[분자생물학] 22.1 : homologous recombination (상동재조합)

 

 

이번 포스트부터는 homologous recombination(HR, 상동재조합)에 대해 자세 알아보도록 하자.

 

 

 

 

HR의 가장 익숙한 예 중 하나는 바로 위 그림에 나와있는 것과 같이 감수분열 과정에서의 crossover임. 이 경우에도 repair에서 사용되는 것과 거의 동일한 molecular machinery가 사용됨.

 

 

 

 

HR의 일반적인 pathway들이 위 그림에 나타나 있음.

 

 

HR은 위 그림과 같이 intermolecular하게도, intramolecular하게도 일어날 수 있음. 우선 intermolecular HR부터 살펴보자. 이 경우 위 그림에도 나타나 있는 것처럼 single crossover의 형태로 일어날 수도 있고 multi crossover의 형태로 일어날 수 있음. 다음으로 intramolecular HR에 대해 살펴보자. 일단 direct repeat이 존재하는 경우(head to tail), 즉 서로 같은 방향으로 배향된 두 개의 HR 서열이 존재하는 경우에는 homology에 의해 이들 둘 사이의 상보적인 결합이 일어남과 동시에 그 상태에서 crossover가 일어나서 결과적으로 붉은 부분과 파란 부분의 일부가 deletion되게 됨.

 

한편 inverted repeat의 형태(head to head), 즉 서로 반대 방향의 HR 서열이 존재하고 있을 수도 있는데, 이 경우에도 마찬가지로 두 HR 서열이 서로 동일한 방향으로 상호작용하고 crossover되는 과정이 일어나게 됨. 그 결과 중간에 끼워져 있던 빨간색 서열이 반대방향으로 뒤집어지게 됨(flip over). 이런 intramolecular HR은 특정한 유전자를 turn on→off 상태로 변화시킬수도, turn off→on 상태로 변화시킬수도 있음. (turn off→on으로 변화시켜주는 방법이 잘 떠오르지 않을 수도 있는데, 예를 들어 가운데에 있는 빨간 서열 안에 stop codon이 있어서 평소에 gene 발현이 억제되고 있던 상황이라면, direct repeat에 의한 HR에 의해서 붉은 서열이 제거되며 비로소 gene 발현이 이루어질수도 있음)

 

 

참고로 이 중에서 intramolecular HR을 이용하는 대표적인 system이 Cre-LoxP system이며, 바로 이어 이 system에 대해 더 알아볼 것임.

 

 

 

 

위 그림에는 Cre-LoxP system에 대한 설명이 나타나 있음. 이 중 위 그림 왼쪽 위에 나타난 것이 Cre이고, LoxP 서열은 오른쪽 위에 나타나 있음. 이 때 LoxP 서열을 보면 언뜻 보기에 회문구조인 것 같지만 중간 부분의 서열이 비대칭적이기 때문에 회문구조가 아님. 이 때문에 결국 LoxP 서열의 방향성이 생기게 됨. 이 방향성을 위 그림 아래에서는 하늘색 화살표로 표현함.

 

 

일단 LoxP site가 위 그림 왼쪽 아래와 같이 inverted repeat의 형태로 들어가 있는 경우 Cre recombinase(kind of site-specific recombinase)에 의해서 HR이 일어난 결과 gene이 inversion됨. 한편 위 그림 중간 아래와 같이 direct repeat의 형태로 LoxP site가 들어가 있는 경우 Cre recombinase에 의해서 HR이 일어나게 되면 가운데의 gene 부위가 아예 deletion되게 됨. 이후 deletion되면서 튀어나온 circular한 형태의 DNA는 다시금 분해될 것임.

 

 

그 밖에 위 그림 오른쪽 아래에 나타난 것과 같이 Cre-LoxP system을 이용해 translocation도 시킬 수 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

 

 

위 그림에는 Cre-LoxP system을 이용해서 tissue-specific하게 gene 발현을 조절하는 기작이 나타나 있음. 보면 Cre gene 앞에 tissue specific promoter가 달려 있어서 특정 tissue에서만 Cre가 발현됨. 그 결과 특정 tissue에서만 HR 반응이 일어나게 되고 결국 gene 발현이 특정 tissue에서만 일어나게 되는 것임.

 

 

참고로 Cre-LoxP system은 bacteriophage T1으로부터 유래된 system임.

 

 

 

다음 포스트에서는 bacteria에서의 recombination 기작에 대해 조금 더 알아보도록 하자.