기술동향
크리스퍼 카스 스페이서 획득의 분자적인 메커니즘
- 등록일2020-12-23
- 조회수5274
- 분류기술동향
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자료발간일
2020-12-17
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출처
생물학연구정보센터(BRIC)
- 원문링크
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키워드
#크리스퍼#스페이서#크리스퍼 카스#프로토스페이서#박테리아
- 첨부파일
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크리스퍼 카스 스페이서 획득의 분자적인 메커니즘
많은 박테리아와 고세균은 외래 DNA의 작은 조각을 그들의 크리스퍼 좌위(loci)에 포함시키는 능력을 가지고 있고 해당 DNA 조각을 ‘스페이서’라고 부른다. 이들이 크리스퍼 RNA (crRNAs)로 전사되면 카스 핵산 분해효소가 상보적인 핵산을 분해하도록 안내하는 역할을 하고 이러한 과정을 ‘크리스퍼-카스 면역 반응’이라 한다. 이 논문에서는 스페이서를 획득하는 분자적인 메커니즘의 진보된 연구와 새롭게 얻은 스페이서로부터 최적의 면역까지의 연결을 밝혀낸 연구를 소개한다. 마지막으로 스페이서 획득 연구의 잠재적인 중요성과 응용의 효과를 논의한다.
박테리아와 고세균은 외래 핵산에 자주 노출된다. 이것은 항생제 저항성 유전자를 가지는 플라스미드나 용원성 파지(Temperate phage)의 병독성 인자처럼 그들에게 유익한 유전 물질을 얻을 수 있게도 할 수 있지만, 트랜스포존이나 독성 파지처럼 그들에게 해로운 유전 물질을 얻게 할 수도 있다.
이러한 이득과 위험 사이의 균형을 맞추기 위하여 박테리아와 고세균은 세포로 들어오는 핵산을 점검하는 여러 경로를 진화 시켜 왔다.크리스퍼와 카스 유전자는 들어오는 핵산을 제한하는 하나의 메커니즘이다.
크리스퍼-카스 시스템은 크리스퍼 좌위의 리핏(Repeat) 서열 사이에 외래 유전자의 작은 조각을 포함시킨다 (그림 1a). 약 45%의 박테리아와 85%의 고세균에서 발견되는 크리스퍼 시스템은 카스 유전자에 따라 2가지 클래스, 6가지 타입, 20가지 서브타입으로 분류된다. 6가지 타입은 각각 다른 외래 핵산 분해 복합체를 사용한다.
타입 I, II, V 시스템은 DNA를, 타입 VI 시스템은 RNA를, 타입 III 시스템은 RNA와 DNA 모두를 표적으로 한다(타입 IV 시스템은 아직 실험적으로 특정화되지 않았다).
이와는 다르게 스페이서 획득에 사용되는 카스1과 카스2는 각각의 타입 내에서 보존된다. 스페이서 획득에는 외래 유전자에서 스페이서를 포획하는 단계(‘프로토스페이서’라고 불림)와 스페이서를 크리스퍼 좌위에 연결시키는 단계로 나눌 수 있다.
첫 번째 단계에서는 외래 유전자에서 프로토스페이서를 선택하고, 두 번째 단계에서 몇 가지 과정을 거쳐 스페이서를 크리스퍼 좌위로 연결한다.
최근 연구에서 스페이서 획득의 분자적 메커니즘과 서로 다른 크리스퍼 타입의 표적화 메커니즘의 관계를 밝혔다. 이 논문은 현재 스페이서 획득 모델을 검토하고, 기본적인 과학 연구와 응용 측면에서의 미래에 대한 논의를 담았다.
새로운 스페이서의 연결
카스1-카스2 인테그레이즈(integrase)
카스1은 6가지 크리스퍼 타입들에서 보존되는 단백질이다. 카스1은 트랜스포존 클래스의 핵심 효소로 진화하여 크리스퍼-카스 면역 시스템의 기초를 형성하게 된 것으로 보고 있다.
카스1은 카스2와 상호작용하여 스페이서 인테그레이즈의 역할을 하는 복합체를 형성한다.
이종 육합체 [(카스12-카스2) 2]는 2개의 분리된 DNA에 결합하는 영역, 1개의 프로토스페이서에 결합하는 영역과 1 개의 크리스퍼 어레이(CRISPR array)에 결합하는 영역이 있다.
카스1-카스2 복합체에 스페이서가 붙으면 2 번의 핵산 절단-연결 반응을 수행한다. 처음에는 크리스퍼 어레이의 첫 번째 리핏(Repeat)의 리더(Leader)끝에서 진행되고 다음으로는 리핏의 스페이서 끝에서 진행된다 (그림 1a). 이 반응에서 프로토스페이서의 각 3’-OH 말단은 리핏 DNA의 끝에 친핵성 공격을 수행한다.
이 반응의 생성물은 이중 가닥 DNA인 프로토스페이서와 단일 가닥 DNA인 리핏 서열이 연결된 중간체가 생성된다. 단일 가닥 DNA의 틈은 DNA 중합 효소로 채워지고 연결되는 것으로 예상된다. 이를 통해 스페이서의 삽입과 리핏의 복제가 동시에 일어난다.
...................(계속)
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