DNA와 RNA의 차이는 무엇입니까?

DNA(Deoxyribonucleic acid)와 RNA(Ribonucleic acid)는 모두 핵산(nucleic acid)으로, 생물의 유전정보를 저장·전달하는 역할을 한다. 주요 차이점은 다음과 같다.

[RNA 기술의 최신 동향]

RNA는 전통적으로 DNA의 유전정보를 단백질로 번역하는 중간 매개체로 인식되었으나, 최근 mRNA 기술의 발전으로 그 활용 범위가 크게 확장되었다. 대표적으로 코로나19 팬데믹에서 화이자/바이오엔텍과 모더나의 mRNA 백신이 성공적으로 개발·접종되면서 mRNA 기반 플랫폼이 전 세계적으로 주목받았다.

mRNA 백신은 항원 단백질을 코딩하는 mRNA를 체내에 주입하여 세포 내에서 항원을 발현시키고 면역 반응을 유도하는 방식으로, 개발 속도가 빠르고 설계 유연성이 높은 장점을 가진다. 현재 인플루엔자, HIV, 암(흑색종, 췌장암) 등 다양한 질환으로 적용 범위가 확대되고 있다.

RNA 기술은 장점과 함께 한계도 존재한다. 장점으로는 신속한 개발, 높은 확장성, 체내에서 단백질을 직접 생성할 수 있다는 점이 있으며, 단점으로는 낮은 안정성, 체내 전달의 어려움, 면역 반응에 따른 부작용 가능성 등이 있다. 이를 보완하기 위해 지질나노입자(LNP) 전달 기술 및 안정화 기술이 함께 발전하고 있다.

또한 RNA는 mRNA 외에도 다양한 기능을 수행하는 분자가 존재한다. tRNA와 rRNA는 단백질 합성에 필수적인 역할을 하며, miRNA와 siRNA는 유전자 발현을 조절하는 기능을 통해 치료제 개발에 활용되고 있다.

한편 자가증폭 RNA(Self-amplifying RNA), 원형 RNA(Circular RNA) 등 차세대 RNA 기술도 연구가 활발히 진행 중이며, 단백질 발현의 지속성 및 정밀 제어를 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. DNA/RNA 기반 의약품 시장은 지속적으로 성장하며 차세대 바이오의약품의 핵심 기술로 자리잡고 있다.

해설 및 핵심용어 정리

(1) DNA(deoxyribonucleic acid)

자연에 존재하는 2종류의 핵산 중에서 디옥시리보오스를 가지고 있는 핵산으로, 유전자의 본체를 이루며 디옥시리보핵산이라고도 한다. DNA가 유전물질이라는 것은 20세기에 들어서야 밝혀졌다. 19세기까지는 염색체의 단백질 안에 유전정보가 들어 있을 것으로 믿었다.

영국의 세균학자 그리피스가 S형 폐렴균은 생쥐에 폐렴을 일으키고 R형 폐렴균은 감염성을 잃어버린다는 것을 밝혀냈다. 열을 가해 죽인 S형 폐렴균은 생쥐에 주입하였을 경우 감염성이 없었으나, 살아 있는 R형과 열을 가해 죽인 S형 폐렴균을 섞어서 쥐에 주입하였을 경우 폐렴에 감염된다는 것을 발견하여 죽인 S형의 어떤 물질, 즉 '형질전환 물질'이 R형을 S형으로 형질 전환시켜서 생쥐가 폐렴에 감염된다는 것을 밝혀냈다.

DNA가 유전정보의 매개체로 작용한다고 하는 실험은 1944년 미국의 에이버리 등에 의해 수행되었다. 에이버리 등은 이러한 그리피스의 실험을 기초로 하여 S형의 DNA가 비감염성 R형의 DNA에 전이되어 감염성 S형으로 형질전환이 된다는 것을 확인하였다.

