[감염병학] 세균의 유전학

세균은 어떻게 유전 정보를 주고받는지 알아보고 유전공학에 활용하자.

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세균의 유전체

- 염색체 + 염색체 외(플라스미드, 파지) 유전요소로 구성

- 히스톤이 아닌 polyamine(스퍼민, 스퍼미딘)에 의해 유지

- 1개의 사본(haploid, n)

- regulatory와 operon(promoter, opreator, structural gene, terminator)로 구성

  * 오페론은 기능을 공유하며 / 함께 조절되는 / 유전자 무리이다. 특정 물질 대사에 관련된 유전자들이 한 오페론 내에 존재한다.

  암기 : 키워드 중심으로 암기한다. 유대인 5분대기조 ~> 오기조, 유대 ~> 오페론, 기능(공유), 조절(함께), 유전자 무리, 대사 / 따라서 한 promoter에 의해 조절된다.

- cAMP는 내부 신호 전달에 의해 유전자 발현을 유도

 

센트럴 도그마

- transcription(DNA - mRNA)과 translation(mRNA - 단백질)이 거의 동시에 일어난다.

  * 원핵세포는 핵막이 없으니까 세포질에서 전사와 번역 모두 일어나는 것이다.
- 전사의 개시 조절은 조절단백을 통한 양성적 조절과, 억제자가 없을 때 발현되는 음성적 조절이 있다.

 

lac operon

lactose만 있을 때 lactose 분해 효소 유전자의 전사를 촉진한다.

  * lactose 감별배지로 대장균을 감별할 수 있다. 즉 대장균은 lac operon을 가진다.

 

과정 : 평시에는 repressor가 operator에 결합하여 락토즈 대사를 막는다. 그러나 lactose가 allolactose로 대사되어 inducer로 작용하여 repressor에 결합하면, 불활성억제자가 되어 operator에 붙지 않는다. 이로 인해 mRNA 발현되고 효소가 만들어진다. 여기에 더해 promoter에 cAMP+CAP(activator)가 붙으면 유전자 발현이 크게 증가한다.

  즉 inducer가 억제자를 억제해야 lactose 대사가 가능하다. activator는 프로모터, 억제자는 작동유전자(operator)에 결합하는 것도 알아둔다.

2015 수능 복수정답 문제

수능 복수정답으로 유명했던 이 문제를 풀 수 있다. operator 옆이 promoter이고, B는 promoter 결실되어 젖당 분해효소가 만들어지지 않은 것이다. 

 

한편 trp operon은 트립토판 고농도일 때  3-4가 겹치고, 저농도일 때 2-3이 겹쳐서 트립토판 농도를 적정 수준 유지한다.

 

병원성유전자섬(pathogenic island)

- large genomic region에서 특정 구조물이나 특정 과정의 단백질 전체가 발현된다.

- 대장균, 살모넬라, 페스트균의 제3형 분비계가 예시이다.

 

DNA 복제

- oriC에서 양뱡향으로 진행된다. 반보존적이며 합성 방향은 5'-3'이다.

  반보존적(semi) 복제는 parent DNA 나선 하나씩 새로운 DNA 나선과 붙는 것이다.

- topoisomerase(gyrase)는 비틀림을 해소하여 세균 생존에 필수적인데, '-floxacin'으로 끝나는 quinolone계 항균제가 표적으로 삼는다.

 

세균의 증식

- 단세포생물의 성장은 곧 세포분열을 통한 숫자 증가다.

- 이분법은 세포벽 확장-염색체 복제-중격 형성-세포 분리 과정을 거친다.

  암기 : 먼저 벽이 늘어나야 복제가 일어날 자리가 생긴다. 염색체가 복제되어 나눠지면 38선 치는 것처럼 중격이 생기고, 결국 분리된다.

- 세대시간(2배)은 대장균 20분, 황포 40분 정도지만 mycobacterium 속의 항산성균은 대체로 길다. 결핵균 16시간, 나균 2주

- 증식준비기, 대수증식기, 정체기, 사멸기의 4단계를 거친다.

