[분자생물학] 23.2 : DNA transposon - 1

 

 

이번 포스트부터는 본격적으로 DNA transposon에 대해 알아보자.

 

 

DNA transposon은 양 끝에 short inverted repeat을 가지고 있으며, 특정 target DNA 사이에 끼어들어갈 때 삽입 부위 양쪽 끝에 일종의 scar(혹은 흔적)를 남김. 이 때의 scar는 duplication되어 있음. 이와 관련된 그림이 아래에 나타나 있음.

 

 

 

 

위 그림에서 진한 보라색으로 표현된 부분이 scar이며, gap filling의 과정에서 생성됨.

 

 

이 때의 system은 Tn5임. 보면 이 경우 transposase가 transposon의 원래 포함 부위에 가서 transposon의 양 끝과 결합한 뒤 synapse를 형성함. 이렇게 해서 동그란 모양으로 말리게 되면 transposase가 주변에 물 분자를 recruit하게 되고 물 분자의 OH attack에 의해 위 그림 가운데 오른쪽 부분에 나타난 것과 같이 DNA 부분이 hairpin처럼 되었다가 끊어지게 됨. 이런 기작을 거쳐서 transposon이 원래 DNA로부터 떨어져 나옴.

 

 

 

이후 위 그림 아래 오른쪽에 나나탄 것처럼 transposon의 3' 말단의 OH가 target DNA의 특정 부분을 공격하게 되고 이렇게 해서 진한 보라색 한 가닥씩으로 구성된 두 개의 sticky end가 만들어지게 됨. 그러면 결국 ssDNA 부분이 다시 filling될 것이고 이 과정에서 transposon 양 쪽 부위에 dsDNA(진한 보라색)의 scar가 형성되게 되는 것임. 이러한 과정을 거쳐 transposon이 target DNA로 이동하게 됨.

 

 

이런 식의 설명만 들으면 transposon이 그냥 자신의 DNA를 남의 DNA에 끼워넣어 번식만을 도모하는, 이기적 DNA가 아니냐고 생각할수도 있음.

 

 

 

 

 

그러나 위 그림에 나와있는 Tn3의 경우에는 transposon 내에 transposase gene, resolvase gene이 있을 뿐 아니라 bla라고 하는, beta-lactam ring을 자르는 단백질을 encoding하고 있는 antibiotic resistant gene을 가지고 있음. 즉, transposon의 이동이 일어나게 되면 host에게 bla같은 gene을 delivery하는 경우도 있다는 것임.

 

 

 

참고로 위 그림에서 res라고 하는 site가 어떤 역할을 하는지 궁금할 수도 있는데, res site는 아래와 같은 copy and paste 과정에서 중요하게 작동함.

 

 

 

 

일단 copy and paste 과정은 쉽게 말해 transposon이 target DNA 사이에 끼워져 들어갈 때, transposon copy가 하나 더 만들어져서 delivery form의 transposon이 하나 더 생기는 것을 의미함. 위 그림의 오른쪽 맨 아래를 보면 파란색 transposon 부분이 2개로 늘어났음을 알 수 있음.

 

 

일단 transposon이 target DNA 사이로 끼워져 들어가는 것은 tnpA gene에 의해 발현되는 transposase 덕분임. 이후 특수한 복제 과정을 거쳐 결과적으로 transposon copy가 두 개로 늘어나게 됨. 이 후 이들이 다시 분리되는 과정에서 res site가 역할을 함. res site를 중심으로 교차가 일어나게 되면, 이 부위가 tnpR로부터 발현되는 resolvase에 의해 잘리게 되면서 결과적으로 transposon을 함유한 target DNA와 독립적인 transposon이 각각 하나씩 생기게 됨.

 

 

 

Tn3의 경우 이와 같이 copy and paste에 의해서 transposon이 전달되는 반면, Tn10과 같은 녀석들의 경우 cut and paste 과정을 통해 transposon이 전달됨.

 

 

 

 

이 경우 위 그림에서도 나와 있듯이 transposon의 copy 대신에 그냥 transposon이 target DNA 사이로 전달되기만 함.

 

 

가장 대표적인 예가 옥수수의 Ds, Ac gene임.

 

 

 

 

일단 옥수수에서 purple 색을 내는 gene이 바로 C gene임. 그런데 만약 Ds가 C gene 사이로 transposon activity에 의해 hopping되게 되어서 mutant C가 만들어지면 옥수수는 노란색을 가지게 될 것임. 그리고 C gene 사이로 들어왔던 Ds가 다시금 빠져나가는 event가 발생하게 되면 결과적으로 얼룩덜룩한 무늬의 옥수수가 얻어지게 됨.

 

 

사실 Ds라는 gene은 Ac라는 activator gene의 대부분이 잘리고 나서 만들어진 녀석임. 이 녀석은 Ac와는 달리 transposase gene을 가지고 있지 않기 때문에 Ds만 있어서는 hopping되지 못함. 즉, Ds의 hopping(C 사이로 들어가는 hopping, 혹은 C로부터 다시 나가는 hopping)이 일어나기 위해서는 반드시 Ac gene이 있어야 함.

 

 

다음으로 초파리가 가지고 있는 P element에 대해 알아보자.

 

 

 

 

위 그림 좌측처럼 P element를 가지고 있지 않은 암컷과 P element를 가지고 있는 수컷을 교배시킬 시 수정 과정에서 암컷의 몸으로 들어간 수컷의 cell들로부터 P element가 hopping되고, 그 결과 암컷의 chromosome 사이에 수많은 P element가 들어가게 됨. 그 결과 암컷은 제대로 된 자손을 만들어내지 못하게 됨. (이러한 cross를 dysgenic cross라고 함)

 

 

한편 위 그림 우측처럼 P element를 가지고 있는 암컷과 P element를 가지고 있지 않은 수컷을 교배시킬 시 암컷의 몸에는 이미 P element의 hopping을 block할 수 있는 P element suppressor가 있으므로 결과적으로 P element의 작용을 attenuation할 수 있음. 이 때문에 이런 식으로의 교배 시에는 암컷의 chromosome이 손상을 받지 않아서 암컷이 정상적인 자손을 만들어낼 수 있게 됨. (이러한 cross를 non-dysgenic cross라고 함)

 

 

한편 인위적으로 P element를 이용할 시(P element 내에 우리가 초파리에게 전달하고자 하는 gene 성분을 넣어줌) 우리가 원하는 gene을 초파리에 삽입하는 것도 가능하므로 초파리 유전학자들은 종종 이 system을 사용하곤 함.

 

 

 

다음 포스트에서는 eukaryote에서의 transposon activity와 관련된 흥미로운 현상에 대해 살펴보자.