최소 유전체

생물체의 생명유지에 없어서는 안되고 절대적으로 요구되는 유전자, 즉 필수유전자(essential gene)로만 구성되어 있는 유전체를 말한다. 최소 유전체는 세포를 구성하는데 얼마나 많은 유전자가 요구되는지에 대한 해답을 제공할 수 있으며, 생명의 기초적인 원리를 이해하기 위해 연구된다. 1984년 Morowitz가 최소 유전체를 위한 모델 미생물로 Mycoplasma를 제안하였다¹⁾. Mycoplasma genitalium은 자연계에서 자율적으로 성장하고 분열하는 생물체 중 가장 작고 단순한 유전체를 갖는다. 그럼에도 M. genitalium의 작고 단순한 유전체에는 실험실 환경에서의 성장에 필수적이지 않은 유전자, 즉 비필수유전자(Non-essential gene)를 여전히 포함한다. 이것은 자연에서 만들어진 생명체의 유전체 보다 더 단순한 유전체를 인위적으로 만들 수 있다는 것을 의미한다.

목차

생명유지에 필수적인 유전자라면 모든 종이 공통으로 가질 것이라고 가정하는 방법이다. 생물체들의 유전체의 서열을 in silico로 비교하여 모든 생물체의 유전체에 존재하는 서열의 유전자를 필수유전자라고 본다. 유전체의 서열이 완전히 밝혀진 Haemophilus influenzae와 Mycoplasma genitalium의 서열을 비교하여 250개의 공통된 유전자를 찾았다. 이 공통된 유전자의 수는 1815개의 유전자를 갖는 H. influenzae와 525개의 유전자를 갖는 M. genitalium보다 더 적다.

유전체 전체 서열이 밝혀진 생물 종들은 점차 늘어나고 있는데, 이들은 모두 함께 놓고 비교하면 필수유전자의 수는 점차 감소한다. 이러한 방법으로 결정된 필수유전자의 수는 매우 적다. 그 이유는 많은 필수유전자들이 비이종상동성 유전자(non-orthologous gene)에 의해 암호화되어 서열이 같지 않기 때문에, 각각의 생물종들에 공통적으로 가지고 있어야 하는 필수유전자로 분류될 수 없기 때문이다²⁾.

필수유전자 찾는 방법 (출처:http://www.cell.com/trends/cell-biology/fulltext/S0962-8924(11)00144-9)

필수유전자를 찾아내는 실험적 방법은 ‘어떤 유전자에 기능을 잃어버리는 돌연변이(Loss of function mutation)를 유발했을 때 생물체가 살아남는다면 이 유전자는 비필수유전자일 것이고, 만약 생물체가 살지 못한다면 이 유전자는 필수유전자일 것이다’ 라고 가정을 하고 접근한다. 가장 쉽게 접근할 수 있는 실험으로 트랜스포존을 이용하여 전체 유전체에 대한 무작위 돌연변이를 유발하는 방법을 생각할 수 있다. Venter박사팀은 전역 트랜스포존 돌연변이유발(Global transposon mutagenesis)을 이용하여 M. genitalium의 최소유전체를 연구하였다. 즉, 무작위적으로 전체 유전체에 트랜스포존 돌연변이를 일으킨 다음, 살아남은 돌연변이체에서 트랜스포존이 삽입된 위치의 유전자가 무엇인지를 알아낸다. 트랜스포존이 삽입되었는데 살아남았다는 것은 그 유전자가 비필수유전자라는 것을 의미한다. 이렇게 비필수유전자들을 알아내고 나머지는 필수유전자로 판단한다. 트랜스포존이 삽입되어 유전자에 돌연변이가 생기면 살아남지 못하기 때문에, 돌연변이체가 발견되지 않는 유전자들을 필수유전자로 판단하는 것이다. Venter박사팀은 이 방법으로 M. genitalium의 525개의 유전자 중 150개의 비필수유전자와 375개의 필수유전자를 예측했다³⁾. 최근 트랜스포존 돌연변이 유발은 차세대 서열분석(Next-generation sequencing)의 발전을 통해 필수유전자의 High-throughput 식별이 가능하다⁴⁾.

생물체에 개별적으로 돌연변이를 유발했을 때 생물체의 생존이 가능하면 비필수유전자라고 판단할 수 있지만, 두 개 이상의 돌연변이가 동시에 유발했을 때 생물체의 생존에 치명적인 경우가 있다. 이러한 현상을 합성치사(Synthetic lethality)라고 한다. 이것은 비필수유전자로 판단되던 유전자가 사실상 필수적인 역할을 하고 있다는 것을 의미한다. 또한 필수유전자라는 개념은 생물체가 살아가는 조건에 따라 달라질 수 있다. 실험이 진행되는 조건에서는 불필요하다고 판단되지만, 다른 환경에서는 필수적으로 작용할 유전자가 존재할 수 있다⁵⁾.

최소 유전체 제조를 위한 Top-down 방법과 Bottom-up 방법 출처:http://2010.igem.org/Team:CBNU-Korea/Project

최소 유전체 제조를 위한 Bottom-up 방법의 작업 순서도 (출처:http://science.sciencemag.org/content/351/6280/aad6253)

최소 유전체는 필수유전자로 이루어진 유전체라고 볼 수 있고, 두 가지 방법으로 만들 수 있다.

첫째, Top-down 방법으로 기존에 존재하는 생물체의 유전체에서 실험적으로 비필수유전자와 필수유전자를 알아낸 후, 원래의 유전체에서 비필수유전자를 제거하여 최소유전체를 얻는 방법이다.  

둘째, Bottom-up 방법으로 필수유전자를 확인한 후, 이것을 기반으로 인공적인 최소 유전체를 설계하고 화학적으로 합성할 수 있다.

이상준/중앙대학교

이진규/이화여자대학교

1. Morowitz, H., 1984. The completeness of molecular biology. Israel journal of medical sciences 20 (9), 750-753.
2. Juhas, M., Eberl, L., Glass, J.I., 2011. Essence of life: essential genes of minimal genomes. Trends in cell biology 21 (10), 562-568.
3. Hutchison, C.A., Peterson, S.N., Gill, S.R., Cline, R.T., White, O., Fraser, C.M., Smith, H.O., Venter, J.C., 1999. Global transposon mutagenesis and a minimal Mycoplasma genome. Science 286 (5447), 2165-2169.
4. Htchison, C.A., Chuang, R.-Y., Noskov, V.N., Assad-Garcia, N., Deerinck, T.J., Ellisman, M.H., Gill, J., Kannan, K., Karas, B.J., Ma, L., 2016. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science 351 (6280), aad6253.
5. 김영창·노동현·김용대·김양훈 (2008) 5장 세포 합성 5.1 최소유전체(minimal genome)『합성생물학(Synthetic Biology)』42-46면