 

세균 돌연변이와 수선

- 돌연변이 : silent, missense(과오 - 아미노산 변경), nonsense(종결코돈으로 변경)가 있다.

- 과오 돌연변이는 보존적(성질 비슷한 아미노산), 비보존적으로 나뉜다.

  * 교차형 점돌연변이(퓨린-피리미딘 계열간 변경)의 효과가 더 크지만, 전이형점돌연변이 역시 비보존적 과오 돌연변이를 유발할 수 있다.

 

돌연변이원(mutagen)

- 물리적 요인 : 열, 자외선, 이온화 방사선

- 화학적 요인 : 뉴클레오티드-염기 유사체(5-bromouracil), 틀이동 돌연변이원(ethidium bromide, acridine 유도체), DNA-반응성 화학물질(HNO2, 알킬화제)

  * NBA는 가면을 쓰고 DNA에 치환되고, FM은 염기쌍 사이에 삽입된다.

 

DNA 수선 기전

1. direct DNA repair (직접) : 알킬화 염기나 피리미딘 이량체 등 손상부위를 직접 효소로 제거

2. excision repair (제거) : 손상된 DNA 절편을 제거하고 새로운 가닥을 삽입

3. recombination or post-replicational repair : 비상동의 경우 그냥 붙여서 유전 정보가 손실될 수 있다.

4. SOS 반응 : 레카 단백질(RecA)이 억제자 렉사(LexA)를 억제하여 개시된다. SOS 유전자들이 발현

  암기 : 납치범 렉사(LexA)는 DNA들이 경찰에 신고하지 못하도록 막고 있었는데, 레카가 와서 렉사를 없애주면 비로소 SOS를 칠 수 있게 된다.

5. error-prone repair (오류 유발) : 세균이 죽기 전, 아무 염기라도 붙인다.

 

유전자 교환

플라스미드, 파지, transposon을 매개체로 한다.

 

플라스미드

- 세균 염색체와는 독자적으로 복제된다.

- 대부분 환상 이중 DNA이다. cf.라임병균은 플라스미드가 선형

- pilus로 접합하여 다른 세균에게 전달 가능하다.

- 세균 생존에 필수적이지는 않지만 선택적 장점(항생제 내성, 독소)

- F는 대장균에서 발견되고 R은 항균제 내성 유전자를 가진다.(Resistant의 R이라고 생각한다.)

 

박테리오파지

- 세균을 숙주로 하는 바이러스

- 용균성(숙주세균 파괴), 용원성 감염(숙주와 함께 증식)으로 나뉜다.

  암기 : 박테리오파지는 세균 담당일진으로 볼 수 있다. 용균성은 균을 제거한다. 용원성은 함께한다. 디프테리아균의 독성은 용원성 phage로 인해 유발된다.

 

전위유전단위(transposon)

- 이동성 유전요소이다.

- 가운데에는 특정 유전자가 있고 왼쪽과 오른쪽에 역반복된 염기서열이 있다.

 

세균 사이의 유전자 전이 기전

- 접합(conjugation), 형질전환(trans/formation), 형질도입(trans/duction), 전위유전단위(transposon)가 있다.

- 접합은 pilus 꽂고 플라스미드 복제하는 것이고, 형질전환은 죽은 세포 DNA 단편을 주워먹는 것이고, 형질도입은 파지를 받는 것이다. 전위유전단위는 위에서 언급했다.

  암기 : 형질'도'입은 trans'duc'tion이다. 전환은 DNA 단편을 주워먹는 것이다.(전환길이 음식을 주워먹는 모습 상상)

- 이러한 전이에 의해 항생제 내성을 가진 황색포도알균인 MRSA, VRSA가 등장했다.

 

형질전환

그리피스의 실험 : S형은 smooth ~> 캡슐이 있어서 살아남는다. 죽은 S형의 유전자를 competent한 R형에게 형질전환으로 전달하여 독성을 나타낸다.

