제한 변경 제도

Restriction modification system

제한수정시스템(RM시스템)은 박테리아와 다른 원핵생물에서 발견되며 박테리오파지에 의해 발생하는 것과 같은 외래 DNA에 대한 방어 기능을 제공한다.

박테리아는 제한핵산 분해효소라고도 불리는 제한효소를 가지고 있는데, 이것은 특정한 지점에서 이중 가닥 DNA를 조각으로 쪼개고, 그리고 나서 다른 핵산 분해효소들에 의해 더 분해된다.이것은 감염제(예: 박테리오파지)에 의해 도입된 외래 DNA를 효과적으로 파괴함으로써 감염을 예방한다.알려진 박테리아의 약 4분의 1은 RM 시스템을 가지고 있고, 그 중 약 2분의 1은 두 가지 이상의 시스템을 가지고 있다.

제한 효소에 의해 인식되는 배열이 매우 짧기 때문에, 박테리아 자체는 거의 확실히 게놈 안에 일부를 포함할 것이다.제한효소에 의한 자신의 DNA 파괴를 방지하기 위해 메틸기를 첨가한다.이러한 변형은 DNA 염기쌍을 방해해서는 안 되며, 따라서 보통 각 가닥에서 소수의 특정 염기만 변형됩니다.

엔도핵산가수분해효소는 내부/비말단 포스포디에스테르 결합을 분해한다.그들은 보통 4-6개의 염기쌍이고 종종 회문인 DNA에서 특정한 염기서열을 인식한 후에야 그렇게 한다.

역사

RM 시스템은 1952년과 [1][2]1953년에 살바토레 루리아와 메리 휴먼에 의해 처음 발견되었다.그들은 감염된 박테리아 내에서 자라는 박테리오파지가 수정될 수 있다는 것을 발견했습니다. 그래서 박테리오파지는 관련 박테리오파지의 방출과 재감염이 제한될 수 있습니다.[3] (Luria가 1984년 45페이지와 99페이지에 있는 그의 자서전에서 설명했습니다.)1953년, Jean Weigle과 Giuseppe Bertani는 다른 박테리오파지 [4]시스템을 사용한 숙주 제어 수정의 유사한 예를 보고했다.1962년[5] Daisy Roulland-Dussoix와 Werner Arber에 의한 이후 연구는 제한은 수용세균의 특정 효소에 의한 변형 박테리오파지의 DNA의 공격과 파괴에 기인한다는 것을 이해하게 했다.Hamilton O의 추가 작업. 스미스는 현재 제한 효소로 알려진 첫 번째 종류의 효소인 힌디아이(HinDII)를 분리한 반면 다니엘 나탄스는 제한 [6]매핑에 사용될 수 있다는 것을 보여주었다.이들 효소가 실험실에서 분리되면 DNA의 제어된 조작에 사용될 수 있었고, 따라서 유전 공학의 발전을 위한 기반을 제공했습니다.베르너 아르버, 다니엘 나탄스, 해밀턴 스미스는 제한-수정 연구로 1978년 노벨 생리의학상을 받았다.

종류들

제한 수정 시스템에는 유형 I, 유형 II, 유형 III 및 유형 IV의 네 가지 범주가 있으며, 모두 제한 효소 활성과 메틸라아제 활성(메틸라아제 활성이 없는 유형 IV 제외)을 가집니다.타입 II 시스템이 가장 일반적이긴 하지만 이러한 이름은 발견 순서대로 지정되었습니다.

타입 I 시스템은 R(제한), M(수정) 및 S(특이성)의 3가지 폴리펩타이드로 구성된 가장 복잡한 시스템입니다.결과적으로 생기는 복합체는 DNA를 절단하고 메틸화시킬 수 있다.두 반응 모두 ATP를 필요로 하며, 분열은 종종 인식 부위에서 상당히 멀리 떨어져 발생합니다.S 서브유닛은 제한과 메틸화 모두의 특이성을 결정한다.균열은 인식 순서로부터 다양한 거리에서 발생하므로, 분리된 띠는 겔 전기영동에 의해 쉽게 가시화되지 않습니다.