1950년에 허시와 체이스는 대장균에 감염하는 박테리오파지를 이용한 실험을 통하여 DNA가 유전물질임을 결정적으로 밝히게 되었다. 파지는 DNA와 단백질로 이루어진 바이러스로 숙주인 대장균을 감염시켜서 새로운 파지들을 만들어낸다. 이러한 사실을 기초로 허시와 체이스는 2가지 종류의 파지를 준비했다. 한 종류는 방사선 동위원소로 파지의 단백질을 표지하고 다른 종류는 파지의 DNA를 표지했다. 이들 파지를 각각 대장균에 감염시킨 후 방사선 동위원소의 위치를 확인한 결과, 숙주의 체내로 들어가서 새로운 파지를 만드는 유전물질은 DNA임을 확인하였다.

DNA는 거의 모든 생물의 유전물질이지만, 레트로바이러스와 같은 여러 종류의 바이러스들은 유전물질로 DNA 대신 RNA를 갖고 있다.

가. DNA의 분자구조

DNA의 분자구조는 1953년 미국의 J.D.왓슨과 영국의 F.C.크릭에 의해 해명되었다. 이 구조는 2중 나선(double helix) 구조로서, 뉴클레오티드의 기다란 사슬 두 가닥이 새끼줄처럼 꼬여 있다. 이 구조는 마치 사다리를 비틀어서 꼬아놓은 것과 같은 것이라고도 할 수 있는데, 가령 이 새끼줄과 같은 2중 나선을 똑바로 펴면 다음과 같은 구조가 된다.

여기서 A, G, C, T는 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 사이토신(Cytosine), 타이민(Thymine) 4종의 염기를 표시하고, S는 디옥시리보오스를, 그리고 P는 인산을 나타낸다. 사다리의 두 다리는 디옥시리보오스와 인산의 연결(-S-P-S-P…)에 해당하고, 사다리의 발판은 두 다리에서 직각으로 뻗어 나와 서로 마주보고 있는 염기에 해당한다고 할 수 있다.

위의 구조에서 A와 T, 그리고 G와 C는 서로 짝을 이루고 있는데 그들 사이의 점선은 이 두 염기 사이에 형성된 약한 결합인 수소결합을 의미한다. A와 T 사이에는 두 곳에서 수소결합이 형성되어 있고, G와 C 사이에는 세 곳에서 형성되어 있다. 이 수소결합으로 2개의 서로 마주보는 염기가 붙들려 있으므로 사다리의 두 다리 또는 새끼의 두 가닥이 서로 붙들려 있게 된다.

DNA의 2중 나선 구조에서 A는 반드시 T와, 그리고 G는 반드시 C와 마주보고 있다. 그 이유는 이 4종의 염기의 화학구조 때문인데 이렇게 짝 지었을 때 비로소 두 가닥이 일정한 간격을 가지고 2중 나선 구조를 유지할 수 있는 것이다.

따라서 DNA를 그 성분 뉴클레오티드로 완전히 분해한 다음 4종의 염기의 함량비를 측정해 보면 A의 함량(mol)은 T와 똑같고 G의 함량은 C와 똑같다. 이 A-T, G-C의 짝짓기는 DNA가 유전자로서의 기능을 나타내는 데 매우 중요한 의미가 있다. DNA의 2중 나선 구조에서 나선의 한 바퀴 수직 길이는 3.4nm(1nm〓1×10-m)이고 뉴클레오티드 10개가 나선 한 바퀴를 형성한다. 그리고 나선의 지름은 2nm이다.

나. DNA 복제

DNA가 단백질의 아미노산 배열 순서를 결정하는 것은 먼저 DNA 2중 나선의 일부분이 풀리고, 풀린 두 외가닥 사슬의 어느 한쪽 사슬에서 전령 RNA(messenger RNA:mRNA)가 만들어진다. 이 mRNA는 DNA와 마찬가지로 염기-펜토오스-인산으로 된 뉴클레오티드의 기다란 연결체인데 펜토오스가 디옥시리보오스가 아니고 리보오스이며, 또 염기의 종류가 A,G,C 그리고 U(DNA의 T 대신 U이다)인 점이 다르다. 또 DNA처럼 2중 나선이 아니고 외가닥 사슬로만 존재한다.

