'가느다란 실' DNA는 왜 다른 모양 하고 있을까?
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17세기 영국의 로버트 훅은 현미경으로 코르크 조각을 관찰하다가 세포를 처음 발견했다. 이후 고배율 현미경과 다양한 염색액의 발달로 생명체의 기본 구성 요소인 세포의 구조 및 성분을 다각도로 관찰할 수 있게 됐다.
19세기 중반 세포를 염색액으로 처리하고 이를 관찰하는 과정에서 과학자들은 핵 속에 독특한 구조의 물질이 있음을 발견했다. 이 물질은 세포마다 그 모양이 독특했다. 핵 전체에 골고루 퍼져 있거나 군데군데 뭉쳐져 있는 것 등 다양한 형태로 관찰됐다. 과학자들은 이 물질에 그저 염색이 잘 된다는 의미로 '염색체'라는 이름을 붙였다. 사실 이 염색체는 유전을 담당하는 유전 물질이지만 당시에는 이것이 무엇인지 알지 못했다.
염색체는 세포 분열 과정에서 잠시 나타나는 구조인데 20세기에 접어들어 과학자들의 연구 결과로 염색체가 유전 물질임이 밝혀졌다. 세포 분열에서 가장 중요한 것은 유전 물질의 정확한 복제와 분배다. 유전 정보를 담고 있는 물질은 매우 길고, 복잡하기 때문에 분열 과정에서 정보를 잃어버릴 위험이 높다.
생명체들은 세포가 분열할 때 염색체라는 구조물을 형성함으로써 이러한 위험을 통제하고 있다. 염색체가 유전 물질이라면 염색체는 무엇으로 구성되어 있을까? 염색체 성분을 연구한 과학자들은 염색체를 구성하는 물질이 DNA와 단백질이라는 것을 알아냈다. DNA는 유전자 본체로 유전 정보를 담고 있다. 그러면 단백질은 어떤 역할을 할까?
1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 밝혀낸 바와 같이 이중나선 구조로 된 DNA는 가느다란 실 모양이다. 사람의 세포 한 개에 들어 있는 DNA의 총길이는 약 2ｍ다. 사람의 세포 개수를 약 60조개라고 가정하면 우리 몸에 들어 있는 DNA의 총길이는 60조×2ｍ에 달한다. 이는 지구와 태양 사이를 40번 왕복할 수 있는 길이와 같다. 어마어마한 길이의 DNA가 지름이 5㎛ 정도밖에 되지 않는 작은 핵 속에 담겨 있는 것이다. 이것이 어떻게 가능할까? 그 이유는 히스톤이라 불리는 단백질 DNA 분자와 함께 여러 번 꼬여서 최소한으로 응축되었기 때문이다.
이중나선 구조로 되어 있는 DNA는 히스톤 단백질을 휘감아 뉴클레오솜이라는 기본 단위가 되는 구조를 만들고, 이것이 다시 DNA에 연결되어 마치 줄에 꿰어진 것 같은 구슬 모양의 구조를 만든다.
이것이 다시 여러 번 구부러지고, 뭉쳐져서 보다 두꺼운 구조의 염색사를 형성한다. 세포가 분열할 때 염색사는 더욱 꼬여서 가장 응축된 형태인 염색체를 이루는데 이렇게 응축된 염색체는 길게 늘어진 DNA 가닥보다 세포 분열 시 이동하기가 훨씬 수월할 것이다. 하지만 세포가 평상시에도 응축된 형태의 염색체를 갖고 있다면 DNA의 활동이 매우 어려울 것이다. 마치 이삿짐을 모두 싸버린 후에 가재도구를 찾아 사용하려는 것과 같은 모습이다.
따라서 세포가 분열하지 않는 시기에 염색체는 DNA의 활동이 쉽게 일어나도록 길게 풀어진 실 모양으로 존재하며, 광학 현미경으로는 잘 관찰되지 않는다.
이중나선 구조로 되어 있는 DNA는 히스톤 단백질을 휘감아 뉴클레오솜이라는 기본 단위가 되는 구조를 만들고, 이것이 다시 DNA에 연결되어 마치 줄에 꿰어진 것 같은 구슬 모양의 구조를 만든다.
이것이 다시 여러 번 구부러지고, 뭉쳐져서 보다 두꺼운 구조의 염색사를 형성한다. 세포가 분열할 때 염색사는 더욱 꼬여서 가장 응축된 형태인 염색체를 이루는데 이렇게 응축된 염색체는 길게 늘어진 DNA 가닥보다 세포 분열 시 이동하기가 훨씬 수월할 것이다. 하지만 세포가 평상시에도 응축된 형태의 염색체를 갖고 있다면 DNA의 활동이 매우 어려울 것이다. 마치 이삿짐을 모두 싸버린 후에 가재도구를 찾아 사용하려는 것과 같은 모습이다.
따라서 세포가 분열하지 않는 시기에 염색체는 DNA의 활동이 쉽게 일어나도록 길게 풀어진 실 모양으로 존재하며, 광학 현미경으로는 잘 관찰되지 않는다.
세포 분열 중에 나타나는 응축된 염색체는 어떤 모양을 하고 있을까? 세포가 핵분열을 하기 전에 DNA는 이미 복제되므로 분열 중인 세포에는 두 배의 DNA가 들어 있고, 각 DNA는 독자적으로 응축하여 염색 분체를 형성한다. 따라서 각 염색체는 유전자 조성이 동일하고 똑같은 2개의 염색 분체로 이루어지는데, 이 염색 분체는 동원체라고 하는 염색체의 잘록한 부분에 서로 붙어 있다. 핵분열이 진행되면서 각 염색 분체는 서로 분리되어 각기 다른 두 개의 딸세포로 나뉘어 들어가는데 4개의 딸세포는 완전하고 똑같은 유전자를 가진 염색체를 받게 된다.
사람은 세포 1개당 46개의 염색체를 가지고 있다. 모양과 크기가 같은 염색체가 두 개씩 모두 23쌍을 이루고 있다. 이처럼 모양과 크기가 같은 두 개의 염색체를 상동염색체라고 한다. 상동염색체는 부계와 모계에게서 각각 하나씩 물려받은 것이며, 생식 세포가 생성될 때 이들은 다시 나누어져 각기 다른 생식 세포에 하나씩 들어간다.
23쌍의 염색체 중 남녀가 공통으로 갖는 1번에서 22번까지 염색체 쌍을 상염색체라고 한다. 나머지 한 쌍은 성에 따라 모양이 서로 다르고, 성 결정에 관여하기 때문에 성염색체라고 한다. 사람의 성염색체는 X, Y로 두 가지가 있는데, 남자의 체세포에는 X와 Y염색체가 각각 1개씩 존재하고, 여자의 체세포에는 X염색체만 2개가 있다.
해설 및 정답
정답: ⑤
