박테리오파지에 대하여

From Biospecies

박테리오파지(Bacteriophage)

박데이오파지는 박테리아를 먹는 것이라는 뜻의 바이러스를 말한다. 영국에선 그냥 파지(phage)라고 부른다.

이 분야의 창시자 델부룩(M. Delbrüch)의 초장기의 조직적인 phage 연구에서, T1, T3이라고 이름붙어진 E. coli phage의 group은 host cell을 lyse(용해 하다) 할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이들 lytic phage는 아마 더욱 더 다수의 lysogenic phage 보다 구별지어졌고,  (원래의 단어는 temperate(적당한)) 그것은 bacterium에서 은폐한 상태로 숨어서 존재 할 수 있다. 
   PR과 PM2 type의 lipid-containing phages를 제외하고 대부분의 일반적인 DNA phage는 double-stranded DNA의 single molecule을 포함하고 20~150X10⁶ Da의 분자량의 범위와 particle weight의 약 50%를 일반적으로 반영한다. 그들은 크기, 모양, tail의 특성이 매우 다양하다. 
   생물학에서 전통적인 phage에 대한 연구들은 Delbrück, Luria, Hershey 그리고 다른사람들의 연구 그룹에 의해 1940대와 1950년대에 수행되었고 E. coli의 서로 다른 T1에서 T7 phage의 각각의 시리즈들을 주로 다루었다. 이들은 몇몇의 다른 host에서 많은 다른 phage의 예로서 대표되어졌다는 것을 인정했다. Physica과 화학적 연구는 1960년대에 시작 되었고 또한 주로 T phage, 특히 T-짝수 phage들과 관련된, T2와 T4를 이용하였다. virulent lytic phage들과는 대조적으로 lysogeny 의 발견에 다른 E. coli pahge lambda(λ)를 를 주목하였다.

Podoviridae
Podoviridae family는 T3와 T7 phage를 포함하고 있다. T7을 예로 들어 설명해 보겠다.

Structure(구조) 이들 phage와의 관련성은 매우 짧은 tail의 isometric particle들을 가진다는 것이다. 그들의 particle weight (아주작은 조각의 무게)는 45X10⁶Da이고, 그것의 반이 double-stranded DNA molecule이다. 주요한 head protein은 약 40 kDa이고, 세개의 protein들은 짧은 tail structure (꼬리구조)를 결합시킨다. T7 DNA의 완전한 33,936개의 nucleotide sequence의 결정은 55개의 가능성 있는 gene의 존재를 밝혔다. 이들 gene의 44개에 의해 encod된 protein들이 확인 되었고, 약 30개 gene의 기능들이 알려졌다.

Transcription(전사) 초기 transcription과 translation에 관련된 protein들은 DNA의 한 끝부분에 위치하고 있는데 반해, 이들 DNA metabolism과 phage structure/assembly에 관련된 것은 더 먼 downstream에 위치한다. 대부분의 복잡한 DNA bacteriophage들은 다양한 클래스의 phage gene의 적절한 시기의 발현과 효과적인 발현의 보장을 위해 host RNA polymerase를 변경한다. 예를 들면, phage T4 33개와 55개의 gene에 의해 encode된 protein들은 host σ factor로 대체되며, 그것에 의하여 마지막 gene에 대한 transcription이 제한되게 된다. 그러나 완전히 새로운 RNA polymerase를 encode한 T7 gene I은 T7 마지막 gene promoter들에 대해 아주 특이적이다. T7 초기 gene (gene I을 포함하여)의 transcription은 E. coli RNA polymerase에 의해 실행된다.

The Replication Cycle (세대 주기) phage DNA의 복제는 gene 5의 생성물인 specific DNA polymerase의 생성 결과로서 생기는 것이다. origion of replication은 gene 2와 gene 3 사이에 있고, 복제는 양쪽 방향에서 나아간다 (즉 다시 말하면 bidirectional(양방향성)). 왼쪽으로 가는 경로는 오른쪽으로 가는 것 보다 더 짧고, Y-shaped molecules (Y-모양 분자)는 자주 보여진다. T7 DNA는 말단이 중복되어 있다. 260 base pairs의 gene은 양쪽 끝 sequence에서 거의 완전히 동일하게 되어 있다. circularization(원형)은 이들 phage에서 발생하는 것을 볼 수 없다. 대신에 말단의 중복된 sequence에서의 recombination을 통한 linear concatermer 형태이다. recombination이 5' end에서 priming site의 부재를 넘어서기 위해 linear DNA의 복제에서 필요한 단계라는 것을 확실히 나타낸다. 특이적 nuclease와 다른 protein에 대한 gene은 모든 이들 phage에서 발생하는 recombination process에서 중요한 역할을 한다. 그러나, host cell은 또한 효소들이 풍부하고 DNA molecule의 recombination과 cleavage를 할 때 필요하다. 30개의 protein들을 비교하기 우해서는 host cell genomic DNA의 replication을 필요로 하고, 더 제한적인 수의 protein (phage- 와 host- 둘다 encode된)은 T DNA replication을 필요로 한다. 앞서 이야기 된 것과 같이, T7 DNA polymerase는 gene 5에의해 encode 되어 있지만, 그것의 activity는 host protein thioredoxin의 complex의 형성을 필요로 한다. Primase와 helicase activities은 gene 4의 생성물에 의해 보충되게 되고 gene 6은 RNA primer들을 제거하는 nuclease를 encode 하고 있다. gene 2.5는 ssDNA binding protein을 encode 하고 있다.
   특이적 nuclease와 gap filling과 관련된 processing은 phage DNA molecule들의 말단 중복을 만들어낸다. 이 일들은 아마 cell membrane에서 virion assembly를 하는 시간에 일어난다. T3와 T7 phage는 phage virulence의 모든 특징을 보여준다. 그들은 host transcription을 차단하고, host의 DNA을 분해하며, 마지막으로 cell을 lyse 한다.

