제한-변형 시스템

박테리아가 자신의 DNA를 변화시키면서 침입하는 박테리오파지 DNA를 제거 및 분해하는 과정

목차

제한 변형 시스템은 박테리오파지 (bacteriphagy)에 의한 박테리아 감염 연구 중에 발견되었다. 즉 특정 종류의 박테리아에서 배양된 박테리오파지는 같은 종류의 박테리아는 감염시킬 수 있으나 다른 종류의 박테리아는 감염시킬 수 없는데 (restriction 현상), 이는 박테리오파지의 DNA 변형 (modification)이 기존의 숙주 박테리아 DNA와 같기 때문이고 다른 박테리아에서는 DNA 변형이 그 박테리아와 달라서 제한을 받았기 때문이다. 제한 변형 시스템은 기본적으로 DNA 메틸화 효소 (methylase)와 제한효소 (restriction enzyme) 기능을 갖는 엔도뉴클레아제 (endonuclease)로 이루어져 있으며 양자의 DNA 염기 인지 서열이 같다.  따라서 박테리아는 자신의 DNA를 메틸화하여 엔도뉴클레아제에 의해 절단되지 않도록 변형하고 외부에서 침입하는 박테리오파지 등의 DNA는 절단하여 제한 현상을 일으킨다 (그림 1). 모든 박테리아의 1/4 정도가 제한 변형 시스템을 갖고 있다 (1, 2).  

그림 1. 대장균 (E. coli)의 메틸화 효소는 자신의 DNA의 효소 인지 부위를 메틸화하여 E.coli의 제한 효소에 의해 절단되지 않도록 한다 (a). 반면 침입하는 박테리오파지의 DNA는 메틸화되어 있지 않아 E.coli의 제한 효소에 의해 절단된다 (b). E.coli의 제한 효소에 의해 절단된 부위는 점착 말단 (sticky end)를 형성하기 때문에 이를 이용하여 DNA 유전자 재조합이 가능하다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

제한 변형 시스템은 Salvador Luria에 의해 1952년 발견되었으며 이는 결국 1975 년 Daniel Nathan과 Hamilton Smith에 의한 제한 효소 (restriction enzyme)의 발견으로 이어지게 되었다. 1978년 Nathan, Smith, Arber는 제한 효소의 발견으로 노벨 의학상을 받았다. Luria는 세균 변이와 박테리오파지 증식에 관한 업적으로 따로 1969년 노벨의학상을 받았다. 

제한 변형 시스템은 아래와 같이 1형, 2형, 그리고 3형으로 분류된다. 

1형 제한 변형 시스템은 매우 복잡한 제한 변형 시스템으로서 R (restriction), M (modification), S (specificity)의 3개의 펩티드로 구성되어 있다. 메틸화 및 DNA 절단이 같이 일어난다. 이 반응에는 ATP와 S-adenosylmethionine (SAM)이 필요하며 DNA 인지 염기 서열은 이분화 (bipartite)되어있으며 비대칭적이다. 절단 부위는 인지 부위에서 1,000 bp 이상 떨어져 다양한 위치에 있을 수 있어 겔 상에서 절단 밴드를 관찰하기 어렵다. 

2형 제한 변형 시스템은 가장 흔히 볼 수 있는 형태의 제한 변형 시스템으로서 엔도뉴클레아제 (endonuclease)와 메틸화효소 (methylase)가 따로 만들어져서 각각 작동한다. 인지 염기서열은 4~6개의 염기로 구성되어 있고 팔린드롬 (palindrome) 구조를 갖는 경우가 많다. 절단 부위는 인지 부위와 같든지 또는 근처에 있다. 메틸화효소는 단위체 (monomer)로 작용하면서 한 번에 DNA 한쪽 가닥만 메틸화한다. 엔도뉴클레아제는 이량체 (dimer)로 작용하면서 DNA 양쪽 가닥을 모두 절단한다. 이 2형 제한 변형 시스템은 유전자를 특정 부위에서 절단하고 연결하는데 사용할 수 있기 때문에 유전자 클로닝 (DNA cloning)에 매우 유용한 도구이다. 

3형 제한 변형 시스템은 R (restriction), M (modification)의 2개의 펩티드로 구성되어 있으며 메틸화 및 DNA 절단이 같이 일어난다. 인지 염기서열은 5~7개의 염기로 구성된 비대칭 구조를 갖고 있다. 절단 부위는 인지 부위에서 24~26 bp 떨어져서 일어난다. 

제한 변형 시스템은 박테리아가 박테리오파지 등 외부 침입자의 DNA를 선별적으로 파괴하는 역할을 한다. 이점에서 제한 변형 시스템은 박테리아의 면역계라고 할 수도 있다. 이 경우는 척추동물과 비교하자면 선천면역 (innate immunity)에 해당한다. 이 점에서 척추동물의 후성 면역 (adaptive immunity)에 해당하는 것은 최근 급속하게 연구가 진행되는 CRISPR (clustered regularly interspersed short palindromic repeats)-CAS (CRISPR-associated genes)이다. 즉 제한 변형 시스템은 숙주의 시스템에는 변화가 없이 침입하는 DNA를 제거하는 반면 CRISPR-CAS 시스템에서는 침입하는 바이러스에 따라 숙주의 DNA에 변화가 생겨 이로 인해 침입하는 바이러스를 퇴치하게 된다는 점에서 후성 면역의 성격을 갖고 있다. 제한 변형 시스템은 위에서 언급한 침입하는 박테리오파지 DNA를 공격하는 것 이외에도 같은 균종 내에서도 종류가 다른 균주로부터의 DNA 침입을 제거하는 역할도 한다. 또한 이기적 유전자 (selfish gene)로서의 역할도 하여 제한 변형 시스템을 가진 균주가 생존을 더 잘하게 하는 역할도 한다. 즉 박테리아가 세포 분열을 할 때 메틸화효소를 잃어버린 균주는 엔도뉴클레아제에 의해 파괴되는 분열 후 사멸 (post-segregational killing) 현상이 일어나며 이것은 이기적 유전자 현상으로 생각된다. 

박테리아는 각자 특이적인 제한 부위 즉 DNA 서열 인식 부위를 갖는다. 이를 이용하여 DNA 유전자 재조합이 가능하다. 예를 들어 E. coli의 제한 효소에 의해 절단된 부위는 같은 방법으로 형성된 DNA 절단 부위와 점착 말단 (sticky end)을 형성하기 때문에 DNA 유전자 재조합이 이루어진다 (그림 1).

메틸화효소 (methylase), 제한효소 (restriction enzyme), 엔도뉴클레아제 (endonuclease).

1)   Alberts B et al. Molecular Biology of the Cells. 6^th edition. Garland Science 2015. p464-466.

2)    Bickle TA, Krüger DH. Microbiol Rev. Biology of DNA restriction. 57(2):434-50, 1993