유전자 전달

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과정
적용들
논란

유전자 전달은 DNA나 RNA와 같은 이질적인 유전 물질을 숙주 세포에 도입하는 과정이다.[1] 유전자 전달은 유전자 발현을 유도하기 위해 숙주세포의 게놈에 도달해야 한다.[2] 유전자 전달에 성공하려면 외국 유전자 전달이 숙주세포 내에서 안정적으로 유지되어야 하며 게놈에 통합되거나 게놈과 독립적으로 복제될 수 있다.[3] 이것은 외국 DNA를 벡터의 일부로 합성할 것을 요구한다. 벡터는 원하는 숙주세포에 들어가서 그 세포의 게놈에 트랜젠을 전달하도록 설계되었다.[4] 유전자 전달 방법으로 활용되는 벡터는 재조합 바이러스와 합성 벡터(바이러스 및 비바이러스)의 두 가지 범주로 나눌 수 있다.[2][5]

복잡한 다세포 eukaryotes(더 구체적으로 Weissmanist)에서, 만약 트랜스젠이 숙주의 생식선 세포에 통합된다면, 결과적인 호스트 세포는 트랜스젠을 그 자손에게 전달할 수 있다. 만약 트랜스젠이 체세포에 통합된다면, 트랜스젠은 체세포 라인과 함께 머물게 될 것이고, 따라서 트랜스젠은 그 숙주 유기체에 머물게 될 것이다.[6]

유전자 전달은 환자에게 치료적 결과를 촉진하기 위해 유전자를 도입하거나 음소거하는 데 필요한 유전자 치료 과정이며 농작물의 유전자 변형에도 응용이 있다. 다양한 종류의 세포와 조직을 위한 유전자 전달 방법에는 여러 가지가 있다.[6]

역사

바이러스 기반 벡터는 1980년대에 트랜스젠 표현의 도구로 등장했다. 1983년 알버트 시겔은 cDNA 복제를 통한 바이러스 조작은 아직 가능하지 않았지만 식물 트랜스젠 표현에서 바이러스 벡터의 사용을 설명했다.[7] 백신 벡터로 처음 사용된 바이러스는 1984년 B형 간염으로부터 침팬지를 보호하는 방법으로 백신 접종 바이러스였다.[8] 비바이러스 유전자의 전달은 1943년 에이버리 등이 처음으로 보고한 것으로 그는 외생 DNA 노출을 통해 세포 표현형 변화를 보였다.[9]

방법들

박테리아 변형은 한 박테리아에서 다른 박테리아로 유전자를 옮기는 것을 포함한다. 그것은 수령인 플라스미드에 통합되어 있다. 그리고 나서 새로운 호스트로 표현될 수 있다.

유전자를 숙주 세포에 전달하는 방법은 다양하다. 유전자가 박테리아나 식물에 전달될 때 그 과정을 변환이라고 하며, 동물에게 유전자를 전달하기 위해 사용될 때는 전염이라고 한다. 변형은 암 상태로의 진행을 나타내는 동물과 관련하여 다른 의미를 가지기 때문이다.[10] 일부 박테리아의 경우 자연적으로 외래 DNA를 섭취할 수 있기 때문에 유전자를 도입할 어떠한 외부 방법도 필요하지 않다.[11] 대부분의 세포는 세포막을 DNA에 투과할 수 있게 하고 DNA가 호스트 게놈에 안정적으로 삽입되도록 하기 위해 일종의 개입을 필요로 한다.

케미컬

유전자 전달의 화학적 기반 방법은 천연 화합물이나 합성 화합물을 사용하여 유전자가 세포로 전달되는 것을 촉진하는 입자를 형성할 수 있다.[2] 이러한 합성 벡터는 DNA나 RNA를 정전기적으로 결합하고 유전 정보를 압축하여 더 큰 유전적 전달을 수용할 수 있는 능력을 가지고 있다.[5] 화학 벡터는 보통 내분비증에 의해 세포에 들어가며 유전 물질이 분해되는 것을 막을 수 있다.[6]

열충격

가장 간단한 방법 중 하나는 세포의 환경을 변화시킨 다음 열 충격을 주어 그것을 강조하는 것이다. 전형적으로 세포는 열 펄스에 노출되기 전에 추운 조건 하에서 분열된 양이 포함된 용액(종종 염화칼슘)에 배양된다. 염화칼슘은 세포막을 부분적으로 교란시켜 재조합 DNA가 숙주세포로 들어갈 수 있게 한다. 차가운 상태에서 분열된 양이온에 세포를 노출시키면 세포 표면 구조가 바뀌거나 약해져 DNA에 더 투과될 수 있다고 제안한다. 열 맥박은 세포막을 가로질러 열 불균형을 일으켜 DNA가 세포의 모공이나 손상된 세포벽을 통해 세포 안으로 들어가도록 하는 것으로 생각된다.

