13. 바이러스 및 원핵생물의 분자생물학

* 바이러스 : 핵산과 단백질의 결정체, 세포 소기관 X, 세포막의 세포구조도 X

 

*박테리오파지 

-용균파지(T4파지) : 용균주기만 할 수 있는 파지

-용원파지(람다파지) : 용균주기 + 용원주기 가능한 파지

 

*식물감염 바이러스 : 감염시 원형질 연락사를 통해 다른 세포로 이동하면서 퍼짐

 

*DNA 바이러스 : 박테리오파지, 아데노바이러스(상기도감염, 인두염, 결막염), HPV(자궁경부암)

*RNA 바이러스 : 인플루엔자바이러스, HIV

 

*용균주기 : T4 파지

1) 박테리오파지가 숙주세포(세균)의 세포벽수용체에 부착

2) 파지의 효소가 숙주세포벽을 분해, DNA를 세포질내로 주입, 코트단백질은 안 들어감, 이 때 세균이 가진 제한효소(이중 나선 DNA를 절단하는 핵산내부가수분해효소)의 절단 반응을 회피함,

초기유전자발현: 세균의 전사를 억제, 파지의 핵산가수분해효소를 발현하여 세균DNA를 파괴, 파지 DNA 복제를 유도, 후기유전자 발현을 유도                                               

3) 후기유전자 발현 : 파지의 코트 단백질이 합성됨, 세균의 세포벽을 파괴하는 단백질 합성

5) 온전한 파지가 숙주세포 안에서 조립됨

6) 세포벽이 파괴되며 새롭게 생성된 박테리오파지가 방출됨

 

*용원주기 : 람다파지

- 파지가 세균DNA에 잠복하여 세균을 죽이지 않고 몇 세대에 걸쳐 복제되며 살아감

- 몇몇 박테리오파지만 용원주기를 함

- 프로파지 : 세균DNA사이에 끼어든 박테리오파지 DNA

 

1) 박테리오파지가 숙제세포의 세포벽수용체에 결합

2) 세포벽을 분해하고 DNA를 세포질내로 주입, DNA 끝이 서로 연결되며 원형이 됨

3) 파지 DNA와 세균 DNA사이에 서열 특이적 재조합이 일어남

4) 최소한의 유전자들만 발혐, 숙주 DNA와 함께 복제되어 살아가는 프로파지 상태가 됨

 

- 양분이 풍부한 곳에서 대장균을 배양하거나, 프로파지가 삽입된 대장균에서 UV 쪼일 경우 숙주 DNA에서 빠져나와 용균주기를 진행

 

* 독감의 원인 : 인플루엔자 바이러스

cf) 김기의 원인 : 다양하지만 주로 리노 바이러스와 코로나 바이러스가 대부분을 차지함

 

*인플루엔자 바이러스 (RNA)

- 인후염, 고열, 두통, 몸살 등을 일으킴

- 숙주세포가 염증을 일으키고, 기도의 섬모상피가 손상, 병원균들이 기도에서 잘 제거되지 않아 2차 감염 발생

- 8개의 -RNA, NP, HA, NA, 외피를 가진 특징

(mRNA = +RNA, -RNA ≠ mRNA, -RNA 그래서 써먹으려면 한 번 더 복제 해야한다!)

 

-생활사

--바이러스 외피의 HA가 숙주세포의 시알산(세포막 수용체)에 결합하면 클라트린(수용체) 매개 엔도시토시스가 일어남

--바이러스 외피와 엔도좀 막이 융합하면 핵산이 세포질로 방출 & 핵안으로 들어감

--바이러스의 RNA 복제효소(Replicase)가 핵산을 자가복제함 (-RNA --> +RNA --> -RNA)

--복제된 RNA가 세포질로 나와 바이러스 RNA로부터 번역된 여러 단백질들과 조립

--HA와 NA 단백질들이 박혀있는 세포막을 핵산 주변에 감싸 외피를 만들며 밖으로 방출

 

(동물세포는 RNA 복제효소, 즉 RNA Replicase가 없다! 기억기억!)

