유전자 전이제

Gene transfer agent
일반적인 페이징(박테리오파지) 감염 및 전도가(A)와 일반 GTA(Gene Transferency) 생산 및 전도가(B)의 비교.

유전자 전달제(GTAs)는 일부 박테리아와 고고학에 의해 생성되고 수평적 유전자 전달을 중재하는 DNA 함유 바이러스 같은 입자다. 다른 GTA 유형은 여러 박테리아와 고고학 계열의 바이러스로부터 독립적으로 유래되었다. 이 세포들은 세포에 존재하는 DNA의 짧은 부분을 포함하는 GTA 입자를 생성한다. 이 입자들이 생산자 세포에서 방출된 후, 그들은 관련 세포에 부착되어 세포질에 그들의 DNA를 주입할 수 있다. 그러면 DNA는 수신 세포의 게놈의 일부가 될 수 있다.[1][2][3][4]

유전자전달물질 발견

Schematic drawing of GTA assays.
유전자 전달 물질을 검출하는 방법. (A) 1974년 마르스가 사용한 방법. (B) 세포가 없는 추출법.

최초의 GTA 체계는 1974년에 발견되었는데, 이때 로도박터 캡슐라투스 균주의 혼합 배양균이 새로운 유전자 조합을 가진 세포의 높은 빈도를 생성하였다.[5] 담당 인자는 세포 접촉으로부터 독립적이고, 디옥시리보뉴클레스에 둔감하며, 페이징 생산과는 관련이 없는 것으로 알려진 유전자 전달 메커니즘과 구별되었다. 그것의 추정된 기능 때문에 그것은 유전자 전달 물질로 명명되었다. 더 최근에는 유전적으로 구별되는 변종으로 여과된 (세포가 없는) 배양 배지를 배양함으로써 다른 유전자 전달 물질 시스템이 발견되었다.[3]

GTA 유전자와 진화

Schematic diagrams of typical prophage and GTA gene clusters.
일반적인 프로페지 및 GTA 유전자 군집.
알려진 박테리아 유전자 전달 물질 간의 계통 생성 관계의 도식도.
Schematic diagram of the evolutionary forces that act on bacterial gene transfer agent and the cells that produce it.
박테리아 유전자 전달 물질에 작용하는 진화적 힘과 그것을 생산하는 세포.

GTA를 지정하는 유전자는 숙주 염색체에 통합된 박테리오파지(피지) DNA에서 유래한다. 그러한 프로페저는 종종 결함이 있고 페이징 입자를 생성하지 못하는 돌연변이를 얻는다. 많은 박테리아 게놈은 하나 이상의 불완전한 돌연변이와 삭제를 거친 하나 이상의 결함이 있는 프로페지를 포함하고 있다. 유전자 전달 물질은 결함이 있는 프로포즈와 마찬가지로 프로포즈의 돌연변이에 의해 발생하지만, 페이징 입자(구조적 유전자)의 머리와 꼬리 성분과 DNA 포장을 위한 유전자의 기능 유전자를 보유하고 있다. 그것의 규제와 DNA 복제를 명시한 페이지는 일반적으로 삭제되었고, 구조 유전자의 성단의 표현은 세포 규제 시스템의 통제 하에 있다. GTA 생산이나 흡수에 기여하는 추가 유전자는 보통 다른 염색체 위치에 존재한다. 이들 중 일부는 규제 기능을 가지고 있으며, 다른 일부는 GTA 생산(예: 페이징 파생 용해 유전자) 또는 흡수 및 재조합(예: 세포 표면 캡슐 및 DNA 전달 단백질 생산)에 직접 기여한다. 이러한 GTA 관련 유전자들은 종종 주요 GTA 유전자 군집과 조정된 규제를 받는다.[6] 그 다음 페이지에서 유래된 세포투석 단백질(홀린과 엔돌리신)은 세포벽과 막을 약화시켜 세포가 터지고 GTA 입자를 방출할 수 있게 한다. 각 세포에서 생성되는 GTA 입자의 수는 알려져 있지 않다.

일부 GTA 시스템은 그들의 숙주 게놈에 최근 추가된 것으로 보이지만, 다른 것들은 수백만 년 동안 유지되어 왔다. 시퀀스 분리에 대한 연구가 수행된 경우(dN/dS 분석) 단백질 기능에 대한 자연 선택에 의해 유전자가 유지되고 있음을 나타낸다(즉, 결함 버전이 제거되고 있음).[7][8]

그러나 이 선택의 본질은 명확하지 않다. GTA의 발견자들은 유전자 전이가 입자의 기능이라고 가정했지만, 유전자 전이의 추정된 편익은 모집단에 상당한 비용이 든다. 이 비용의 대부분은 GTA를 생성하는 세포가 자신의 GTA 입자를 방출하기 위해 lyse (burst open)해야 하기 때문에 발생하지만, 대부분의 새로운 조합은 대개 원래 조합보다 덜 적합하기 때문에 새로운 유전자 조합을 만드는 것과 관련된 유전적 비용도 있다.[9] 한 가지 다른 설명은 GTA 유전자가 지속된다는 것이다. 왜냐하면 GTA는 새로운 세포에 감염적으로 퍼지는 유전 기생충이기 때문이다. 그러나 GTA 입자가 일반적으로 너무 작아서 이를 암호화하는 유전자를 포함하지 못하기 때문에 이것은 배제된다. 예를 들어 주 RcGTA 클러스터(아래 참조)는 길이가 14kb이지만 RcGTA 입자는 4~5kb의 DNA만 포함할 수 있다.

