전위

전위는 전위인자(transposon)가 단일 염색체 또는 다른 개체의 염색체로 마치 jumping 하듯이 수평적으로 이동하는 현상을 말한다. 이 현상은 대부분의 생명체에서 일어날 수 있으며, 전위인자가 특이적(specific) 또는 비특이적인(non-specific) 지점으로 이동되어 각종 세포의 생리적 특성변화를 야기하기도 한다. 이외에도 다른 수평적 유전자 전달(horizontal gene transfer) 방법으로는 형질전환(transformation), 접합(conjugation), 형질도입(transduction)이 있다.

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전위의 현상은 1948년 Cold Spring Harbor Laboratory의 유전학자인 Barbara McClintock에 의해 최초로 보고되었는데, 이 학자는 옥수수에서 나타나는 특정 유전적인 특성이 멘델의 유전법칙에 의해서만 아니라, 또 다른 유전적 인자, 즉 전위인자(transposon)에 의해 설명될 수 있음을 밝혀냈다. 이후에 1975년에 Nancy Kleckner, Russel Chan, Bik-Kwoon Tye, David Botstein 등의 여러 학자들에 의해 세균에도 전위인자가 존재함을 밝혀냈다.

그림. Barbara McClintock. 전위인자의 발견으로 노벨상 수상 (출처: GettyimagesKorea)

전위인자(transposon)의 종류에 따라 비복제적(non-replicative) 또는 복제적(replicative) 전위방식으로 공여체 DNA를 수여체로 전달하는데, 전자의 경우에는 공여체 DNA의 전위인자가 복제가 이루어지지 않고 수여체 DNA로 삽입만 되는 반면에, 후자의 경우에는 공여체의 전위인자가 복제되면서 수여체 DNA로 이동되어 공여체에도 전위인자가 보존된다. 기본적으로 전위가 일어나기 위해서는 전위인자의 구성요소인 전위효소(transposase), 두 역반복서열인 IR(inverted repeat)이 필요하다. 이 중 전위효소는 수여체의 표적 DNA를 선택하고, 전위인자의 양쪽 IR 끝지점을 절단하는 역할을 한다.

그림. 비복제적 전위(A)와 복제적 전위(B)의 비교 (출처: 한국미생물학회)

비복제적 전위는 잘라서 붙인다의 의미로 'cut-and-paste' 방식으로도 불린다. 제일 먼저 전위효소가 수여체 DNA의 표적부분을 감지하고, 전위인자의 IR과 수여체 표적 DNA 부분에 부착하여 transpososome complex를 형성한다. 이 전위효소는 각 DNA 가닥의 삽입서열인 IS(insertion sequence) 한쪽 끝자락의 phosphodiester 결합을 절단하고, 이로 인해 생성된 3'-OH기는 절단되지 않은 상보 가닥의 IS 끝부분과 transesterification 반응을 통해 머리핀 모양(hairpin) 구조가 생성된다. 이런 과정을 통해 분리된 머리핀 모양 구조의 전위인자에 또 다시 머리핀 모양 구조의 양쪽 끝염기에 nick이 생기고, 이로 인해 생성된 3'-OH기는 수여체 표적 DNA와 반응하여 전위인자의 삽입이 이루어진다. 이 방법을 통해 전위되는 전위인자는 삽입서열(insertion_sequence)인 IS1, IS2, IS3, 복합 전위인자(composite transposon)인 Tn5, Tn9, Tn10, 접합 전위인자(conjugative transposon)인 Tn916 등이 있다.

복제적 전위는 전위인자의 복제가 일어나므로, 전위가 완료된 후에는 비복제적 전위와는 다르게 공여체와 수여체 DNA에 모두 같은 전위인자를 보존 및 생성하게 된다. 그렇기 위해서는 기본적인 전위요소인 전위효소와 두 IR 외에 해리효소(resolvase)가 필요하다. 전위효소가 IR 양쪽 끝자락에 부착하여 전위인자의 복제와 삽입을 개시하는데, 이 과정 중에 공여체 DNA와 수여체 DNA가 융합되어 cointegrate의 구조가 형성된다. 이 때 해리효소가 전위인자 내에 위치해 있는 res 지점에서 위치특이적 재조합을 일으켜 공여체와 수여체 DNA에 각각 한개씩의 전위인자를 생성시킨다. 이러한 방식의 전위인자는 res 지점과 , 해리효소를 포함하고 있는 것들로 비복합 전위인자(non-composite 또는 complex transposon)인 Tn3, 전위파지(transposable phage)인 Mu 등이 있다.

최경희/원광대학교

정우현/덕성여자대학교