형질도입

형질도입은 bacteriophage를 매개로 하여 세균 DNA가 다른 세균으로 이동되는 현상을 일컫는 것이며, 수평적 유전자 이동(horizontal gene transfer, HGT)의 방법중 하나로, 이외에도 형질전환(transformation), 접합(conjugation), 전위(transposition)의 방법들이 있다. Bacteriophage는 세균을 감염시켜 사멸시킬 뿐 아니라, 이러한 역할을 하게 되는데, 이에 대한 발견은 Norton Zinder(1928-2012)에 의해 처음 보고되었다. 그는 1966년에 두개의 시험관에 Salmonella를 각각 접종하고 두 시험관 사이에 바이러스만 통과할 수 있는 필터를 끼우고 배양한 결과 각각의 시험관 안에 세균의 직접적인 접촉이 없이도 DNA가 이동되었음을 관찰할 수 있었다. 이 실험을 통하여 DNA의 전달이 bacteriophage에 의해 이루어졌음을 추측할 수 있게 되었다. 이렇게 형질도입이 가능한 bacteriophage를 '형질도입 입자' 또는 '형질도입 phage'라고 부르고, 다른 세균으로부터 DNA를 받은 세포를 '형질도입체(transductant)'라고 부른다.

목차

형질도입은 bacteriphage 별로 형질도입의 메커니즘이 다르다. 대표적으로 P22는 일반 형질도입, lambda는 특이 형질도입 방식으로 유전물질을 전달한다. 일반 형질도입과 특이 형질도입 방식의 특성은 다음과 같다.

이 방법으로 형질도입하는 phage로 가장 많이 알려진 것은 P1과 P22 phage이다. 이들은 일반 형질도입을 위해 phage의 중요한 조건인 숙주세포 DNA의 효과적인 packaging이 가능하다. 그 이유로는 packaging 개시 시점인 pac site의 염기서열 특이성이 매우 낮기 때문이다. P1은 주로 그람음성세균을 감염시키는 phage로 알려져 있고, 숙주의 DNA의 packaging이 가능하며, 숙주감염성이 매우 광범위한 특성을 가지고 있어 Escherichia coli, Klebsiella, Myxococcus 속 세균들의 DNA를 다른 그람음성세균으로 전달할수 있다. 그리고 효과적인 Salmonella enterica serovar Typhimurium phage인 P22는 rolling-circle replication 방식으로 DNA를 복제하고, 여러 개의 genome을 일렬로 연결하여 긴 concatemer를 형성하게 된 후 genome 끝에 존재하는 pac site에서 phage head로 packaging이 개시되고, headful mechanism을 통해 packaging되어 head가 꽉 찰 때까지 진행되다가 DNA가 head내에 차게 되면 pac site에서 절단되어 다음의 비어 있는 새로운 phage head로 packaging이 재개된다. Salmonella 염색체에도 pac site와 유사도가 높은 염기서열이 존재하기 때문에 이 세균의 DNA도 이와 같은 방식으로 phage head로의 packaging이 가능해진다. 그러므로 이러한 phage를 통해 세균의 DNA가 다른 세균으로 전달될 수 있게 된다. 다른 세균으로 DNA가 전달된 후에는 유입된 공여체 DNA가 수여체 염색체 내의 DNA와의 재조합(recombination)에 의한 교차(crossover) 과정을 통해 공여체 DNA를 가지는 새로운 형질도입체가 생성된다.

그림 1. 일반 형질도입 과정 (출처: 한국미생물학회)

특이 형질도입 방식으로 DNA를 전달하는 phage로서 알려진 것은 Escherichia phage lambda이다. 이 phage는 선형(linear) 형태의 DNA를 보유하고 있으나, 세포 안으로 유입되면 cos site라고 하는 지점에서 원형화가 이루어진다. 또한 attP(attachment P site)라고 부르는 phage DNA 염기서열이 존재하는데, 이 지점의 'P' 'Phage'를 의미한다. 이 지점이 세균내에 존재하는 attB(attachment B site)라고 부르는 지점과 phage DNA에서 유래한 integrase에 의해 재조합을 통하여 phage DNA가 세균 내 염색체로 삽입된다. 이 지점의 'B'는 'Bacteria'를 의미하고, 세균 염색체내 gal과 bio 유전자 사이에 위치한다. 이런 재조합 과정을 통해 생성된 genome은 hybrid 형태의 attL(attachment Left)과 attR(attachment Right)을 가진 prophage이다(attP + attB -------> attL + attR). 이 prophage는 잠복형태로 존재하다가 DNA 손상 등의 자극이 있을 경우에 재활성화되어 특이 형질도입과정이 일어나게 된다. 정상적인 경우에는 phage에서 유래하는 효소에 의한 재조합을 통해 phage DNA만을 가지는 phage 입자를 생성하지만, 숙주세포 유래 재조합효소에 의해 극히 낮은 빈도수로 phage의 삽입지점이었던 attB와 인접한 숙주 DNA 와 prophage의 유사한 염기서열 사이에서 재조합이 일어나 부정확한 절단이 이루어진다. 이렇게 하여 생성된 형질도입 인자는 숙주세포 DNA 일부와 원래 phage DNA에서 일부 결손된 DNA를 가지게 된다. 런후 이 이유로 이 형질도입 인자는 새로운 세균의 attB로 삽입되면서 일부의 세균 DNA가 새로운 세균의 염색체로 전달되게 된다.

그림. 특이 형질도입 (출처: 한국미생물학회)

최경희/원광대학교

정우현/덕성여자대학교