대부분의 박테리아는 GTA의 존재를 위해 검사되지 않았으며, 더 많은 GTA 시스템이 발견되기를 기다릴 수 있다. GTA 관련 유전자에 대한 DNA 기반 조사는 많은 게놈에서 호몰로그를 발견했지만 GTA를 인코딩하는 유전자와 일반 프로페지 유전자를 구분하기 어려워 해석이 방해받고 있다.[7] [8]

GTA생산

Schematic diagram showing steps in the production of bacterial gene transfer agents.
박테리아 유전자 전달제 생산의 전형적 단계. (1) GTA 유전자의 전사 및 번역. (2) GTA 구조 단백질의 결합을 빈 머리와 미첨부 꼬리로 한다. (3) DNA의 '머리' 부분을 머리로 포장하고 꼬리를 붙인다. (4) 세포의 용해

실험실 문화에서, GTA의 생산은 일반적으로 GTA 유전자의 전사를 유도하는 특정한 성장 조건에 의해 극대화된다; 대부분의 GTA는 많은 프로페저를 유도하는 DNA 손상 치료법에 의해 유도되지 않는다. 최대 유도 조건 하에서 조차도 문화의 극히 일부만이 일반적으로 1% 미만인 [10][11]GTA를 생산한다.

GTA 생산의 단계는 페이지 감염의 단계로부터 유래한다. 구조 유전자는 먼저 옮겨 번역되고, 단백질은 텅 빈 머리와 붙지 않은 꼬리로 조립된다. 이어 DNA 포장 기계는 각 머리에 DNA를 포장해 머리가 가득 차면 DNA를 잘라내고, 머리에 꼬리를 붙인 뒤 새로 만든 DNA를 새로운 빈 머리 쪽으로 옮겨간다. 프로페지 유전자와 달리 GTA를 인코딩하는 유전자는 게놈에서 배설되지 않고 GTA 입자의 포장을 위해 복제된다. 가장 잘 연구된 두 개의 GTA(RcGTA와 BaGTA)는 GTA 인코딩 유전자의 과대 표시 없이 세포 내의 모든 DNA를 무작위로 포장한다.[10][12] 각 세포에서 생성되는 GTA 입자의 수는 알려져 있지 않다.

GTA 매개 전송

Schematic diagram of genetic transduction by bacterial gene transfer agents
(1) 박테리아 유전자 전달 물질에 의한 유전적 전이. (1) GTA 입자는 적절한 수신자 세포를 만난다. (2) 입자는 세포에 부착되어 그들의 DNA를 주입하고, 세포 단백질은 DNA를 내막을 가로질러 변환시킨다. (3) 수신자 게놈과 재결합할 수 없으면 DNA가 분해된다. (4) 수신자와 유사한 염기서열을 가진 DNA 게놈은 재조합을 겪는다.

GTA 입자의 방출이 DNA의 새로운 게놈으로의 전이로 이어지는지는 몇 가지 요인에 달려 있다. 첫째, 입자는 환경에서 생존해야 한다 – 비록 실험실 조건에서 입자가 상당히 불안정하다고 보고되지만, 이것에 대해서는 거의 알려져 있지 않다.[13] 둘째로, 입자는 적절한 수신자 세포, 대개 동일하거나 밀접하게 연관된 종의 구성원과 마주하고 붙어야 한다. 페이지와 마찬가지로, GTA는 DNA를 주입하기 전에 수신자 세포 표면의 특정 단백질이나 탄수화물 구조에 부착된다. 페이지와는 달리 잘 연구된 GTA는 수신자 세포질을 둘러싸고 있는 두 개의 막 중 첫 번째에만 DNA를 주입하는 것으로 보이며, 그들은 이중 가닥 DNA의 한 가닥을 내막을 가로질러 세포질 속으로 운반하기 위해 페이지에서 유래된 것이 아니라 역량으로 파생된 다른 시스템을 사용한다.[14][15]

만약 세포의 재조합 수리 기계가 들어오는 DNA와 매우 유사한 염색체 배열을 발견한다면, 그것은 세포의 RecA 단백질에 의해 매개된 동음이의 재조합에 의해 전자를 후자로 대체한다. 만약 시퀀스가 동일하지 않으면, 이것은 새로운 유전적 조합을 가진 세포를 만들 것이다. 그러나, 만약 들어오는 DNA가 세포의 DNA 서열과 밀접한 관계가 없다면, 그것은 분해될 것이고, 세포는 DNA 복제를 위해 그것의 뉴클레오티드를 재사용할 것이다.