타입 II 시스템은 가장 단순하고 널리 보급되어 있습니다.복합체로 작용하는 대신, 메틸전달효소와 엔도핵산가수분해효소는 두 개의 분리된 단백질로 암호화되어 독립적으로 작용한다(특이성 단백질은 없다).두 단백질은 동일한 인식 부위를 인식하기 때문에 활동을 위해 경쟁합니다.메틸전달효소는 단량체로 작용하여 한 번에 한 가닥씩 이중성을 메틸화한다.엔도핵산가수분해효소는 호모디머로 작용하여 두 가닥의 분열을 촉진한다.분할은 인식 시퀀스 근처 또는 인식 시퀀스 내에서 정의된 위치에서 발생하며, 따라서 겔 전기영동 중에 이산적인 조각이 생성됩니다.이런 이유로, Type II 시스템은 DNA 분석과 유전자 복제를 위해 실험실에서 사용된다.

타입 III 시스템은 변형과 분열의 복합체를 형성하는 R(res)과 M(mod) 단백질을 가지고 있다.그러나 M 단백질은 스스로 메틸화할 수 있다.메틸화는 또한 대부분의 알려진 메커니즘과 달리 DNA의 한 가닥에서만 일어난다.R 단백질과 M 단백질에 의해 형성된 헤테로디머는 같은 반응을 수정하고 제한함으로써 자신과 경쟁한다.이것은 불완전한 [7][8]소화를 초래한다.

타입 IV 시스템은 메틸화효소가 아닌 제한효소만을 포함하고 있기 때문에 진정한 RM 시스템이 아니다.다른 종류와 달리 IV형 제한 효소는 변형된 [9]DNA만을 인식하고 절단한다.

기능.

Neisseria meningitidis는 자연 유전자 변환에 사용되는 다중 타입 II 제한 핵산가수분해효소 시스템을 가지고 있다.자연적 유전자 변형은 이식받은 박테리아 세포가 인접한 공여 박테리아 세포로부터 DNA를 얻어 재조합을 통해 이 DNA를 게놈에 통합할 수 있는 과정이다.박테리오파지 DNA나 다른 외래 DNA로부터 스스로를 보호하는 박테리아에 대한 이점에 초점을 맞춘 제한 수정 시스템에 대한 초기 연구가 이루어졌지만, 이제 이러한 시스템은 같은, 또는 관련된 종의 다른 구성원들로부터의 자연 변형에 의해 도입된 DNA를 제한하는데도 사용될 수 있는 것으로 알려져 있다.

병원성 세균인 Neisseria meningitidis(메닝코크i)에서 형질전환 능력은 세균 표면, 막 및 세포질 내의 여러 단백질이 들어오는 형질전환 DNA와 상호작용하는 고도로 진화하고 복잡한 과정이다.제한-수정 시스템은 Neisseria속에 풍부하다.뇌수막염은 다중 타입 II 제한 핵산가수분해효소 [10]시스템을 가지고 있다.뇌수막(N. meningitidis)의 제한 수정 시스템은 서로 다른 [10][11]분지군 간에 특이성이 다르다.이 특이성은 [10]군락 사이의 DNA 교환에 대한 효율적인 장벽을 제공합니다.루리아는 그의 [3]자서전 99페이지에서 그러한 제한 행동을 "극단적으로 불친절하다"고 언급했다.제한과 수정은 수막구균의 [12]성적 고립과 분화의 주요 동인으로 보인다.Caugant와[13] Maiden은 뇌수막구균의 제한-수정 시스템이 서로 다른 클론 복합체와 관련 종에 속하는 뇌수막구균 간의 유전자 교환을 감소시키면서 매우 가까운 친척들 간의 유전자 교환을 가능하게 하는 역할을 할 수 있다고 제안했다.

RM 시스템은 또한 이기적인 유전 요소로서 작용할 수 있으며, 분리 후 세포 [14]사멸을 통해 세포 유지를 강요할 수 있다.

일부 바이러스는 제한 수정 시스템을 파괴하는 방법을 진화시켰는데, 보통 그들 자신의 DNA를 수정함으로써 메틸기 또는 글리코실기를 첨가함으로써 제한 효소를 차단한다.박테리오파지 T3와 T7과 같은 다른 바이러스들은 제한 효소를 억제하는 단백질을 암호화한다.

이러한 바이러스에 대항하기 위해, 일부 박테리아는 수정된 DNA를 인식하고 절단할 뿐 숙주의 수정되지 않은 DNA에는 작용하지 않는 제한 시스템을 진화시켰다.일부 원핵생물들은 여러 종류의 제한 수정 시스템을 개발했다.