인산칼슘

또 다른 간단한 방법은 인산칼슘을 사용하여 DNA를 결합한 다음 배양된 세포에 노출시키는 것이다. 이 용액은 DNA와 함께 세포에 의해 캡슐화되어 소량의 DNA가 게놈에 통합될 수 있다.[12]

지질 및 중합체

지질과 중합체는 DNA를 세포로 전달하기 위한 벡터로 사용될 수 있다. 양전하 지오솜은 음전하 DNA와 결합하는 반면, 중합체는 DNA와 상호 작용하도록 설계될 수 있다.[2] 그들은 각각 지엽과 다낭을 형성하고, 세포에 의해 흡수된다.[13] 이 두 시스템은 또한 결합될 수 있다.[6] 폴리머 기반의 비바이러스 벡터는 폴리머를 사용하여 DNA와 상호작용하고 폴리플렉스를 형성한다.[6]

나노입자

공학적 무기질과 유기 나노입자의 사용은 유전자 전달을 위한 또 다른 비바이러스적 접근법이다.[14][15]

물리적인

인공 유전자 전달은 세포막을 통해 유전 물질을 도입하기 위해 힘을 사용하는 물리적인 방법에 의해 매개될 수 있다.[2]

전기회전

세포막을 DNA에 투과할 수 있게 만드는 데 전기화기를 사용할 수 있다.

전기는 역량을 촉진하는 방법이다. 세포는 10-20 kV/cm의 전기장으로 잠시 충격을 받는데, 이것은 플라스미드 DNA가 들어갈 수 있는 세포막에 구멍을 내는 것으로 생각된다. 감전 후, 그 구멍들은 세포의 막-수리 메커니즘에 의해 빠르게 닫힌다.

생물통계학

유전자 총은 생물학을 이용해 DNA를 세포에 삽입한다.

식물 세포를 변형시키는데 사용되는 또 다른 방법은 생물학인데, 금이나 텅스텐의 입자들이 DNA로 코팅된 후 어린 식물 세포나 식물 배아에 주입된다.[16] 어떤 유전적 물질은 세포에 들어가 그것들을 변형시킨다. 이 방법은 아그로박테리움 감염에 취약하지 않은 식물에 사용할 수 있으며 식물 플라스티드의 변형이 가능하다. 식물 세포는 또한 전기작용을 이용하여 변형될 수 있는데, 이것은 세포막을 플라스미드 DNA에 스며들게 하기 위해 전기 충격을 이용한다. 세포와 DNA에 의한 손상으로 인해 생물학적, 전기적 변환의 변환 효율이 농균 변환보다 낮다.[17]

미세주사

미세주사는 세포의 핵 봉투를 통해 직접 핵에 DNA를 주입하는 것이다.[11]

소노퍼레이션

소노포레이션은 음파를 이용하여 세포막에 모공을 만들어 유전 물질의 입력이 가능하다.

포토포메이션

광투과란 레이저 펄스를 이용해 세포막에 모공을 만들어 유전 물질이 들어갈 수 있게 하는 것을 말한다.

자기감염

자기감염은 DNA와 외부 자기장 농축 핵산 입자가 복합된 자기 입자를 표적 세포로 사용한다.

수문법

유체역학적 모세관 효과는 세포 투과성을 조작하는 데 사용될 수 있다.

아그로박테리움

A. 당근 세포에 달라붙는 투메파시엔스

식물에서 DNA는 식물 세포에 유전 물질을 자연적으로 삽입할 수 있는 아그로박테리움 T-DNA 시퀀스를 이용하여 아그로박테리움 매개 재조합을 사용하여 삽입되는 경우가 많다.[18][19] 식물 조직은 잘게 썰어 매달린 아그로박테리움이 함유된 액체에 담가진다. 이 박테리아는 베인 상처에 의해 노출된 많은 식물 세포에 부착될 것이다. 이 박테리아는 T-DNA라고 불리는 DNA 부분을 플라스미드에서 식물로 옮기기 위해 결합을 사용한다. 전달된 DNA는 식물 세포핵으로 조종되어 숙주 식물 유전체 DNA에 통합된다.플라스미드 T-DNA는 호스트 세포의 게놈에 반 무작위로 통합된다.[20]

관심 유전자를 표현하기 위해 플라스미드를 수정함으로써, 연구원들은 선택한 유전자를 식물 게놈에 안정적으로 삽입할 수 있다. T-DNA의 유일한 필수 부품은 두 개의 작은(25개의 기본 쌍) 경계 반복이며, 그 중 적어도 하나는 식물 변환에 필요하다.[21][22] 이 식물에 도입될 유전자는 플라스미드의 T-DNA 영역을 포함하는 식물 변환 벡터로 복제된다. 대안적인 방법은 농업적응이다.[23][24]

바이러스 전달

아데노바이러스 벡터를 통해 숙주세포로 변환되는 외래 DNA.

