인테그레이즈

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[ Integrase ]

박테리오파지(phage)나 바이러스(virus)가 숙주에 감염되었을 때, 감염체의 유전적인 물질을 숙주세포의 염색체 DNA에 도입하는 반응을 촉진하는 효소를 인테그레이즈(integrase)라 하며 이 단백질은 DNA 재조합(DNA recombination)을 유도하는 재조합효소(Recombinase)의 일종이다. 대표적으로 알려져 있는 인테그레이즈는 람다 파지(λ phage)의 Int 단백질(Ø80, P1, P2, P4, P22, 186 등)과 레트로바이러스(retrovirus)의 IN 단백질이 있다.

DNA 재조합(DNA recombination)은 재조합이 일어나는 두 DNA 염기서열이 유사한 경우에 나타나는 상동재조합(Homologous reombination)과 특정 DNA 염기서열간에 일어나는 자리 특이적 재조합(site-specific recombination)으로 나눌 수 있다. 특히, 자리 특이적 DNA 재조합을 유도하는 재조합효소(recombinase)는 활성부위(active site)에 어떤 종류의 아미노산을 가지고 있느냐에 따라 세린 계열(Serine family)과 티로신 계열(Tyrosine family) 재조합효소로 나뉘어 진다.

λ Int 단백질은 티로신(tyrosine) 계열의 재조합효소로 자리 특이적 재조합(site-specific recombination)에 관여한다. 대략 40kDa의 크기이며, DNA에 특이적으로 결합하는 2개의 도메인을 가진다. 하나의 도메인은 핵심(core) 인식자리에 결합하고, 다른 하나는 팔(arm)이라고 알려진 인식자리에 결합하여 att(attachment)자리로 알려진 특이적인 DNA 염기서열 간의 재조합을 촉매한다.

IN 단백질은 30-46kDa 정도의 크기이며, 연결된 3개의 도메인으로 구성된다. N-terminal 부분의 징크 결합 도메인(zinc binding domain), 촉매 반응이 일어나는 핵심 도메인(core domain), 그리고 C-terminal의 DNA 결합 도메인으로 구성되어 사량체(tetramer)로 기능한다고 알려져 있다 (그림 1).

그림 1. HIV 인테그레이즈의 구조 ()

인테그레이즈의 작용기전

λ Int 단백질

λ Int 단백질은 파지의 attP(phage)자리와 세균의 attB(bacteria)자리간의 특이적인 재조합을 촉진한다. attP와 attB 자리는 30bp 정도 길이의 중앙 핵심부분을 가지고 있고, 이 부분은 2개의 λ Int 결합자리와 1개의 가닥교환이 일어나는 교차부위로 이루어져 있다. attP는 attB와는 달리 240bp정도로 길이가 훨씬 길고, 추가적인 단백질들이 결합할 수 있는 자리로 이루어져 있다. 통합(integration)과정에는 attP, attB, λ Int, 통합숙주인자(Integration Host Factor, IHF)가 참여하고 통합숙주인자는 DNA에 결합하여 DNA를 크게 구부림으로써 팔(arm)부분과 핵심 부분을 가깝게 하여 λ Int가 쉽게 결합할 수 있도록 해준다. 결과적으로 파지 DNA는 숙주의 염색체 내부로 들어가 attL과 attR 자리가 형성되고 재조합이 완료된다. λ Int는 절제(excision)과정에도 작용하는데, 이때는 Xis 단백질이 관여하여 DNA를 구부리고 IHF와 λ Int 단백질이 작용하여 attL과 attR 사이의 재조합이 일어나게 된다 (그림 2).

그림 2. λ Int 단백질에 의해 일어나는 서열 특이적 재조합 과정 (출처: 한국분자·세포생물학회)

IN 단백질

IN 단백질은 레트로바이러스의 프로바이러스를 숙주 유전체로 삽입하는 과정을 촉진한다. 프로바이러스의 DNA에는 수백 염기에 해당하는 길이의 긴 말단 반복서열(Long Terminal Repeat, LTR)이 존재하는데, IN 단백질은 바이러스 cDNA의 긴 말단 반복서열 근처에 달라붙는다. IN 단백질은 LTR 부분의 보존된 'CA'부분에 틈(nick)을 만들어 바이러스 DNA의 양 끝에 자유로운 3‘-OH기를 형성한다. 바이러스의 자유로운 3’-OH기는 숙주의 DNA를 공격하여 가닥을 이동시킴으로써(strand transfer) 통합과정이 완료된다 (그림 3).

그림 3. HIV 인테그레이즈의 작용기전 ()

참고문헌

Molecular Biology of the Gene (7판),

Mayilaadumveettil Nishana et al, June 2017, HIV integrase inhibitor, Elvitegravir, impairs RAG functions and inhibits V(D)J recombination. Cell Death and Disease.

Hare S, Gupta SS, Valkov E, Engelman A, Cherepanov P (March 2010). 'Retroviral intasome assembly and inhibition of DNA strand transfer'. Nature. 464 (7286): 232–6.

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