셔틀 벡터(Shuttle Vector)란? 하나의 플라스미드가 여러 생물종에서 작동하는 원리

 

 

분자생물학 실험을 하다 보면 흥미로운 사실 하나를 발견하게 돼요. 사람 세포에서 발현되는 단백질도, 효모에서 만들어지는 단백질도, 심지어 박테리아에서 생산되는 단백질도 결국 같은 유전 암호를 사용한다는 점이에요. DNA의 코돈이 아미노산으로 번역되는 규칙은 거의 모든 생명체에서 공통적으로 사용되죠.

하지만 같은 유전 암호를 사용한다고 해서 아무 플라스미드나 원하는 세포에 넣고 사용할 수 있는 것은 아니에요. 대장균에서 잘 작동하는 벡터가 포유류 세포에서는 전혀 작동하지 않을 수도 있고, 효모에서 증식하는 플라스미드가 박테리아에서는 유지되지 않을 수도 있어요.

이 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 바로 셔틀 벡터(Shuttle Vector)예요.

 

셔틀 벡터란 무엇일까?

 

 

셔틀 벡터는 두 종류 이상의 서로 다른 생물종에서 기능할 수 있도록 설계된 벡터를 의미해요.

가장 흔한 예는 대장균(E. coli)과 포유류 세포 사이를 오가는 벡터예요.

연구자들은 일반적으로 유전자 클로닝이나 플라스미드 증폭은 빠르게 자라는 대장균에서 수행해요. 이후 원하는 유전자가 포함된 플라스미드를 정제한 뒤 포유류 세포에 transfection하여 실험을 진행하죠.

즉, 하나의 벡터가

대장균에서는 증폭과 보관 역할
포유류 세포에서는 유전자 발현 역할

을 동시에 수행하는 거예요.

이러한 이유로 대부분의 mammalian expression vector는 사실상 셔틀 벡터라고 볼 수 있어요.

 

왜 일반 플라스미드로는 안 될까?

셔틀 벡터가 필요한 이유는 생물종마다 DNA를 다루는 방식이 다르기 때문이에요.

특히 세 가지 요소가 중요해요.

복제(Replication)
선택(Selection)
발현(Expression)

이 세 가지를 모두 만족해야 벡터가 원하는 생물종에서 제대로 작동할 수 있어요.

 

첫 번째 조건, 복제할 수 있어야 한다

플라스미드가 세포 안으로 들어갔다고 해서 끝이 아니에요.

세포가 분열할 때 플라스미드도 함께 복제되어야 다음 세대 세포에서도 유지될 수 있어요.

이를 위해서는 해당 생물종이 인식할 수 있는 origin of replication(ori)이 필요해요.

대장균 플라스미드에 흔히 들어가는 ColE1 ori는 대장균에서는 잘 작동하지만 포유류 세포에서는 아무 의미가 없어요.

반대로 포유류 세포에서 episomal replication을 유도하는 viral ori는 박테리아에서 사용할 수 없어요.

그래서 셔틀 벡터에는 각 생물종에 맞는 복제 요소가 함께 포함돼요.

예를 들어 효모 셔틀 벡터라면

bacterial ori
yeast ARS(autonomously replicating sequence)

를 동시에 가지고 있는 경우가 많아요.

 

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포유류 벡터는 조금 다르다

포유류 세포에서는 플라스미드 복제가 반드시 필요한 것은 아니에요.

실험 목적에 따라 transient transfection만 수행하는 경우가 많기 때문이에요.

이 경우 플라스미드는 세포 내에 잠시 존재하며 유전자만 발현한 뒤 점차 사라져요.

또는 stable transfection을 통해 플라스미드 DNA가 게놈에 삽입될 수도 있어요.

따라서 mammalian vector에서는 박테리아만큼 replication element가 중요하지 않은 경우도 많아요.

 

두 번째 조건, 선택할 수 있어야 한다

플라스미드가 들어간 세포만 골라내는 과정도 매우 중요해요.

이를 selection이라고 해요.

대장균에서는 보통 ampicillin resistance나 kanamycin resistance를 사용해요.

