새로운 DNA 분자의 합성은 DNA 중합효소(DNA polymerase; DNA 폴리머레이스)가 뉴클레오타이드(nucleotide)를 주형(template) DNA 가닥과 상보적(complementary; 상호보완적)인 순서로 결합할 때 시작됩니다. DNA 중합효소는 DNA 복제의 정확도(fidelity)를 보장하기 위해 정확한 염기에 대한 친화력(affinity)이 더 높습니다. DNA 중합효소는 또 초기 DNA 가닥에서 잘못된 뉴클레오타이드를 잘라내는 핵산외부가수분해효소(exonuclease; 핵산말단가수분해효소) 도메인(domain)을 사용하여 복제 중에 더 많은 교정(proofreading)을 합니다.
유전체 DNA는 5’에서 3’ 방향으로 합성됩니다. 각각의 세포는 DNA를 합성하고 실수를 수정하는 데 다양한 역할을 하는 여러 DNA 중합효소를 포함하고 있습니다. DNA 중합효소 델타와 입실론은 핵 DNA를 복제할 때 교정 능력을 갖추고 있습니다. 이러한 중합효소는 각 염기를 새 가닥에 추가한 뒤 “읽습니다”. 새로 추가된 염기가 올바르지 않으면 중합효소가 방향을 반대로(3’에서 5’로 이동) 돌려서 핵산외부가수분해효소 도메인(exonucleolytic domain)을 사용하여 잘못된 염기를 잘라낸 뒤 올바른 염기로 교체합니다.
교정은 새로 합성된 DNA에서 돌연변이(mutation)가 발생하는 것을 막는 데 중요한데 교정 기작이 실패하면 어떻게 될까요? 돌연변이가 DNA 중합효소의 핵산외부가수분해효소 도메인을 변화시키면, 해당 도메인은 잘못된 뉴클레오타이드를 제거하는 능력을 잃게 됩니다. 따라서 돌연변이가 유전체 전체에 빠르게 축적될 수 있습니다. 이런 종류의 돌연변이는 다양한 종류의 암과 연관되어 있습니다.
변형된 DNA 중합효소는 특정 DNA 조각의 여러 복사본을 만드는 체외(in vitro; 시험관내) 기술인 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, 줄여서 PCR)을 위해 사용됩니다. 최종 생성물이 완벽한 것이 중요할 땐 정확도가 높은 중합효소(high-fidelity polymerase)를 사용하지만, 실수 유발 PCR(error-prone PCR)과 같은 일부 기술은 의도적으로 DNA에 돌연변이를 발생시키기 위해 교정능력이 저하된 중합효소를 사용합니다.