Siphoviridae
Structure (구조) Siphoviridae family는 E. coli의 lambda와 T5 phage의 많은 member들 중의 하나를 포함한다. 그들의 family name은 그들의 모양 (Siphon(관), tube(관))으로부터 유래 되었다. 이 바이러스 그룹의 예로서 lambda(λ)에 대해 알아 보도록 하겠다. λ, lysogenic (용원성 또는 temperate(자제))의 원형은 다른 어떤 바이러스 보다 대단히 상세히 그리고 오래 연구 되어 왔다.
   λ virion은 지름이 55nm의 icosahedral (20면체)의 head(머리)와 짧은 끝과 끝 가까운 곳에 tail fibers(꼬리 섬유)로 된 150 X 8nm의 아주 얇은 noncontractile tail (수축성의 꼬리)를 가진다. 
   λ의 genome은 각각의 끝에 single-strand로 된 cohesive end (결합력이 있는 끝, 12 nucleotide 긴)를 가지는 48,502객의 nucleotide linear molecule이다. 이들은 DNA를 빠르게 감염 할 수 있도록 해 준다.

          5'GGGCGGCGACCT ->
            ||||||||||||
          <-CCCGCCGCTGGA 3'

linear DNA (선형의 DNA)에서 head protein들을 ecoding 하는 gene 또는 그들의 assembly를 위한 역할을 하는 gene은 genome의 처음 18%에 위치하고 있고, 다음 18%에는 tail-related function (꼬리와 관련된 기능), 그리고 lysogenic function(용원성 기능)과 그들의 regulation(조절)을 맏고 있는 gene은 다음 50%를 차지한다. DNA 복제와 cell lysis에 대한 Gene은 genome map이 완성 되어 있다.

Replication (복제)  λ phage에 의해 감염 되는 첫번째 이벤트는 host cell DNA ligase에 의해 cohesive single-stranded의 결합을 통한 분자의 covalent circularization (코발런트 고리화)이다. 이 과정은 supercoiling (DNA 등의 나선 구조를 가진 두 사슬이 다시 꼬인 것)이 가능하고, integration과 transcription을 필요로 한다. host cell RNA polymerase에 의한 transcription은 O_L과 O_R site들에 효소가 결합할 때 시작되고 각각 왼쪽 방향과 오른쪽 방향에서 transcript 된다. 첫 번째 gene은 regulatory protein (조절 단백질)들을 encode 하는 transcript를 transcribe 하고, 왼쪽 방향에 있는 N과 cIII와 오른쪽 방향에 있는 cro와 cII를 transcript 를 transcribe 한다. N 생성물은 이들 particular transcription process들이 지속 되는 것을 도와준다. cII 생성물이 transcribe 될 때, 그것은 cl과 int의 transcription을 활성화 시킨다. 오른쪽으로 향하는 transcription은 O와 P 생성물을 나오게 하고 그것은 phage DNA의 ori에서 출발하는 복제를 시작하게 한다. 초기 gene의 transcription을 저해하는 Cro protein은 productive replication cycle (생식 복제 사이클)에서 더 이상 필요하지 않다.
λ DNA의 복제는 DNA 복제에 대한 일반적인 단계를 따른다. 감염 초기에,





박테리오파지는 세균에 기생하는 바이러스이며 세균과 바이러스의 유전연구에 많이 이용된다. 특히 대장균에 기생하는 파지가 유전연구에 많이 이용 되고 있으며 유전정보도 많이 존재한다.
T2 또는  T4와 같은 파지는 두가지의 생활환을 가지고 있다. 독성 파지(virulent phage)와 잠재성 파지(temperate phage)로 구분 되며 독성 파지는 박테리아 세포에 침입하여 20분~30분 동안 잠복기 동안에 증식을 하고 후에 주세포에서 방충되는 용균 생활환(lytic cycle)을 가진다. 잠재성 파지가 세균에 침입하면 용균성(lytic cycle) 혹은 용원성 생활환(lysogenic cycle)을 경과 할 수 있다. 용원성 생활환은 파지의 DNA가 기주세균의염색체상에 삽입되어 기주염색체와 함께 복제 되는 과정을 통해 파지 염색체을 증가 시키는 것을 말한다. 이 용원성 파지가 자외선등의 환경적 변화에 의해 다시 용균성 생활환으로 돌아 갈 수 도 있다. 이때 기주의 염책체 일부를 추가적으로 가지고 나와 형질 도입을 하는 경우가 있는데 이것을 특수 형질 동비이라고 한다.


출처 : 박테리오파지 (<html>http://bh.knu.ac.kr/~bskim/phage.htm</html>)