16S rRNA

16S rRNA는 16S ribosomal RNA의 줄임말로, 원핵생물 리보솜의 30S 소단위체를 구성하고 있는 RNA이다¹⁾. 여기에서 S는 svedberg 상수를 일컫는 것으로서 침강계수를 뜻한다²⁾. 16S rRNA를 코딩하는 유전자를 16S rRNA gene이라고 일컫고, 칼 우즈 박사가 이 유전자를 통해 분자분류를 시작하여 지금까지 널리 통용되고 있다³⁾. 하나의 세균 유전체 안에서도 여러 개의 16S rRNA 유전자가 존재하고 완전히 동일하지 않은 경우도 많다⁴⁾. 원핵생물의 유전자들 중에서 가장 잘 보존되어 있어 분류학적으로 거리가 먼 생물간에도 염기서열의 차이가 가장 적은 유전자이다. 30S 리보솜 소단위체는 50S 리보솜 큰 서브유닛과 결합하여 70S 리보솜을 구성하고 있다.

16S rRNA 2차 구조 ()

E.coli 70S 리보솜의 구조. 50S 리보솜의 큰 서브유닛 (붉은색)과 30S 리보솜의 작은 유닛(푸른색)이 200 Ångstrom (20 nm)의 스케일 위에 그려져 있다. 50S subunit에서는 23S (어두운 붉은 색)과 5S (연한 붉은 색)의 rRNAs과 리보솜 단백질이 표현되어 있다. 30S subunit에서는 16S rRNA (어두운 푸르색)과 리보솜 단백질 (연한 푸른 색)이 표현되어 있다. ()

목차

유전자가 mRNA로 전사가 되고, 전사된 mRNA가 리보솜에서 단백질로 번역되는 과정에서, 리보솜의 30S 소단위체가 mRNA의 샤인-달가노 서열(Shine-Dalgarno sequence)을 인식하고 리보솜에 정확하게 결합할 수 있도록 도와주는 역할을 하고 있다⁵⁾.

16S rRNA의 서열을 비교하여 원핵생물을 분류/동정할 수 있다⁶⁾. 원핵생물에서는 97%이하의 상동성을 가지고 있으면 다른 종 (species)으로 분류된다⁷⁾. 97% 이상의 상동성을 가진 경우 DNA-DNA hybridization 실험을 통해 같은 종인지 다른 종인지 구분하며, 이 때 70% 이상의 DNA-DNA 상동성을 가지는 경우 같은 종으로 구분한다. 미지의 원핵생물을 분리하여 확보한 경우, 분리된 균주의 16S rRNA를 중합효소연쇄반응 (PCR)으로 증폭하여 염기서열을 확인한 후 데이터베이스에 존재하는 기존 서열들과 비교함으로써 어떠한 종에 속하는지 손쉽게 동정할 수 있다.

16S rRNA서열은 molecular chronometer로 동정에 사용되고 있다. Molecular chronometer는 개체간의 진화적인 거리를 확인할 수 있는 분자 물질로, 동정을 위해 비교되는 모든 종에서 공통적으로 가지고 있으며, 수평적유전자전달과 같은 유전적 변이가 쉽게 일어나지 않아야 하며, 쉽게 실험을 할 수 있어야 하며, 진화적 거리를 계산할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 원핵 미생물의 경우 16S rRNA 유전자를 주로 사용하지만, 진핵 생물의 경우 18S rRNA 유전자는 ITS 유전자를 molecular chronometer로 사용하고 있다.

최근 환경에 존재하는 세균의 군집 분석에서도 세균을 직접 키우기 보다는 환경 시료로부터 DNA를 추출한 뒤 16S rRNA를 PCR로 증폭하여 다양한 세균으로부터 유래된 16S rRNA gene 혼합물을 차세대 염기서열 분석기술 (NGS)을 통해 초고속으로 분석하는 것이 올바른 방법으로 인정받고 있다.

배진우/경희대학교

김봉수/한림대학교

1. greengenes.lbl.gov – Aligned 16S rDNA data and tools
2.
3. Woese CR , Kandler O, Wheelis ML (June 1990). 'Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya'. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 87 (12): 4576–9.
4. Case RJ, Boucher Y, Dahllöf I, Holmström C, Doolittle WF, Kjelleberg S (January 2007). 'Use of 16S rRNA and rpoB genes as molecular markers for microbial ecology studies'. Applied and Environmental Microbiology. 73 (1): 278–885. Czernilofsky et al. (FEBS Lett. Vol 58, pp 281–284, 1975)
5. Czernilofsky et al. (FEBS Lett. Vol 58, pp 281–284, 1975)
6. Weisburg WG, Barns SM, Pelletier DA, Lane DJ (January 1991). '16S ribosomal DNA amplification for phylogenetic study'. Journal of Bacteriology. 173 (2): 697–703.
7. Stackebrandt, E., and B. M. Göbel. 1994. Taxonomic note: a place for DNA-DNA reassociation and t65 rRNA sequence analysis in the present species definition in bacteriology. Int. J. Syst. Bacteriol. 44: 846-849.