(진핵생물) 길이의 DNA 조각을 합성한다. 이 각각의 짧은 조각이 오카자키 절편이다.

합성이 완료된 후, 다음 단계가 진행된다.

1. DNA 중합효소 I (원핵생물) 또는 DNA 중합효소 δ (진핵생물)이 RNA 프라이머를 제거하고 그 자리를 DNA 뉴클레오타이드로 채운다.

2. DNA 리가아제가 인접한 오카자키 절편들을 연결하여 하나의 연속된 DNA 가닥을 완성한다.

이 과정은 복제 분기점이 진행됨에 따라 반복되어, 지연 가닥 전체가 많은 오카자키 절편들로 구성되었다가 최종적으로 하나의 긴 가닥으로 연결된다. 오카자키 절편의 발견은 1960년대 후반 일본의 과학자 오카자키 레이지(岡崎 令治)와 그의 동료들에 의해 이루어졌다[9].

복제 분기점은 DNA 복제가 진행되는 활성 부위로, DNA 이중나선이 풀리고 새로운 가닥이 합성되는 지점을 가리킨다. 이 구조는 복제가 양방향으로 진행되는 경우 각 복제 기원에서 두 개의 복제 분기점이 형성되며, 이들이 서로 반대 방향으로 이동한다[10]. 복제 분기점의 형태는 Y자 모양을 띠기 때문에 흔히 '복제 Y'라고 불린다.

복제 분기점에는 여러 효소와 단백질 복합체가 협력하여 작용한다. 헬리카제는 DNA 나선을 풀고, 단일가닥 결합 단백질(SSB)이 풀린 단일가닥 DNA를 안정화하여 염기쌍이 다시 형성되는 것을 방지한다. DNA 중합효소는 풀린 주형 가닥을 따라 새로운 상보적 가닥을 합성한다. 이 과정에서 DNA 이중나선이 풀리면 앞선 부분에 과도한 회전 스트레스가 발생하는데, 토포이소머라제(DNA 자이레이스)가 이 스트레스를 풀어주어 복제 분기점의 원활한 이동을 돕는다.

복제 분기점의 구조는 복제 효율과 정확성에 직접적인 영향을 미친다. 복제 분기점에서의 효소 활동은 매우 조화롭게 조절되며, 이는 복제체라고 불리는 거대한 단백질 기계에 의해 이루어진다. 복제체는 복제 분기점에 위치하여 모든 효소 활동을 조정하고, 복제 속도와 진도성을 유지한다.

DNA 중합효소는 뉴클레오타이드를 연결하는 중합 활성 외에도 3'→5' 방향의 엑소뉴클레아제 활성을 갖는 교정 읽기 기능을 지닌다. 이 기능은 새로 합성된 DNA 가닥의 3' 말단에 잘못 삽입된 뉴클레오타이드를 제거하는 역할을 한다. 복제 과정에서 염기 간 잘못된 짝짓기가 발생하면, 중합효소의 활성 부위 구조가 변화하여 중합 반응이 일시적으로 정지된다. 이후 중합효소가 후퇴하면서 오류가 발생한 뉴클레오타이드를 가수분해하여 제거한 후, 정상적인 뉴클레오타이드를 다시 삽입하여 합성을 재개한다.

교정 읽기 기능의 효율은 매우 높아, 복제 오류율을 약 100만 배에서 1억 배까지 감소시킨다[12]. 이 기작은 DNA 복제의 충실도를 극적으로 향상시키는 핵심 요소이다. 대부분의 DNA 중합효소는 이 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성을 보유하며, 특히 원핵생물의 DNA 중합효소 I과 III, 진핵생물의 DNA 중합효소 δ와 ε에서 중요한 역할을 한다.

교정 읽기 기능이 결여된 돌연변이 중합효소를 사용하는 경우, 복제 오류율이 현저히 증가하며 이는 돌연변이 빈도 상승과 직접적으로 연결된다. 따라서 이 기능은 유전 정보의 세대 간 정확한 전달과 생물체의 유전적 안정성을 유지하는 데 필수적이다. 교정 읽기 후에도 남은 오류는 DNA 수복 기작 중 하나인 불일치 수복 시스템에 의해 추가적으로 정정된다.