 

접합

F+ 세균이 성섬모(sex pilus)를 통해 F-와 연결하여 F 플라스미드 전달한다.

F plasmid에 DNA 단편이 함께 있으면 F' 이다.

 

형질도입

- 박테리오파지가 유전자를 옮기는 것

- 특수(일부 유전자만) vs 일반(무작위 포장)이 있음

 

정족수 감지(quorum sensing)

- 세균들은 auto inducer를 내뿜는다.

- AHL이 나가서 쪽수가 많다는 것을 감지하고 돌아오면 target genes 발현 유도됨

 

유전공학

클로닝 및 발현벡터, 염기서열 증폭 및 발현 방법, 제한효소, 연결효소(ligase)를 통해 유전자를 다룬다.

 

벡터

- 작을수록 좋다. 제한효소에 의해 잘려도 외래 유전자 DNA 삽입이 가능해야 한다.

- 전달하려는 크기에 따라 pUC, 람다 박테리오파지, 코스미드 벡터 등을 사용한다.

- 클로닝이란 원하는 DNA 조각을 벡터에 삽입하고 숙주에 도입하는 방법이다.

- 유전자재조합벡터에서 MCS : 잘리는 부분

 

제한효소

- 주로 2형 제한효소를 사용하며, 상보적 염기서열이 노출되도록 sitcky end를 절단한다.

 

다양한 기법

- RFLP (제한효소절편길이다형성) : 전기영동을 거쳐 균주마다 다른 절단부위를 확인한다. (restriction fragment니까 조각을 확인하는 것)

  * 대표적으로 PFGE이다. 식중독 역학조사에서 자주 사용한다.

- WGS(전장유전체시퀀싱) : 모든 염기서열을 시퀀싱 (whole genome이니까 모든 염기서열)

 

질문과 답변

1. 틀 이동 돌연변이(frameshift mutation)는 무엇이며, 점 돌연변이보다 더 큰 변화를 일으키는 이유는 무엇입니까?

틀 이동 돌연변이는 DNA 염기 서열에서 3의 배수가 아닌 한두 개의 염기가 삽입되거나 결실되어 발생합니다. 이로 인해 염기 서열을 읽는 틀(reading frame) 자체가 바뀌게 되어, 이후의 모든 아미노산 서열이 연쇄적으로 변하기 때문에 점 돌연변이보다 훨씬 큰 변화를 초래합니다.

2. 세균이 위급한 상황에서 생존을 위해 사용하는 '오류 발생 가능 수선(Error-prone repair)' 기작에 대해 설명하시오.

오류 발생 가능 수선은 세균이 생존이 위협받는 위급한 상태에서 사용하는 기작입니다. 염기 서열에 오류가 있을 때, 정확한 염기 대신 아무 염기나 무작위로 붙여 틈을 메워 일단 생존을 확보하고, 이후 다른 기전을 통해 수선하는 방식입니다.

3. 플라스미드(Plasmid)는 세균의 생존에 필수적이지 않음에도 불구하고 어떤 이점을 제공할 수 있습니까?

플라스미드는 세균의 생존에 필수적이지는 않지만, 항생제 내성 유전자나 병원성 인자를 발현하는 유전자를 가질 수 있습니다. 이를 통해 세균이 숙주 내부에서 생존하거나 항생제 환경에서 살아남는 데 큰 장점을 제공합니다.

4. R 플라스미드(R plasmid)가 항생제 내성 확산에 기여하는 방식을 설명하시오.

R 플라스미드는 항생제 내성 유전자를 가지고 있으며, 접합(conjugation)을 통해 다른 세균에게 이 유전자를 전달할 수 있습니다. 내성 유전자를 전달받은 세균은 항균제를 분해하거나 불활성화시키는 새로운 효소를 만들어내어 항생제에 대한 내성을 갖게 됩니다.

5. 세균의 유전 물질 전달 방법 중 '접합(conjugation)'은 어떤 과정을 통해 일어나며, 이때 '선모(pilus)'는 어떤 역할을 합니까?