 

*HIV (Human Immunodeficiency Virus) : 레트로 바이러스

(레트로 : 역전사한다는 의미, 이제부터 레트로갬성은 역전사갬성으로 기억해야지;;;;

자기가 가진 RNA를 주형으로 cDNA를 만들어 숙주DNA에 삽입하여 증식하는 스타일 --> 생각해보자. 역전사효소RT가 필요하고, 역전사한담에 삽입하려면 삽입효소IN가 필요하고, 그거 단백질조립하려면 단백질분해효소PR이 필요하다)

- AIDS (Acquired Immuno Deficiency syndrome) 를 일으킴

- 1개의 RNA와 역전사 효소를 가짐

- 바이러스 감염 후 증식 및 질병까지 상당기간 잠복기 있음

- HIV 감염시 T_helper세포를 죽이기 때문에 면역결핍증이 발생하여 환자는 다른 기회감염으로 사망

 

-생활사

--바이러스 외피의 gp120단백질이 T_helper의 세포막 수용체 단백질 CD4외 결합, 바이러스 외피의 gp41, CCR5가 세포막과 융합함 (엔도시토시스X 그냥 막 융합)

--p24캡시드가 세포질로 들어가면 캡시드안에서 역전사가 일어나 바이러스 RNA를 주형으로 cDNA(ds DNA) 만듦

--cDNA가 핵으로 들어가 숙주 염색체에 무작위로 삽입, 프로바이러스 상태가 됨

--프로바이러스에서 전사가 일어나 바이러스 RNA 합성됨 (숙주의 RNA합성효소2를 이용함)

--전사된 RNA에서 바이러스 단백질 합성

--단백질을 번역해서 단백질분해효소로 쪼개지고, 세포막 근처에서 핵산과 캡시드 조립

--조립과 동시에 숙주세포막을 감싸 외피를 만들며 세포 밖으로 방출

 

*전이인자

-한 세포의 염색체내에서 다른 잔위로 전위(transposition)할 수 있는 유동적인 DNA

-항상 숙주DNA에 삽입된 상태로 있음

 

-DNA transposon : 전위효소 (transposase) 유전자를 지니고 있어서 숙주염색체 안에서 무작위로 이동

--잘라붙이거나 복사해 붙이기 가능

--전이인자가 무작위로 이동하면서 특정 유전자에 삽입해 돌연변이 일으킴

--역방향 반복서열 (Inverted Repeat IR)을 보고 이동시킴

 

-Retrotransposon

--DNA가 스스로 전위되는 DNA transposon과 달리 DNA에서 전사 및 역전사로 인해 만들어진 cDNA가 전위를 진행

--레트로바이러스로 진화했을 것으로 추정

--LTR : Long Terminal Repeat, 레트로바이러스나 레트로트랜스포존의 양끝에 존재하는 서열

 

*박테리아의 환경저항 : 먹이 적고, 공간 좁고, 노폐물 많고

 

*박테리아의 유전정보 교환

-형질전환 : 외래 DNA --> 박테리아

-형질도입 : 바이러스 --> 박테리아

-접합 : 박테리아 --> 박테리아

 

-형질전환 : 주변을 떠돌던 DNA를 받아들여 자신의 유전자형을 바꿈, 이중가닥 DNA 중 한 가닥은 분해, 나머지 한 가닥만 들어가 상동재조합을 일으킴, RecA 관여

 

-형질도입 : 박테리오파지가 운반자로 작용하여 한 세균에서 다른 세균으로 유전물질이 전달, RecA 관여

-바이러스캡시드 조립과정에서 세균 DNA포함하여 조립, 다른 세균에 이전 세균의 DNA 주입

 

-접합 : 두 세균이 성선모를 이용하여 직접 접촉, DNA를 전달

(성선모 : 세균간 유전물질을 주고 받을 때 쓰이는 선모, 접합다리를 형성하여 플라스미드 전달)

--F+(플라스미드공여자)/F-(수여자) 교배

--- 두 세균이 접합하여 세포질다리를 형성, 회전환복제가 일어나면서 F+균주에서 -균주로 F플라스미드 전달

--- 플라스미드 전달 후 F-는 F+로 바뀜

 

-- Hfr (F플라스미드가 DNA삽입된 균주) / F- 교배, RecA 관여

---F플라스미드와 세균 DNA가 연결된 채 수여자에게 차례로 전달

--- 수여자에게 전달된 세균의 유전자 일부가 재조합을 일으킴

--- F-균주는 접합 후에도 (전체를 다 받은 게 아니기 때문에) F-균주로 그대로 남아있음

 

*플라스미드

-숙주염색체와는 별개로 존재하는 작은 원형 DNA

-숙주에게 필수적이지 X, 가지고 있을 경우 잇점을 제공 (R 플라스미드, F 플라스미드)