특정 GTA 시스템

RcGTA(Rhodobacter Capsulatus)

Rhodobacter Capsulatus 유전자 전달제 RcGTA의 규정도

R. Capsulatus GTA(RcGTA)라는 이름의 알파프로테오박테리움 로도박터 캡슐라투스가 생산하는 GTA는 현재 가장 잘 연구된 GTA이다. R. Capsulatus의 실험실 배양균이 정지 단계에 들어가면 박테리아 집단의 부분집합은 RcGTA의 생성을 유도하고, 이후 세포 투석을 통해 입자가 세포에서 방출된다.[11] 대부분의 RcGTA 구조 유전자는 박테리아 염색체에 있는 약 15 kb의 유전자 군집으로 암호화되어 있다. 그러나, 세포 용해에 필요한 유전자와 같이 RcGTA 기능에 필요한 다른 유전자는 별도로 위치한다.[2][16] RcGTA 입자는 4.5 kb의 DNA 파편을 함유하고 있으며, RcGTA 유전자 군집 부위에서 2배의 딥을 제외한 전체 염색체를 균등하게 표현하고 있다.

GTA 생산과 전도의 규제는 R. Capsulatus에서 가장 잘 연구되어 왔는데, R. Capsulatus에서는 주요 RcGTA 유전자 군집뿐만 아니라 홀린/endolysin 세포 용해 시스템, 입자 헤드 스파이크, 부착 단백질(잠정 꼬리 섬유), 캡슐과 DNA 처리 g의 CtrA-인스포레이 제어 표현도 포함된다.RcGTA 수신자 기능에 필요한 enes. 특성화되지 않은 확률적 과정은 유전자 군집의 발현을 더 제한하는데 세포의 0.1-3%에 불과하다.

RcGTA와 같은 성단은 알파벳의 큰 하위 표지에서 발견되지만, 유전자 역시 삭제에 의해 자주 상실되는 것으로 보인다. 최근 로도박테랄의 여러 멤버가 기능적인 RcGTA와 같은 입자를 생산한다는 것이 증명되었다. RcGTA에 대한 호몰로학을 가진 유전자의 그룹은 다양한 종류의 알파프로테오박테리아 염색체에 존재한다.[7]

DsGTA(디노로세박터 시바에)

D. 시바에는 R. Capsulatus와 마찬가지로 오더 로도박테랄리스의 일원이며, 그 GTA는 유전자 조직, 짧은 DNA 조각의 포장(4.2kb), 정족수 감지 및 CtrA 인광레이에 의한 규제 등 RcGTA와 공통의 조상 및 많은 특징을 공유하고 있다.[17] 그러나, 그것의 DNA 포장 기계는 훨씬 더 특수성을 가지고 있는데, 그것은 게놈의 특정 부위에서 포장을 우선적으로 시작할 수 있음을 암시한다. 주요 DsGTA 유전자 군집의 DNA는 매우 형편없이 포장되어 있다.

BaGTA(바토넬라 종)

바르토넬라 종은 R. capsulatus, D. sibae와 같은 알파프로테오박테리아에 속하지만 BaGTA는 RcGTA와 DsGTA와는 관련이 없다.[18] BaGTA 입자는 RcGTA보다 크며 14 kb의 DNA 파편을 함유하고 있다. 비록 이 용량은 원칙적으로 BaGTA가 14kb GTA 클러스터를 패키징하고 전송할 수 있지만, DNA 커버리지의 측정은 클러스터에 대한 커버리지가 줄어든 것을 보여준다. 커버리지가 높은 인접 지역은 국소 DNA 복제 때문인 것으로 생각된다.[12]

VSH-1(Brachyspira hyodysenteriae)

Brachyspira는 스피로체테의 속이다; 몇몇 종들이 동질 GTA 유전자 군집을 운반하는 것으로 보여진다. 입자에는 7.5kb의 DNA 파편이 들어 있다. VSH-1의 생산은 DNA 손상제인 미토마이신 C와 일부 항생제에 의해 촉진된다. 또한 검출 가능한 세포 용해와도 관련이 있으며, 이는 문화의 상당 부분이 VSH-1을 생산하고 있을 수 있음을 나타낸다.[19]

Dd1(Desulfovibriondesulfuricans)

D. 데설푸리칸스는 델타프로테오박테리아에 있는 토양 세균이다; Dd1은 13.6 kb의 DNA 조각을 포장한다.

VTA(Methanococcus voltae)

M. voltae는 고고학자로, 그것의 GTA는 4.4 kb의 DNA 조각들을 옮기는 것으로 알려져 있지만 다른 특징들은 없다.[20]

참고 항목

참조

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  2. ^ a b Lang AS, Zhaxybayeva O, Beatty JT (June 2012). "Gene transfer agents: phage-like elements of genetic exchange". Nature Reviews. Microbiology. 10 (7): 472–82. doi:10.1038/nrmicro2802. PMC 3626599. PMID 22683880.
  3. ^ a b Stanton TB (April 2007). "Prophage-like gene transfer agents-novel mechanisms of gene exchange for Methanococcus, Desulfovibrio, Brachyspira, and Rhodobacter species". Anaerobe. 13 (2): 43–9. doi:10.1016/j.anaerobe.2007.03.004. PMID 17513139.
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