접합은 두 세균이 직접 만나 유전 정보를 교환하는 과정입니다. F 플라스미드를 가진 세균이 선모(pilus)라는 기관을 만들어 다른 세균에 붙어 연결 통로를 형성하고, 복제된 플라스미드 DNA를 이 통로를 통해 전달합니다.

6. 그리피스(Griffith)의 실험에서 죽은 S형 균과 살아있는 R형 균을 함께 주입했을 때 쥐가 사망한 이유는 무엇입니까?

병원성이 없는 살아있는 R형 균이 죽은 S형 균의 DNA 조각을 흡수(형질전환)하여 캡슐을 만드는 능력을 획득했기 때문입니다. 캡슐을 갖게 된 R형 균은 병원성을 지닌 S형 균으로 변환되어 쥐의 면역계를 회피하고 폐렴을 유발하여 쥐를 사망에 이르게 했습니다.

7. F 플라스미드(F plasmid)를 가진 세균(F+)이 F 플라스미드가 없는 세균(F-)을 F+ 세균으로 변화시키는 과정을 설명하시오.

F 플라스미드를 가진 F+ 세균은 선모(pilus)를 만들고 DNA를 복제하는 능력을 가집니다. 이 세균은 선모를 이용해 F- 세균과 연결한 뒤, 자신의 F 플라스미드를 복제하여 상대 세균에게 전달함으로써 F- 세균을 F+ 세균으로 변화시킵니다.

8. '형질도입(transduction)'과 '형질전환(transformation)'의 근본적인 차이점은 무엇입니까?

형질전환은 주는 세포가 죽어서 환경에 노출된 DNA 조각을 다른 세균이 직접 흡수하는 방식입니다. 반면 형질도입은 박테리오파지(바이러스)가 매개체가 되어 한 세균의 DNA를 다른 세균으로 전달하는 방식이라는 점에서 근본적인 차이가 있습니다.

9. 유전 공학에서 벡터(vector)로 사용되는 플라스미드가 가져야 할 주요 특징 두 가지는 무엇입니까? (예: pUC19)

pUC19와 같은 벡터는 외부 유전자를 삽입할 수 있는 다양한 제한 효소 절단 부위가 모여있는 다중 클로닝 부위(Multiple cloning site)와 스스로 복제할 수 있도록 하는 복제 원점(ori)을 가져야 합니다. 또한, 벡터가 성공적으로 도입되었는지 확인할 수 있는 표지 유전자(예: 항생제 내성 유전자)도 필요합니다.

10. RFLP(제한효소 절편 길이 다형성)는 균주 간의 유연관계를 분석하는 데 어떻게 활용됩니까?

RFLP는 제한 효소를 이용해 각 균주의 DNA를 절단했을 때 나타나는 절편의 패턴을 비교하는 기술입니다. 균주마다 DNA 염기 서열이 달라 제한 효소에 의해 잘리는 부위가 다르므로, 절단 후 나타나는 패턴을 시각적으로 비교하여 패턴이 비슷할수록 유연관계가 가깝다고 판단할 수 있습니다.

 

주요 용어

틀 이동 돌연변이 (Frameshift Mutation)
DNA 염기 서열에서 3의 배수가 아닌 개수의 염기가 삽입되거나 결실되어, 염기를 읽는 틀(reading frame)이 밀리면서 전혀 다른 단백질이 생성되는 돌연변이.

무의미 돌연변이 (Null Mutation)
특정 유전자의 기능이 완전히 파괴되는 큰 변화를 일으키는 돌연변이. 주로 큰 DNA 염기 서열이 유전자에 삽입될 때 일어나며, 단백질의 기능이 대부분 사라진다.

상동 재조합 (Homologous Recombination)
DNA가 손상되었을 때, 잘려나간 곳에 상보적인 다른 염기서열을 주형으로 삼아 치환하여 복구하는 수선 방식.

