유전자 전달 및 재배열의 자연발생적 메커니즘

유전자 전달 및 재배열의 자연발생적 메커니즘에 대해 알아보자.

박테리아는 글자 그대로 하룻밤 사이에라도 전혀 다른 생화학적 능력(예, 주변의 항생제를 분해하거나 유해 화학물질의 독성을 없애는 능력)을 획득하여 발현할 수 있다. 이러한 변화는 유전과 염색체 내의 조그만 진화로는 설명할 수 없다. 그보다는 한 미생물로부터 다른 한 미생물로의 유전자 전달과 (또는) 염색체 내 DNA상의 대규모 재배열에 기인한다. 이번 시간에는 유전학적 세포 조작에 이용될 수 있는 유전자 재조합. 유전자 전달, 유전자 재배열에 대하여 논의하고자 한다.

 

유전자 재조합 (genetic recombination)
유전자 재조합이란 염색체상의 두 개의 다른 유전체(genome) 로 부터 취한 유전 요소(genetic element)들을 한 단위로 합침으로써 돌연변이 없이도 새로운 유전형을 만드는 과정을 말한다. 진핵생물의 경우 DNA 수리의 과정에서 유사 분열이 발생하는 경우, 그리고 감수 분열의 과정에서 일어나는 염색체 접합에 의해 이루어진다. 특히 감수 분열에서 일어나는 염색체 접합은 자식 세대가 부모 세대와는 다른 유전자 조합을 갖도록 하여 대립형질의 발현빈도가 달라지게 된다. 진화생물학에서는 유전자 재조합을 유성생식의 중요한 이점으로 파악한다. 원핵생물에서는 유전자 재조합이 드물게 일어나지만, 생태학적으로나 산업적으로는 중요할 만큼 충분한 정도로 빈번하게 일어난다.

 

유전자 재조합 기술을 이용하면 적은 비용으로 여러 가지 유용한 단백질을 생산할 수 있다. 당뇨병 치료제인 인슐린, 항바이러스 물질인 인터페론, 심장 질환 치료에 이용되는 혈전 분해 단백질, 사람의 발육을 증진시키는 성장 호르몬과 같은 단백질들이 유전자 재조합 기술을 통해 생산되고 있다. 유전자 전달의 세 가지 주요 메커니즘은 형질변환(transformation), 형질도입(transduction), 그리고 접합(conjugation)이다. 형질변환이란 세포가 자유 DNA를 받아들이는 공정이다. 형질도입이란 박테리오파지(bacteriophage)에 의해 DNA가 전달되는 공정이고, 접합이란 서로 직접 접촉하는 원상 그대로의 세포 간의 유전자 전달 공정이다.

일단 공여(donor) DNA가 세포 안에 들어오면, 다음에 있을 재조합 메커니즘은 어떤 과정을 통해 공여 DNA가 세포 내에 삽입되었는가와는 근본적으로 무관하다. 공여 DNA는 수령(recipient) DNA와 상동적(homologous)이거나 거의 상동적이어야 한다. 적당한 조건에서는 세포 내 효소들이 수령 DNA의 동종성 부분을 잘라 내어 공여 DNA가 삽입되게 한 후, 공여 DNA의 끝을 수령 DNA에 붙이거나 연결해 준다.

세포가 외부 물질이라고 인식하는 공여 DNA 조각은 보통의 경우 핵 내부 분해 제한효소(restriction endonuclease)라고 불리는 효소(이 효소들은 유전자 공학에 있어서 필수적이다)들에 의해 분해된다. 세포는 자기 DNA를 외래 DNA와 구별하기 위해 표식을 한다(예, 특정 피리미던 또는 퓨린 염기의 메틸화 반응을 통해). 이러한 표식은 세포 내의 핵 내부 분해 제한 효소가 세포 자체가 갖는 DNA에 작용하는 것을 막는다. 자연조건하에서 유전자 전달은 공여 DNA가 같은 종 또는 가까이 연관된 종으로부터 온 것일 때 효과가 있다.