-회전환복제로 복제진행 (보통은 세타폼 복제인데...얘는 특이함) : 바깥쪽 DNA한줄이 풀리면서 안쪽의 주형에 상보적인 가닥이 복제됨, 바깥쪽 끊을 때 핵산내부가수분해효소가 작용함

 

*박테리아 유전자 발현의 조절

-필요할 때만 발현되는 것이 효율적이다

-다시스트론성으로 유전자가 있으면, 한 번의 조절로 같은 대사에 관여하는 여러 효소유전자들이 함께 발현 가능

-오페론 : 프로모터, 작동자 서열, 전사가 같이 되는 여러개의 구조유전자들로 이루어진 전사단위

 

(프로모터 : 조절부위, RNA합성효소가 붙는자리

작동자서열 : 억제자 단백질이 결합하는 부위

구조유전자 : mRNA로 전사될 수 있는 유전자부위

Lac오페론 : 젖당분해에 관여하는 LacZ, LacY, LacA 를 암호화하는 유전자군)

 

-Lac 오페론 : 포도당이 고갈됐을 때 락토오스를 세포질로 흡수해서 양분으로 쓰기 위해 발현

--글루코스O, 락토오스X, 둘 다 있을 때에서 음성조절

--- i유전자에서 억제자 단백질이 합성, 작동자서열에 결합함 --> RNA 합성효소가 프로모터에 결합하는 걸 방해하게 됨, 결국 Lac오페론의 구조 유전자들의 전사가 억제됨

 

--글루코스 O, 락토오스O

--- 소량의 락토오스가 세포질로 흡수, 유도자인 알로락토오스로 대사됨

--- 유도자 : 알로락토오스가 억제자와 결합하면, 억제자는 작동자 서열에서 떨어짐, 그럼 RNA합성효소가 붙을 수 있겠네

--- 대장균은 포도당을 가장 좋아하기 때문에 Lac 오페론이 활발히 전사되지 않음

 

--글루코스X, 락토오스O, 둘 다 있을 때에서 양성조절

---포도당이 고갈되면 세포질에 cAMP 농도가 높아져 cAMP + CAP 복합체가 생겨 프로모터 앞의 결합서열에 붙음

---이 복합체가 RN,A전사활성을 높여 (등떠미는 역할) Lac오페론의 구조유전자들이 활발히 전사됨

 

(β 갈락토시다아제 : LacZ, 젖당 = 포도당 + 갈락토오스, 이당류를 끊어주는 효소

 락토오스 투과효소 : LacY, 주변의 락토오스를 흡수하기 위한 락토오스 수송효소)

 

-트립토판 오페론 : 트립토판 부족시 트립토판을 합성하는 효소들을 발현하는 오페론, 구조유전자들에 트립토판 합성을 대사하는 유전정보들이 있음

-- 트립토판 X : TrpR 유전자에서 억제자 단백질이 합성되지만, 작동자 서열에 결합하지X, RNA 합성효소가 구조 유전자들을 전사 가능

-- 트립토판 O : 트립토판이 보조억제자로 억제자 단백질에 결합되어 작동자 서열에 결합함, RNA 합성효소가 붙지 못해 전사가 억제됨

 

-감쇠자 : 전사를 감쇠시키는 신호로 되어 있는 DNA 상의 염기배열

-- 트립토판 O : 트립토판+억제자 복합체가 작동자 서열에서 잠시 떨어졌을 때 RNA합성효소가 붙어 전사개시됨, 이 때 구조유전자들의 리더 서열부터 차례로 전사진행, 전사중인 리더 mRNA 서열에 리보솜이 붙어 번역을 개시하는데 이 때 빠른 속도로 진행하는 전사 중 3번-4번 서열에 stem-loop구조가 만들어지며 ρ-비의존적 종결이 이루어지며 전사가 멈춤

 

-- 트립토판 X : RNA합성효소가 활발히 진행하는 와중에 mRNA에 리보솜이 붙어서 동시에 번역 진행, 리더 mRNA 서열에 트립토판 코돈이 있어서 잠시 멈춤 (왜? 트립토판이 부족하니까), 이 때 계속 전사가 일어나면 stem-loop 고리가 2-3번 서열에 형성하게 되며 3-4번 고리가 안 만들어지면서 끝까지 전사진행