비상동 재조합 (Non-homologous Recombination)
DNA 이중 가닥이 절단되었을 때, 잘려나간 두 조각을 단순히 다시 붙이는 수선 방식. 이 과정에서 유전 정보의 손실이 발생할 수 있다.

SOS 반응 (SOS Response)
DNA가 손상되었을 때 RecA 단백질이 활성화되어, 억제되어 있던 다양한 유전자 복구 시스템을 발현시켜 DNA를 수선하는 비상 생존 기작.

오류 발생 가능 수선 (Error-prone Repair)
세균이 죽기 직전의 위급한 상태에서, 손상된 DNA의 틈을 정확성보다는 속도를 우선하여 아무 염기나 무작위로 끼워 넣어 일단 생존을 도모하는 수선 방식.

플라스미드 (Plasmid)
세균의 염색체와는 별개로 존재하며 자가 복제가 가능한 작은 원형 DNA. 생존에 필수적이지는 않지만 항생제 내성이나 병원성 인자 등 유용한 유전자를 가질 수 있다.

R 플라스미드 (R Plasmid)
항생제 내성 유전자를 가지고 있는 플라스미드. 접합을 통해 다른 세균으로 내성 유전자를 전달할 수 있다.

F 플라스미드 (F Plasmid)
접합에 필요한 유전자를 가진 플라스미드. 선모(pilus)를 만들고 DNA 복제 및 전달 능력을 가져, F-세포를 F+세포로 변화시킬 수 있다.

선모 (Pilus)
세균 표면에 있는 세포 소기관으로, 접합 시 다른 세균과 연결 통로를 형성하여 플라스미드 DNA를 전달하는 역할을 한다.

접합 (Conjugation)
두 세균이 선모를 통해 직접 연결되어 한쪽 세균의 플라스미드 DNA가 다른 쪽으로 전달되는 유전자 교환 방식.

형질전환 (Transformation)
세균이 외부 환경에 있는 다른 세균의 DNA 조각을 흡수하여 자신의 유전체에 통합시키는 과정.

형질도입 (Transduction)
박테리오파지(세균 바이러스)를 매개체로 하여 한 세균의 유전자가 다른 세균으로 전달되는 과정.

일반 형질도입 (General Transduction)
파지가 증식하는 과정에서 파지 DNA 대신 세균의 염색체 DNA 일부를 무작위로 포장하여, 이를 다른 세균에 전달하는 방식.

특수 형질도입 (Specialized Transduction)
용원성 파지가 세균 염색체에서 빠져나올 때, 자신의 DNA와 함께 인접한 특정 세균 유전자 일부를 가지고 나와 다른 세균에 전달하는 방식.

전이인자 (Transposon)
유전체 내에서 한 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있는 DNA 조각. 중앙에 특정 기능(항생제 내성 등)을 하는 유전자가 있고 양쪽에 역반복 서열이 있다.

벡터 (Vector)
원하는 유전자를 숙주 세포(예: 세균) 내로 운반하여 복제 및 발현시키기 위해 사용하는 DNA 운반체. 주로 플라스미드가 사용된다.

제한 효소 (Restriction Enzyme)
특정 염기 서열을 인식하여 DNA를 절단하는 효소. 유전 공학에서는 주로 인식 부위를 정확하게 자르는 2형을 사용한다.

RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism)
제한 효소로 DNA를 절단했을 때 생기는 절편들의 길이 차이를 이용해 개체나 균주 간의 유전적 차이를 분석하는 기술.

PFGE (Pulsed-field Gel Electrophoresis)
맥동 전기영동법. 전기장의 방향을 주기적으로 바꿔주어 매우 큰 DNA 조각을 분리하는 기술로, RFLP 분석 및 역학조사에 사용된다.

전장 유전체 시퀀싱 (Whole-genome Sequencing)
특정 개체의 유전체 염기서열 전체를 읽어 분석하는 방법. 유전적 변이, 항생제 내성 원인 규명 등 정밀한 분석에 사용된다.