R-M 시스템은 문란종에서 더 풍부하며, 동족 R-M 시스템과 [15]계통 간 및 계통 간 유전자 교환의 선호 경로를 확립한다.박테리아 계통에서 R-M 시스템의 레퍼토리 및/또는 특이성이 빠르게 변화하기 때문에 종 내 유전자 이동의 선호 플럭스는 지속적으로 변화하고 유전자 이동의 시간 의존 네트워크를 생성할 것으로 예상된다.

적용들

분자생물학

(a) 클로닝 : RM계를 플라스미드로 클로닝하여 메틸화효소에 의한 내성에 의해 선택할 수 있다.일단 플라스미드가 복제되기 시작하면 메틸화효소가 생성되고 플라스미드 DNA를 메틸화함으로써 특정 제한 효소로부터 보호합니다.

(b) 제한 단편 길이 다형:제한 효소는 또한 REase 절단 특이성에 영향을 미치는 돌연변이의 유무에 관한 DNA의 구성을 분석하는 데 사용된다.야생형과 돌연변이를 다른 리스를 가진 소화에 의해 분석할 때, 겔 전기영동 생성물은 길이가 다르다. 이는 주로 돌연변이 유전자를 돌연변이 배열에 비특이적으로 만드는 돌연변이의 존재에 대해 야생형과 유사한 패턴으로 분해되지 않기 때문이다.

유전자 치료

RM 시스템은 박테리오파지의 [16]대류성을 제한함으로써 박테리아에 선천적인 방어역할을 하기 때문에 인간 항바이러스 유전자 또는 게놈 백신 및 치료제 개발 모델로 제시되어 왔다.HSV-2, 고위험 HPV 및 HIV-1을 포함한 다양한 인간 바이러스의 DNA를 절단할 수 있는 REases와 ZFN에 대한 연구는 인간 감염 [17][18][19]바이러스의 표적 돌연변이 유발과 이상을 유도하는 궁극적인 목표를 가지고 있다.인간 게놈에는 이미 비활성화된 레트로바이러스 게놈의 잔존물이 포함되어 있으며 자가 이득을 위해 이용되고 있다.실제로 3개의 주요 리페어 엑소뉴클레아제 1(TREX1) 및 절제 리페어 1(ERCC)에 의한 활성 L1 게놈 레트로원소를 소음시키는 기구는 세균 내 RM계 작용과 ZFN [20][21]사용 후 이루어지는 비호몰로지 엔드조인(NHEJ)을 모방하는 것으로 보인다.

주요 진보는 FokI DNA 분할 도메인을 DNA 결합 단백질 또는 아연 핑거 배열 배열(ZFN)[22]과 연결함으로써 만들어진 인공 제한 효소의 생성이다. ZFN은 향상된 배열 특이성으로 인해 숙주 게놈 편집에 강력한 도구이다.ZFN은 쌍으로 동작하며, 이들의 이량화는 FoKI 도메인을 통해 현장에서 매개됩니다.각 아연 핑거 어레이(ZFA)는 9~12개의 베이스 페어를 인식할 수 있으며, 이 페어는 18~24개입니다.절단 부위 사이의 5~7bp 스페이서는 ZFN의 특이성을 더욱 높여 사람에게 적용할 수 있는 안전하고 정밀한 도구가 된다.HIV-1에 대한 CCR5 공동수용체 폐지를 위한 ZFN의 1단계 임상시험이 최근 [23]실시되었다.

이동 유전 요소(MGE)와의 관계

R-M 시스템은 이동 유전 요소(MGE)와 그 [24]숙주 사이의 공진화 상호작용의 주요 주체이다.R-M 시스템을 코드하는 유전자는 플라스미드, 프로파지, 삽입서열/트랜스포존, 통합공역요소(ICE) 및 인테그론 등 MGE 내 원핵생물 게놈 사이를 이동하는 것으로 보고되고 있다.그러나 최근 플라스미드에는 상대적으로 적은 R-M 시스템이 있고, 일부는 프로파지에 있으며, 사실상 페이지는 없는 것으로 밝혀졌다.한편, 이러한 모든 MGE는 많은 수의 단독 R-M 유전자, 특히 MTas를 [24]암호화한다.이에 비추어 볼 때, R-M 모빌리티는 MGE에 대한 의존도가 낮고, 예를 들어 작은 게놈 통합 핫스팟의 존재에 더 의존할 수 있습니다.또한 R-M 시스템이 게놈 사이를 이동하기 위해 자연 변형, 소포, 나노튜브, 유전자 전달제 또는 일반화된 변환과 같은 다른 메커니즘을 자주 이용할 수 있다.

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레퍼런스

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