바이러스 매개 유전자 전달은 숙주 세포 안에 바이러스의 DNA를 주입하는 능력을 활용하며 바이러스 자체의 유전자 물질 복제 및 구현 능력을 활용한다. 유전자 전달의 바이러스 방법은 면역 반응을 유도할 가능성이 높지만 효율은 높다.[6] 전도는 바이러스 매개 DNA를 숙주 세포에 삽입하는 과정을 기술하는 과정이다. 바이러스의 구조는 숙주 세포의 핵에 전달하고 있는 DNA의 라이소솜을 통해 분해되는 것을 막기 때문에 바이러스는 특히 효과적인 유전자 전달의 형태다.[25] 유전자 치료에서 전달을 목적으로 하는 유전자는 복제성 결핍 바이러스 입자로 포장되어 바이러스 벡터를 형성한다.[26] 현재까지 유전자 치료에 사용되는 바이러스는 레트로바이러스, 아데노바이러스, 아데노 관련 바이러스, 헤르페스 심플렉스 바이러스 등이다. 그러나 바이러스를 이용해 유전자를 세포로 전달하는 데는 단점이 있다. 바이러스는 아주 작은 DNA 조각들만 세포 안으로 전달할 수 있고, 그것은 노동 집약적이며 무작위 삽입 사이트, 세포질 효과, 돌연변이 유발의 위험이 있다.[27]

바이러스 벡터 기반의 유전자 전달은 바이러스 벡터를 사용하여 유전 물질을 숙주 세포에 전달한다. 원하는 유전자를 함유한 바이러스를 이용해 감염되는 바이러스 게놈의 일부를 제거하는 방식으로 이뤄진다.[2] 바이러스는 복제에 필수적인 숙주 세포의 핵에 유전 물질을 전달하는 데 효율적이다.[2]

RNA 기반 바이러스 벡터

RNA 기반 바이러스는 전염성 RNA 대본에서 직접 전사하는 능력 때문에 개발되었다. RNA 벡터는 처리가 필요 없기 때문에 신속하게 표현되고 목표된 형태로 표현된다. 유전자 통합은 장기 트랜스젠 발현으로 이어지지만 RNA 기반 전달은 대개 일시적이고 영구적이지 않다.[2] 레트로바이러스 벡터에는 온코레트로바이러스, 렌티바이러스, 인간 거품 바이러스가 있다.[2]

DNA 기반 바이러스 벡터

DNA 기반 바이러스 벡터는 게놈에 통합될 수 있는 가능성으로 보통 더 오래 지속된다. DNA 기반 바이러스 벡터로는 아데노비르과, 아데노 관련 바이러스, 헤르페스 심플렉스 바이러스가 있다.[2]

적용들

유전자 치료

주요 기사: 유전자 치료

유전자 전달을 용이하게 하기 위해 사용되는 몇몇 방법들은 치료 목적으로 응용된다. 유전자 치료는 유전자 전달을 이용해 세포 내의 질병이나 상태를 치료할 목적으로 유전 물질을 전달한다. 치료 환경에서 유전자 전달은 적절한 양의 트랜스젠 발현을 전달하여 원하는 효과를 발생시킬 수 있는 세포 특이성이 가능한 비면역성 벡터를 이용한다.[3]

유전체학의 발전은 가능한 응용을 위해 다양한 새로운 방법과 유전자 대상을 식별할 수 있게 했다. 다양한 차세대 유전자 서열에 사용되는 DNA 마이크로레이는 유전자 발현 패턴을 살펴보는 분석 소프트웨어와 기능을 식별하기 위한 모델종의 정형 유전자를 통해 수천 개의 유전자를 동시에 식별할 수 있다.[28] 이것은 유전자 치료에 사용하기 위해 다양한 가능한 벡터들이 확인될 수 있게 했다. 새로운 종류의 백신을 만드는 방법으로 유전자 전달은 가능한 백신을 전달하기 위한 하이브리드 생합성 벡터를 생성하는 데 이용되었다. 이 벡터는 대장균과 합성중합체를 결합해 대상 세포 리소솜에 의한 열화를 피하면서 플라스미드 DNA를 유지하는 벡터를 만들어 유전자 전달에 대한 전통적인 장벽을 극복한다.[29]

참고 항목

참조

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추가 읽기

외부 링크