데옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid; 디옥시리보핵산), 즉 DNA는 모든 유기체 및 대부분의 바이러스에서 세대 간 특성을 전달하는 유전 물질입니다. DNA는 두 가닥의 뉴클레오타이드(nucleotide)로 구성되어 있으며, 서로 감겨져 이중 나선을 형성합니다. DNA 구조의 발견은 거의 한 세기에 걸쳐 점진적으로 일어났으며, 이는 과학 역사에서 가장 유명하고 매혹적인 이야기 하나를 완성했습니다.
DNA의 각 가닥은 당 데옥시리보스(deoxyribose; 디옥시리보스), 인산기(phosphate group), 그리고 아데닌(adenine, 줄여서 A), 구아닌(guanine, 줄여서 G), 사이토신(cytosine, 줄여서 C; 시토신), 타이민(thymine, 줄여서 T; 티민)으로 구성된 네 가지 질소 염기(nitrogen base) 중 하나를 포함하는 뉴클레오타이드라고 불리는 단위체(subunit)로 구성되어 있습니다. 아데닌과 구아닌은 퓨린(purine)이라고 불리는 더 큰 종류의 화학 물질로, 두 개의 고리 구조로 되어 있습니다. 사이토신과 타이민은 피리미딘(pyrimidine)이라고 불리는 단일 고리 구조로 되어 있습니다.
같은 가닥의 인접한 뉴클레오타이드는 인산다이에스터결합(phosphodiester bond; 포스포다이에스터결합)을 통해 공유결합(covalent bond)합니다. 뉴클레오타이드의 두 가닥은 수소결합(hydrogen bond)을 통해 함께 유지되며, 한 가닥의 아데닌은 다른 가닥의 같은 위치에 있는 타이민과, 한 가닥의 사이토신은 다른 가닥의 같은 위치에 있는 구아닌과 짝을 이룹니다. 이 수소결합은 가닥의 5’ 끝과 3’ 끝이 서로 반대 방향으로 향하는 두 DNA 가닥의 역평행(antiparallel) 배열에 의해 가능합니다. 이러한 배열이 없다면 뉴클레오타이드는 가닥들 사이에 수소결합을 형성하기 어려운 위치에 있게 됩니다.
DNA 분자의 두 가닥은 이중 나선이라고 불리는 스프링과 같은 구조로 단단히 감겨 있습니다. 그러나 이중 나선은 완벽하게 대칭을 이루진 않습니다. 대신, 구조에 정기적으로 발생하는 홈(groove)이 있습니다. 넓은 홈(major groove)은 당-인산기 뼈대(backbone)가 상대적으로 멀리 떨어져 있는 곳에서 발생합니다. 이 공간은 전사 인자(transcription factor)와 같은 DNA 결합 단백질의 접근을 허용합니다. 반면, 좁은 홈(minor groove)은 당-인산기 뼈대가 서로 가까운 곳에서 발생합니다. 이 공간은 넓은 홈에 비해 상대적으로 적은 수의 단백질이 DNA와 결합합니다.
DNA 구조의 발견에 대한 이야기는 1869년 스위스의 과학자 프리드리히 미셔(Friedrich Miescher)가 “뉴클레인(nuclein)&rdquo이라고 불리는 물질을 발견했을 때부터 시작됩니다. 미셔는 백혈구에서 단백질을 추출하는 과정에서 인 함량이 상대적으로 높은 예상치 못한 물질을 발견했습니다. 미셔는 그게 무엇인지 몰랐지만, 생물학적으로 중요할 수 있다고 의심했습니다. 미셔가 옳았지만 과학계가 그의 통찰력을 높이 평가하는 데 수십 년이 걸렸습니다.
다음 주요 발견은 러시아의 생화학자인 피버스 레빈(Phoebus Levene)에 의해 이루어졌습니다. 1919년에 레빈은 핵산(nucleic acid)으로 알려진 뉴클레인이 그가 폴리뉴클레오타이드(polynucleotide)라고 부르는 분자의 사슬로 구성되었다고 제안했습니다. 레빈의 제안은 효모에 대한 연구에서 비롯되었는데, 그는 각각의 뉴클레오타이드들이 인산기, 당, 그리고 질소를 함유한 염기로 구성되어 있다는 것을 발견했습니다. 레빈의 폴리뉴클레오타이드 모델은 많은 면에서 정확했지만, DNA 분자에 염기가 어떻게 배열되어 있는지는 여전히 불분명했습니다.
오스트리아의 생화학자 어윈 샤가프(Erwin Chargaff)는 레빈의 연구를 확장했습니다. 1940년대 후반에 샤가프는 DNA의 ‘아데닌의 양은 항상 타이민의 양과 거의 같고, 구아닌의 양은 항상 사이토신의 양과 거의 같다’는 중요한 발견을 했습니다. 이 패턴은 샤가프의 법칙(Chargaff’s Rule)로 알려지게 되었고 DNA 구조의 최종 발견을 가능하게 한 중요한 증거였습니다.
1950년대 초, 미국의 생물학자인 제임스 왓슨(James Watson)과 영국의 물리학자 프랜시스 크릭(Francis Crick)은 DNA의 3차원 구조를 발견하기 위해 그들의 주요 라이벌인 라이너스 폴링(Linus Pauling)과 경쟁하고 있었습니다. 샤가프의 연구를 바탕으로, 이들은 DNA의 물리적 모델을 구성하기 위해 물리학, 수학, 그리고 화학에 대한 지식을 사용했습니다. 하지만 이들은 중요한 데이터를 받기 전까지는 발견에 성공하지 못했습니다. 그게 바로 DNA의 엑스레이 ‘사진’이었습니다. 이 엑스레이 사진엔 이중 나선 구조가 정밀하게 나타났습니다. 그러나 이 사진은 물리학자 로절린드 프랭클린(Rosalind Franklin)의 미공개 자료였으며, 프랭클린 몰래 왓슨과 크릭에게 전달되었습니다. 왓슨과 크릭은 1953년에 DNA 구조를 설명하는 논문을 발표했고, 로절린드 프랭클린의 동료인 모리스 윌킨스(Maurice Wilkins)와 함께 이 발견으로 1962년 노벨 생리의학상을 수상했습니다. 프랭클린은 안타깝게도 1958년에 사망해서 노벨상을 받을 수 없었습니다.