DNA 복제 과정에서 발생하는 오류나 외부 요인에 의해 손상된 DNA는 다양한 DNA 수복 기작을 통해 정상 상태로 회복됩니다. 이 기작들은 유전 정보의 안정성을 유지하고 돌연변이 축적을 방지하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

주요 수복 경로로는 염기 절제 수복, 뉴클레오타이드 절제 수복, 불일치 수복 등이 있습니다. 염기 절제 수복은 손상된 단일 염기를 제거하고 보완 가닥을 템플릿으로 하여 정상 염기를 삽입합니다. 뉴클레오타이드 절제 수복은 자외선 등으로 인해 형성된 피리미딘 이합체와 같이 가닥 전체에 걸친 큰 손상을 인식하여 절제하고 새로 합성합니다. 불일치 수복은 복제 중 잘못 삽입된 염기를 교정하여 복제 오류율을 크게 낮춥니다.

이러한 수복 시스템에 결함이 생기면 손상된 DNA가 그대로 유전되거나 돌연변이가 빠르게 축적됩니다. 이는 유전병이나 암과 같은 질환의 원인이 될 수 있습니다[13]. 따라서 DNA 수복 기작은 세포의 건강과 생물의 생존에 필수적인 과정입니다.

DNA 복제에 대한 이해는 분자생물학 연구의 핵심적인 도구들을 개발하는 데 결정적인 기여를 했다. 이들 도구는 유전자를 조작하고 분석하는 현대 생명과학 기술의 기반을 이룬다.

가장 대표적인 예는 중합효소 연쇄 반응(PCR)이다. 이 기술은 시험관 내에서 DNA의 복제 과정을 모방하여 특정 DNA 서열을 수백만 배로 증폭한다. PCR은 DNA 복제에 필수적인 DNA 중합효소, 프라이머, 그리고 열순환(변성-결합-신장)의 원리를 활용한다. 이를 통해 극소량의 DNA 샘플로도 유전자 분석, 병원체 검출, 법의학 감정 등이 가능해졌다. 또한, DNA 복제 기작을 이해함으로써 개발된 제한 효소와 DNA 리가아제는 재조합 DNA 기술의 핵심을 이룬다. 제한 효소는 특정 DNA 서열을 자르고, 리가아제는 다른 DNA 조각을 연결하여 새로운 재조합 DNA 분자를 만들 수 있게 한다.

DNA 복제 연구에서 파생된 도구들은 유전자 클로닝, 유전자 편집, 시퀀싱 등 다양한 분야에 응용된다. 예를 들어, DNA 중합효소의 교정 기능을 개선한 고충실도 중합효소는 정확한 DNA 복제가 필수적인 차세대 염기서열 분석법(NGS)의 정확도를 높이는 데 기여한다. 최근의 유전자 가위 기술도 세포 내 DNA 이중 가닥을 인식하고 절단하는 방식으로, DNA의 구조와 복제·수복 메커니즘에 대한 지식 없이는 개발될 수 없었을 것이다.

DNA 복제 과정의 오류나 장애는 다양한 질병의 원인이 될 수 있다. 특히 암의 발생과 진행은 DNA 복제 오류와 밀접한 연관이 있다. 세포 분열이 무분별하게 일어나는 암세포에서는 DNA 복제가 비정상적으로 빈번하게 일어나며, 이 과정에서 돌연변이가 누적된다. DNA 중합효소의 교정 기능이 손상되거나 DNA 수복 기작에 결함이 생기면 유전체 불안정성이 증가하여 암으로 발전할 가능성이 높아진다.

일부 유전성 질환은 DNA 복제 관련 효소의 선천적 결함에서 기인한다. 예를 들어, 블룸 증후군은 DNA 복제 및 수복에 관여하는 헬리카제 효소의 결함으로 발생하며, 조기 노화와 암 발병 위험이 높아지는 특징을 보인다. 색소성 건피증은 자외선에 의해 손상된 DNA를 복구하는 시스템의 결함으로 인해 피부암에 매우 취약해지는 질환이다.

DNA 복제 장애는 신경퇴행성 질환과도 연결된다. 일부 연구에 따르면, 알츠하이머병과 같은 질환에서 뉴런의 DNA 복제 스트레스와 수복 실패가 세포 사멸을 촉진하는 요인으로 작용할 수 있다[15]. 또한, 면역결핍증을 유발하는 일부 질환은 림프구의 성숙 과정에서 필요한 DNA 재조합 및 복제 과정의 실패와 관련이 있다.

DNA 복제 메커니즘에 대한 이해는 이러한 질환의 진단과 치료 전략 개발에 직접적으로 기여한다. 많은 항암제는 빠르게 분열하는 암세포의 DNA 복제 과정을 표적으로 삼아 설계된다. 예를 들어, 일부 화학요법 약물은 DNA 사슬을 절단하거나 DNA 중합효소의 기능을 억제하여 복제를 방해한다. 최근에는 복제 스트레스를 표적으로 하는 표적 치료제의 연구가 활발히 진행되고 있다.