형질주입

[ Transfection ]

일반적으로 동물세포에 외부 DNA 또는 RNA를 넣는 과정을 형질주입이라고 한다. 이에 비해 박테리아나 비동물 유래 진핵세포(eukaryotic cell)에 핵산을 전달하는 것은 형질전환(transformation)이라 지칭한다. 이러한 차별화는 형질전환에 해당하는 영어 단어인 "transformation"이 동물 세포의 경우 암세포로 특성을 가지게 되는 과정을 일컫게 됨에 따라 어느 정도 분리가 필요하기 때문이기도 하다. 또한 바이러스를 이용해 유전자를 전달하는 방법은 형질도입(transduction)이라는 용어가 일반적으로 쓰인다. 따라서 아래 소개되는 주요 형질주입의 방법은 바이러스를 이용하는 방법을 제외한 동물세포 내로 DNA를 전달하는 방법이 주요 내용이다. 형질 주입은 실험실에서 이루어지는 유전자 조작 뿐만 아니고 육종이나 유전자 치료에도 중요한 과정이 될 수 있다.

- 인산칼슘(calcium phosphate) 기법: 가장 오랫동안 활용되어온 경제적인 기법이다. 인산 이온 용액과 DNA가 녹아있는 염화칼슘(calcium chlroride) 용액이 섞이면 DNA가 포함된 미세한 침전물이 생성된다. 이러한 현탁액이 배양 중의 세포에 더해지면 세포는 침전물과 DNA를 세포 내로 도입하게 된다.

- 양이온중합체(cationic polymer) 기법: DEAE-덱스트란(DEAE-dextran)이나 폴리에틸렌이민(polyethylenimine)과 같은 양이온중합체는 음이온 물질인 DNA와 효율적으로 결합한다. 세포는 이러한 복합체를 세포내 섭취(endocytosis)를 통해 내부로 가져간다.

- 리포펙션(lipofection): 리포솜(liposome)과 형질주입(transfection)을 합친 용어이다. 즉 리포솜을 이용해 DNA를 전달하는 방법이다. 리포솜은 지질2중층(lipid bilayer)로 구성되어 있기 때문에 세포막과 쉽사리 융합 할 수 있다(그림 1). 따라서 양이온 지질과 음이온 물질인 DNA를 결합시킨 이후 세포에 전달 시켜 세포 내부로 DNA를 전달시키는 것이다.

그림 1. 리포솜의 구조. Hydrophilic head(친수성머리), Hydrophobic tail(소수성 꼬리), Aqueous solution(수용액) (출처: 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/Liposome#/media/File:Liposome_scheme-en.svg)

- 퓨진(FuGENE) 기법: 리포펙션에 쓰이는 지질과 다른 물질을 이용해 다양한 세포에 DNA를 전달하는 기법으로 특허가 걸려있는 기법이다. 효율이 높고 독성이 낮아 다양한 세포에서 널리 쓰인다.

- 덴드리머(dendrimer) 기법: 덴드리머는 다수의 가지를 가진 복잡한 구조의 유기물질을 지칭한다. 역시 DNA와 결합한 후 세포 내로 이동하게 된다.

물리적 기법

- 전기천공법(electroporation): 직류고전압에 의해 일시적으로 세포막에 뚫린 구멍으로 화학물질 또는 DNA를 도입시키는 방법이다. 기술의 발달에 힘입어 동물, 식물, 미생물을 전체 유형의 세포를 대상으로 적용이 가능하다.

- 세포 압착(cell squeezing) 기법: 미세유체공학을 이용한 기법이다. 세포를 협소한 통로로 지나가게 하여 세포 전체 구조에 변형을 유도하면 세포막이 찢어지면서 작은 틈이 생기고 이를 통해 DNA가 유입되도록 하는 방법이다. 협소한 공간을 지나가면 세포막은 원래대로 복구된다. 다른 방법에 비해 세포의 유전자 발현에 오는 변화가 적은 장점이 있다.

-초음파천공법(sonoporation): 고강도의 초음파를 이용해 세포의 막에 구멍을 내고 이를 통해 DNA가 유입되도록 하는 방법이다.

-광학 형질주입(optical transfection): 고초점 레이저를 이용해 세포의 막에 구멍을 내고 이를 통해 DNA가 유입되도록 하는 방법이다. 이 기법은 한 번에 하나의 세포를 대상으로 이루어지는 것으로 단일 세포 분석에 유용하다.

-나노섬유(nanofiber) 기법: 나노섬유에 DNA를 "묻힌" 뒤 세포를 "찔러" DNA를 세포 내로 전달하는 기법이다. 다수의 나노섬유 가닥을 이용해 조직이나 다수의 세포에 전달하는 기법으로 발전하고 있다.

-입자 기반 기법: 나노입자에 DNA를 결합시켜 세포에 전달하는 방법이다. 유전자총(gene gun)을 이용해 금과 같은 불활성 입자를 세포에 ‘쏘는’ 방법과 자기장을 이용해 자성을 가진 입자를 세포 안으로 삽입시키는 방법이 있다.

영구적 형질 주입

일반적으로 외부에서 들어온 DNA는 동물세포 내에서 오래 남지 않는다. 세포 분열을 통해 희석이 되거나 분해되기 때문이다. 외부에서 들여온 형질이 오래동안 혹은 영구적으로 유지되기 위해서는 자체적으로 복제기점(origin of replication)을 가지고 있어야 하며 이를 인지하고 복제를 매개하는 단백질의 발현이 필요하다. 예를 들면 엡스타인-바 바이러스(Epstein-Barr Virus)의 EBNA1 단백질과 해당 바이러스의 복제기점을 발현하는 DNA는 상대적으로 오래 유지되는 것이다. 또 다른 방법은 선택표지(selectable marker)를 이용하는 방법으로 주로 독소로 작용할 수 있는 물질에 대해 저항성을 가져오는 유전자와 형질주입 대상 유전자를 동시에 적용하는 것이다. 일부 주입된 DNA가 염색체에 삽입된 세포는 독소가 가져오는 선택적 압력에서 우위를 가지게 되며 결과적으로 형질을 오래 동안 발현 시키는 세포만 살아남게 된다.

참고문헌

Recombinant DNA: Genes and genomes - A short course (Watson 외 저 3판, Freeman)

형질주입

형질주입

목차

화학적 기법

물리적 기법

영구적 형질 주입

관련용어

참고문헌