중합효소(重合酵素, 영어: polymerase)는 중합체 또는 핵산의 긴 사슬을 합성하는 효소를 통칭하는 용어이다. 생화학 분야에서 가장 널리 알려진 중합효소로는 DNA 중합효소(DNA polymerase)와 RNA 중합효소(RNA polymerase)가 있으며, 이들은 각각 DNA와 RNA 분자를 합성하는 데 관여한다.
개념
중합효소는 단량체(monomer)들이 연결되어 긴 고분자 사슬을 형성하는 중합 반응을 촉매하는 효소군이다. 특히 핵산 관련 중합효소는 염기쌍의 상호작용을 통해 주형(template) 가닥을 복사하여 새로운 DNA 또는 RNA 분자를 합성한다. 이러한 중합효소는 분자생물학 연구와 생명체의 유전 정보 전달 과정에서 핵심적인 역할을 한다.
주형 의존성에 따른 분류
중합효소는 주형(template)에 의존하는지 여부에 따라 두 가지로 구분할 수 있다.
- 주형 의존성 중합효소: 기존의 DNA 또는 RNA 가닥을 주형으로 삼아 그에 상보적인 새로운 핵산을 합성한다. DNA 중합효소와 RNA 중합효소가 대표적이다.
- 주형 비의존성 중합효소: 주형 없이 독립적으로 핵산 사슬을 신장시킨다. 폴리-A-중합효소(poly-A polymerase)가 대표적인 예이며, 말단 디옥시뉴클레오타이딜 전이효소는 주형 의존성과 비의존성 활성을 모두 가진 것으로 알려져 있다.
주형과 생성물에 따른 세부 분류
주형 의존성 중합효소는 주형이 DNA인지 RNA인지, 그리고 생성물이 DNA인지 RNA인지에 따라 다음과 같이 세분된다.
| 주형 | DNA 생성 | RNA 생성 |
|---|---|---|
| DNA | DNA 의존성 DNA 중합효소(일반적 DNA 중합효소) | DNA 의존성 RNA 중합효소(일반적 RNA 중합효소) |
| RNA | RNA 의존성 DNA 중합효소(역전사효소) | RNA 의존성 RNA 중합효소(RNA 복제효소) |
DNA 중합효소
DNA 중합효소는 DNA 복제 과정에서 주형 DNA 가닥을 따라 디옥시리보뉴클레오타이드(dNTP)를 연결하여 새로운 DNA를 합성하는 효소이다. 새로 합성된 가닥은 주형 가닥에 상보적이며, 염기쌍의 정확성을 검증하는 기능을 지닌 것도 있다. 패밀리 X에 속하는 DNA 중합효소 β, λ, μ 등과 항체 다양성 부여에 관여하는 말단 디옥시뉴클레오타이딜 전이효소 등이 여기에 포함된다.
RNA 중합효소
RNA 중합효소는 주형 DNA를 바탕으로 RNA를 합성하는 효소이다. 다중 소단위체로 구성된 RNA 중합효소 I, II, III와 단일 소단위체인 T7 RNA 중합효소, 미토콘드리아 DNA 의존성 RNA 중합효소 등이 있다. 또한 프라이메이스(primase)는 DNA 복제 시 짧은 RNA 프라이머를 합성하는 특수한 RNA 중합효소로 분류된다.
역전사효소
역전사효소(RNA 의존성 DNA 중합효소)는 RNA 주형으로부터 DNA를 합성하는 효소로, 레트로바이러스의 유전자 복제 과정에서 중요한 역할을 한다.
RNA 의존성 RNA 중합효소
RNA를 주형으로 하여 RNA를 합성하는 효소로, 바이러스의 RNA 복제효소(단일 소단위체)와 진핵세포의 RNA 복제효소(이중 소단위체)가 있다.
구조적 분류
중합효소는 구조적 특징에 따라 크게 두 가지 슈퍼패밀리로 나뉜다.
- "오른손 접힘"(right-hand fold): 거의 모든 DNA 중합효소와 바이러스 단일 소단위체 중합효소에서 발견된다. 보존된 "손바닥(palm)" 도메인이 특징이다.
- "이중 프사이베타 배럴"(double-psi beta-barrel): 모든 다중 소단위체 RNA 중합효소, 진핵세포의 RNA 복제효소, 고세균의 "패밀리 D" DNA 중합효소에서 발견된다.
응용
호열성 세균 테르무스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)에서 유래한 Taq DNA 중합효소는 고온에서도 활성을 유지하여 분자생물학의 대표적 기술인 중합효소 연쇄 반응(PCR)에 널리 사용된다. PCR은 특정 DNA 조각을 빠르고 정밀하게 증폭하는 기법으로, 유전자 연구, 진단 검사 등 거의 모든 분자생물학 실험 과정에서 활용되고 있다.