DNA의 한 쪽 가닥 위에서 만들어진 mRNA는 그 염기의 배열순서가 DNA에 의하여 결정된다. mRNA에서는 DNA의 T 대신 U가 있기 때문에 DNA의 염기의 배열순서가 가령 ATCGGCAAT…라면 거기서 만들어지는 mRNA의 염기 배열순서는 UAGCCGUUA…와 같이 된다. 즉, mRNA는 DNA라고 하는 유전 정보를 충실히 반영한 음화(陰畵)라고 할 수 있다.

이 mRNA는 세포 속의 리보솜에 가서 자리를 잡으면, 또 하나의 RNA가 그 위에 와서 자리를 잡는다. 이 RNA는 아미노산을 운반하는 RNA라는 뜻에서 운반 RNA(transfer RNA:tRNA)라고 하는데, 그 종류에 20종이 있음이 알려져 있다. 이 tRNA는 그 분자의 한 쪽에 아미노산을 달고 있는데 한 종류의 tRNA는 한 종류의 아미노산만을 달 수 있다. 아미노산을 운반한 tRNA가 mRNA 위에 와서 닿으면 mRNA의 염기 배열순서가 자신의 염기 배열순서와 짝지을 수 있는 곳에 자리를 잡게 된다.

tRNA의 20종은 제각기 다른 염기 배열 순서를 가지고 있기 때문에 mRNA 위의 짝 지을 수 있는 자리를 찾아 붙으면 20종의 아미노산들이 쭉 한 줄로 늘어서게 되는데, 이때 이 아미노산들의 늘어선 순서는 mRNA의 염기 배열순서, 즉 DNA의 염기 배열순서에 의해 결정된다. 이와 같이 늘어선 아미노산들은 서로 펩티드결합을 형성하여 단백질 분자가 되고 이 단백질 분자가 바로 생물의 유전형질이 된다.

(2) RNA

리보핵산(Ribonucleic acid) 또는 RNA는 오탄당의 일종인 리보스를 기반으로 뉴클레오티드를 이루는 핵산의 한 종류이다. 하나의 나선이 길게 꼬여 있는 구조를 지니며 DNA의 일부가 전사되어 만들어진다. RNA는 단백질을 합성하는 과정에 작용하며 일부 바이러스는 DNA 대신 RNA를 유전물질로 갖기도 한다. 핵염기로 DNA와 달리 티민 대신 우라실을 갖는다. 최근 RNA 스스로 효소와 같은 기능을 가질 수도 있음이 발견되었다. 이것을 라이보자임(ribozyme)이라 한다.

RNA는 오탄당인 리보스를 기반으로 사슬구조를 이룬다. 오른쪽 그림에서와 같이 리보스에 있는 다섯 개의 탄소에 번호를 붙였을 때 1번 탄소가 핵염기와 연결되며(이 그림의 경우 구아닌) 3번과 5번은 인산에 연결된다. 1번 탄소에 연결되는 핵염기는 구아닌 이외에도 아데닌, 우라실, 시토신이 있다. 인산은 당과 당 사이를 연결하여 사슬을 이룬다.

핵염기는 보통 다음과 같은 약자로 쓰인다. A – 아데닌, G – 구아닌, U – 우라실, C – 시토신. 핵염기는 수소결합에 의해 서로 짝을 이루어 결합할 수 있다. 아데닌은 우라실(DNA의 경우 티민)과 구아닌은 시토신과 상보적인 짝을 이룬다.

가. RNA의 종류

RNA는 분자구조와 생물학적 기능에 따라 세가지로 나뉜다.

(1)rRNA(리보솜 RNA ribosomal RNA): 리보솜을 구성하는 RNA이다.

(2)mRNA(전령 RNA messenger RNA): DNA의 유전 정보를 옮겨적은 일종의 청사진 역할을 한다. 이를 기본으로 하여 리보솜에서 단백질을 합성하게 된다. 이를 세부분으로 나누면, (Poly) cap, Polyadenyl, translation sequence(실제 번역되는 부분)으로 나뉜다.

(3)tRNA(운반 RNA transfer RNA): mRNA의 코돈에 대응하는 안티코돈을 가지고 있으며, 꼬리쪽에는 해당하는 안티코돈에 맞추어 tRNA와 특정한 아미노산을 연결해 주는 효소에 의해 안티코돈에 대응하는 아미노산을 달고 있다.