형질전환

분자생물학에서의 형질전환은 외래 DNA 분자가 세포에 도입되어 유전적인 변화가 일어난 것을 의미한다. 형질전환은 무성생식을 하는 세균 등의 미생물이 유전적 다양성을 확보할 수 있는 생존 전략으로 형질전환 이외에 외래 DNA가 세균에 들어올 수 있는 방법은 세균사이에서 일어나는 접합(conjugation)과 바이러스의 침입에 의한 감염(transduction)이 있다.

동물세포에서의 transformation은 증식능력이 종양세포와 유사한 형질로 변화하는 것을 일컫는 의미로 사용되는데, 이는 외래 DNA 도입에 의한 형질전환과는 무관하다. 따라서 용어에서 오는 혼란을 방지하기 위해 동물세포에 DNA를 도입하는 경우는 transformation이라는 용어 대신 transfection이라는 용어를 사용한다.

목차

1928년 영국의 그리피스(Frederick Griffith)는 폐렴을 일으키는 병원성 세균(Smooth, S형) 폐렴쌍구균(Streptococcus pneumoniae)이 가지고 있는 어떠한 화학적 성분이 병원성을 가지고 있지 않은 세균(Rough, R형)를 병원성을 가지는 세균으로 변형시킬 수 있으며, 이렇게 만들어진 병원성은 그 자손에게 유전되어 전달된다는 사실을 발견하였다 (그림 1). 이후 에이버리(Oswald Avery)는 DNA가 병원성 전달의 원인임을 규명하였고 외래 DNA가 세균에 유입되는 과정을 형질전환이라 명명하였다.

그림 1. Griffith의 형질전환 실험 (출처: GettyimagesKorea)

현재까지 자연 상태에서 80종 이상의 그람 양성, 음성 세균에서 형질전환이 발견되었는데, 이를 위해서는 외래 DNA를 세포 표면에 부착시키고 세포 내로 이동시킨 후 유전체에 끼어드는 일련의 과정에 필요한 유전자들이 발현되어야 한다. DNA의 두가닥 중 한가닥만 세포내로 이동되는데, DNA의 세포내로의 이동에는 Type IV pili, Type II secretion system, DNA translocase complex와 같은 단백질이 관여한다고 알려졌다.

형질전환 유전자의 발현은 환경조건에 영향을 받는데, 주로 집단의 밀도가 높거나, 영양분이 고갈되는 등 세포 성장의 정체기에서 유도된다. 또한 UV 등에 의해 DNA 손상이 유도되었을 때 형질전환 능력이 유도되는데, 이는 동형 재조합(homologous recombination)을 통해 DNA 손상을 복구하는데 기여할 것으로 생각되고 있다.

미생물의 유전조작은 많은 경우에 외래 DNA를 도입을 필요로 한다. 일반적으로 대부분의 미생물은 자연 상태에서 형질전환이 이루어지지 않기 때문에, 이들을 인위적으로 외부의 DNA를 받아들일 수 있는 세포, 즉 형질전환이 가능한 세포(competent cell)로 만들어야 한다.

대장균과 같은 그램 음성 세균의 형질전환에 널리 사용되는 방법은 염화칼슘(CaCl₂) 처리법이다. 2가의 양이온은 세포막의 유동성을 높여주고, 세포 표면의 인지질, lipopolysaccharide(LPS)의 음전하를 중화시켜, 음전하를 띈 DNA의 세포 표면 결합 및 통과를 촉진시키는 것으로 알려졌다. 형질전환시에 염화칼슘으로 처리한 세포에 열충격을 주는데, 이는 세포 구멍이나 손상된 세포벽을 통한 DNA의 세포내로의 이동을 촉진하는 효과가 있다.

CaCl₂ 이외에 다른 물질이 사용되기도 하는데, Saccharomyces cerevisiae 등 효모의 경우 lithium acetate와 polyethylene glycol을 사용한다. 한편 Streptomyces와 같이 균사체를 형성하는 미생물의 경우 효소 처리를 통해 세포벽을 제거한 후 spheroplast 형태로 만들어 형질전환을 하기도 한다.

세포에 10-20 kv/cm의 일시적인 전기충격을 가해 세포막을 불안정하게 하고 순간적인 구멍이 형성되어 이를 통해 DNA가 들어가도록 하는 방법이다. 일반적으로 화학적 방법보다 높은 형질전환 효율을 얻을 수 있다.

DNA 조각 또는 DNA plasmid를 이용한 세균의 형질전환 ()

한지숙/서울대학교

최형태/강원대학교