하지만 이런 항생제는 포유류 세포에서는 작동하지 않는 경우가 많아요.

예를 들어 ampicillin은 세균의 세포벽 합성을 억제해요.

그런데 포유류 세포에는 세포벽이 없죠.

그래서 포유류 세포는 ampicillin이 있어도 멀쩡하게 살아가요.

반면 puromycin은 진핵세포와 원핵세포 모두의 단백질 합성 과정에 영향을 줄 수 있어요.

따라서 puromycin resistance gene을 이용하면 포유류 세포 selection에 활용할 수 있어요.

이처럼 어떤 selection marker를 사용할지는 생물종에 따라 달라져요.

 

효모에서는 Auxotrophic Selection도 많이 사용한다

효모 연구에서는 항생제 대신 영양소 결핍을 이용한 선택법을 사용하는 경우도 많아요.

예를 들어 특정 아미노산을 합성하지 못하는 효모를 준비한 뒤,

플라스미드가 그 결핍을 보완하는 유전자를 제공하도록 설계해요.

그 후 해당 영양소가 없는 배지에서 배양하면 플라스미드를 가진 세포만 살아남게 돼요.

이를 auxotrophic selection이라고 해요.

 

세 번째 조건, 유전자가 발현되어야 한다

많은 초보 연구자들이 놓치는 부분이 바로 promoter예요.

같은 GFP 유전자라도 promoter가 다르면 전혀 발현되지 않을 수 있어요.

예를 들어 CMV promoter는 포유류 세포에서 매우 강하게 작동하지만 대장균에서는 인식되지 않아요.

반대로 lac promoter는 대장균에서는 잘 작동하지만 포유류 세포에서는 의미가 없어요.

따라서 셔틀 벡터는 실험이 진행되는 생물종에서 작동하는 promoter를 반드시 포함해야 해요.

다만 모든 생물종에서 발현될 필요는 없어요.

예를 들어 대장균은 단순히 플라스미드 증폭용으로만 사용하고, 실제 단백질 발현은 포유류 세포에서만 수행한다면 CMV promoter만 있어도 충분해요.

 

바이러스 벡터도 셔틀 벡터일까?

가끔 헷갈리는 부분이에요.

AAV나 렌티바이러스 제작 과정에서는 transfer vector라고 부르는 플라스미드를 사용해요.

이 플라스미드는 packaging cell에 transfection되어 바이러스 입자를 생산하는 역할을 해요.

넓은 의미에서는 셔틀 벡터처럼 보일 수 있지만, 일반적으로는 별개의 개념으로 취급해요.

셔틀 벡터는 transformation이나 transfection을 통해 직접 사용되는 벡터를 의미하고,

바이러스 벡터는 transduction이라는 별도의 전달 방식을 사용하기 때문이에요.

 

Broad Host Range Plasmid와는 무엇이 다를까?

Broad host range plasmid는 여러 종류의 박테리아에서 복제 가능한 플라스미드를 의미해요.

예를 들어 그람음성균 여러 종에서 모두 증식할 수 있는 플라스미드가 여기에 해당해요.

반면 셔틀 벡터는

박테리아 ↔ 효모
박테리아 ↔ 포유류
박테리아 ↔ 식물세포

처럼 훨씬 넓은 범위의 생물종 간 이동을 목적으로 설계되는 경우가 많아요.

따라서 두 개념은 겹치는 부분은 있지만 완전히 같은 의미는 아니에요.



셔틀 벡터는 서로 다른 생물종에서 하나의 플라스미드를 사용할 수 있도록 설계된 분자생물학 도구예요. 이를 위해 각 생물종에 적합한 복제 요소, 선택 마커, 프로모터를 함께 탑재하고 있어요.

연구실에서 사용하는 대부분의 mammalian expression vector, yeast vector, plant vector는 사실상 셔틀 벡터라고 볼 수 있어요. 대장균에서 손쉽게 클로닝하고 증폭한 뒤, 원하는 세포나 생물체에서 유전자를 발현시킬 수 있기 때문에 현대 분자생물학 연구에서 없어서는 안 될 핵심 기술 중 하나로 자리 잡고 있어요.