분자유전학실험실 (단국대학교 분자생물학과)



 이성욱 ( 2009-12-04 13:54:54 , Hit : 4811
 박테리아의 면역시스템 규명


KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-12-01

박테리아는 편안한 삶을 살지 못한다. 박테리아를 에워싸는 포유류의 면역시스템과 함께 자연적인 적수인 박테리오파지 (bacteriophage)가 이들을 위협한다. 이 박테리오파지는 이틀에 한 번씩 전지구상의 모든 박테리아의 절반을 죽이고 있다. 아직까지 박테리아와 최근 심해 화산 배출구의 극단적인 환경에서 발견된 고세균 (archaea)이라 불리는 미생물은 부분적으로 많은 바이러스와 다른 침입자로부터 자신을 보호할 수 있는 방어시스템을 갖고 있기 때문에 생존할 수 있다.
미국 조지아 대학 (University of Georgia)의 연구자들은 어떻게 이 박테리아의 방어시스템이 작동하는지를 알아내었으며 이를 통해서 새로운 종류의 표적 항생제를 개발할 수 있는 가능성을 열었다. 뿐만 아니라 이러한 기술을 바탕으로 미생물의 유전자 기능을 연구하는 새로운 수단을 개발할 수 있게 되었다. 그리고 요구르트나 치즈와 같은 식품을 생산하는데 식품 및 생명공학기업들이 좀더 안정적인 박테리아 배양방법을 개발할 수 있는 길을 열었다. 이번 연구는 학술지인 <Cell>지에 발표되었다 < Hale, C.R. et al. Cell 139 (5): 945-956, doi:10.1016/j.cell.2009.07.040>.

조지아 대학의 생화학 및 분자생물학 교수인 마이클 턴스 (Michael Terns)는 “어떻게 박테리아가 자신을 방어하는가는 우리에게 중요한 정보를 준다. 이러한 정보를 이용해서 우리에게 해로운 박테리아를 약화시키고 도움이 되는 박테리아는 강화시키는 방법을 찾을 수 있을 것이다. 우리는 또한 이 지식을 이용하여 미생물에 대한 빠른 연구방법을 개발할 수 있기를 기대하고 있다”고 말했다.

턴스의 실험실에서 발견된 박테리아의 방어시스템은 바이러스의 표적 입자를 인식하고 물리적으로 결합하는 박테리아 RNA와 이 표적을 잘라내어 결국 바이러스 표적세포를 죽이는 역할을 하는 파트너 단백질의 두 가지 다이내믹 듀오로 이루어졌다. 이 다이내믹 듀오의 침입자를 인식하는 요소 (즉, 바이러스 인식 서열로 이루어진 RNA)는 박테리아와 고세균의 유전체의 특정부분, 기술적으로 이 부분은 보통 CRISPRs라고 불리는 ‘군집형태로 정기적으로 공간사이의 짧은 회문반복 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)’으로 알려져 있다. 하지만 이 CRISPR RNA는 침입자와 홀로 싸울 수는 없다. 침입자에 대항하는 파트너는 CRISPR-연관 유전자 즉, Cas 유전자라 불리는 유전자에서 만들어지는 Cas 단백질 (Cas protein)이다. 이 두 가지 요소는 함께 “CRISPR-Cas 시스템’을 형성하고 이 다이내믹 듀오가 어떻게 바이러스로부터 박테리아를 보호하는지를 이번 논문은 보여주고 있다.

이번 논문의 공동저자인 레베카 턴스 (Rebecca Terns)는 “한 가지 요소는 침입자를 추적하고 매달리는 경찰견과 같고 다른 요소는 이 공격자를 추적하여 침묵시키는 경찰관과 같다. 이 기능은 우리의 면역시스템과 유사하며 지속적으로 감시하고 침입자를 무력화시킨다. 하지만 이 감시는 항체에 의해 이루어지는 것이라기 보다는 미세한 CRISPR RNA에 의해 이루어진다”고 말했다. 이 연구팀이 밝혀낸 것은 CRISPR RNA의 특정한 복합물과 Cas 단백질의 하부단위인 RAMP모듈은 이들이 마무하는 침입자의 RNA를 인식하고 파괴한다. 국립보건연구원의 국립일반의학연구소 (National Institute of General Medical Sciences)의 연구비를 받아 유전적 메커니즘을 연구하고 있는 로리 톰킨스 (Laurie Tompkins) 박사는 “이번 연구는 박테리아의 CRISPR-Cas시스템과 인간의 면역체계 사이의 흥미로운 유사성을 보여줌으로써 질병을 일으키는 박테리아를 표적화하는 새로운 방법을 제안하고 있다. 아마도 CRISPR-Cas를 자살기제로 전환시킬 수 있을 것이며 이를 통해서 자신의 입자를 공격하여 병리적인 박테리아를 죽일 수 있게 하는 방법을 개발할 수 있을 것이다. 이것은 마치 인간의 자기면역질환과 같은 자기파괴과정이 될 것이다”고 말했다.

어떻게 이 시스템이 침입자를 파괴하는가에 대한 이해는 새로운 연구 가능성을 열고 있다. 지금까지 CRISPR은 그 유전체 염기서열이 분석된 박테리아의 유전체의 절반가량과 고세균 유전체 염기서열 전체에서 발견되고 있다. 이러한 널리 퍼져 있는 구조는 CRISPR-Cas 시스템을 조작할 수 있는 가능성을 통해 다양한 분야에 적용할 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어 이번 연구를 통해서 얻어진 지식을 이용하여 턴스 연구팀은 박테리아 세포에서 선택적으로 표적 RNA를 분리할 수 있는 새로운 CRISPR RNA를 제작하는 계획을 가지고 있다. 마이클 턴스는 “산업적으로 효소를 개발하여 배양된 박테리아를 완전히 제거하는 바이러스를 표적화할 수 있거나 박테리아 자체의 유전물질을 표적화할 수 있다”고 말했다. 레베카 턴스는 “믿거나 말거나 우리는 최근에 이 미생물이 유전적으로 얻어진 면역시스템을 갖고 있다는 것을 알게 되었다”고 말했다. 놀랍게도 과학자들은 이 박테리아의 면역시스템에 대한 증가하고 있는 지식을 상용화할 수 있는 위치에 서 있다.

출처: <Science Daily> 2009년 11월 30일
참고자료: Hale, C.R. et al. ‘RNA-guided RNA cleavage by a CRISPR RNA-Cas protein complex’ Cell 139 (5): 945-956, doi:10.1016/j.cell.2009.07.040  


출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2009/11/091125134703.htm










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