16S 리보솜 RNA

3. 구조

16S rRNA는 23S rRNA와 상호작용한다. 이 RNA 복합체는 구조적으로 리보솜 단백질의 위치를 결정하는 발판으로 기능하며, 두 개의 리보솜 소단위체(50S 및 30S)의 결합을 지원한다. 3' 말단에는 mRNA의 AUG 개시 코돈 상류에 결합하는 샤인-달가노 서열(Shine-Dalgarno sequence)의 상보 사슬이 포함되어 있다. 16S RNA의 3' 말단은 단백질 합성을 시작하는 데 관여하는 S1 및 S21 단백질에 결합한다.^[5]

1492 잔기와 1493 잔기에서 아데닌(A)이 늘어서 있는 부분을 A 부위라고 하며, 이 A 부위의 아데닌이 가진 N1 원자와 mRNA 골격의 두 개의 OH 기 사이에 수소 결합을 형성하여 정확한 코돈-안티코돈 짝 형성을 안정화시킨다.

세균의 16S rRNA 유전자에는 리보솜 소단위체의 이차 구조에 관여하는 9개의 초가변 영역(V1-V9)이 포함되어 있으며, 이들의 길이는 약 30-100염기쌍이다.^[58] 보존 정도는 초가변 영역 간에 크게 다르며, 더 보존된 영역은 문이나 강과 같은 더 높은 수준의 분류에 이용할 수 있고, 반면에 보존도가 낮은 영역은 속이나 종과 같은 더 낮은 수준의 분류에 이용된다.^[59]

16S rRNA 초가변 영역은 세균 계통 간에 서열이 크게 다를 수 있지만, 전체적으로 16S rRNA 유전자는 진핵생물(18S rRNA)보다 균일성을 잘 유지하고 있어, 정렬이 비교적 용이하다.^[62] 게다가, 16S rRNA 유전자에는 초가변 영역 간의 고도로 보존된 서열이 포함되어 있어, 서로 다른 분류군에 걸쳐 동일한 초가변 영역을 확실하게 PCR 증폭할 수 있는 유니버설 프라이머를 설계하는 것이 가능하다.^[63]

많은 세균총 분석 연구에서는 완전한 16S rRNA 유전자와 거의 동일한 정확도로 문 수준의 계통 분석을 수행할 수 있는 V4 초가변 영역을 선택하는 경우가 많다.^[64] 보존도가 낮은 영역은 높은 차수의 계통 분류에는 적합하지 않지만, 예를 들어 특정 병원체를 검출하는 용도로 자주 이용된다.

16S rRNA 초가변 영역을 기반으로 한 서열 분석은 세균 계통의 분류학적 연구에 유용하지만, 매우 근연한 종들을 구별하는 것은 어려운 경우가 있다.^[66]

4. 생성

16S rRNA는 원핵생물의 유전체 DNA에서 전사되어 만들어진다.

5. 응용

16S 리보솜 RNA(rRNA) 서열 비교는 원핵생물, 특히 세균을 동정하는 데 사용된다.^[95] 이 RNA 서열은 대부분 보존되어 있지만, 일부 구간은 높은 염기서열 다양성을 보인다. 종 내에서는 다양성이 거의 없지만, 종 간에는 다양성이 나타나 생물 동정에 유용하며, 특히 배양이 어렵거나 보고된 적 없는 생물의 동정 및 분류에 유용하게 활용된다.

16S rRNA 유전자 염기서열 분석은 의학 미생물학에서 세균 식별의 표현형적 방법을 대체하는 빠르고 저렴한 대안으로 널리 사용된다.^[23] 처음에는 세균 식별에 사용되었으나, 이후 새로운 종이나 속으로 세균을 재분류하거나, 배양된 적 없는 새로운 종을 기술하는 데에도 사용된다.^{[24][7][25][26][27]}

3세대 염기서열 분석 기술의 발전으로 수천 개의 16S rRNA 염기서열을 동시에 분석할 수 있게 되면서, 장내 미생물 군집과 같은 메타게놈 연구가 가능해졌다.^[28]

5. 1. PCR 및 차세대 염기서열 분석 (NGS) 응용

3세대 염기서열 분석이 도입되면서 수천 개의 16S rRNA 염기서열을 동시에 몇 시간 내에 식별할 수 있게 되어, 창자 내 미생물군집과 같은 메타게놈 연구가 가능해졌다.^[28] 감염이 확인된 환자로부터 수집한 샘플에서 16S rRNA 차세대 염기서열 분석(NGS)은 기존 배양법에 비해 40%의 사례에서 향상된 검출 능력을 보였다.^[29]

5. 2. 과변이 영역 (Hypervariable regions)

6. 16S rRNA 유전자 데이터베이스

16S rRNA 유전자는 대부분의 미생물에 존재하고 적절한 변화를 보이기 때문에 미생물의 분류 및 식별의 표준으로 사용된다.^[42] 이 유전자는 원핵생물을 동정하는데 사용될 수 있으며,^[95] 특히 배양이 불가능하거나 어려운 생물, 또는 보고된 적이 없는 생물의 동정 및 분류에 유용하게 사용된다.

대부분의 세균과 고세균에 대한 16S rRNA 유전자 서열의 표준 균주는 NCBI와 같은 공개 데이터베이스에서 이용할 수 있다. 그러나 이러한 데이터베이스에 저장된 서열은 품질이 검증되지 않은 경우가 많다. 따라서 16S rRNA 서열만을 수집하는 2차 데이터베이스가 널리 사용된다.

많이 사용되는 주요 2차 데이터베이스는 다음과 같다:

• EzBioCloud: 체계적으로 관리되고 정기적으로 업데이트되며, 새로운 후보 종이 등록되기도 한다. 웹사이트에서는 ANI 계산, ContEst16S, QIIME 및 Mothur 파이프라인용 16S rRNA DB와 같은 바이오인포매틱스 도구를 제공한다.^[42]
• Ribosomal Database Project (RDP): 리보솜 데이터와 관련 프로그램 및 서비스를 제공하는 큐레이션된 데이터베이스이다.^{[45] [91]}
• SILVA: 세 가지 생명체 역(세균, 고세균, 진핵생물)의 정렬된 소형 및 대형 소단위체 리보솜 RNA(rRNA) 서열의 포괄적이고 품질이 검증된, 정기적으로 업데이트되는 데이터 세트와 검색, 프라이머 설계 및 정렬 도구를 제공한다.^[47]
• GreenGenes: 품질 관리된, 포괄적인 16S rRNA 유전자 참조 데이터베이스 및 ''de novo'' 계통 발생을 기반으로 한 분류법으로 표준 작업 분류군 세트를 제공한다.^[48][49]
• MIMt: 메타게놈 샘플을 빠르게 식별하기 위한 소형 비중복 16S 데이터베이스이다.^[43]

6. 1. MIMt

6. 2. EzBioCloud

6. 3. Ribosomal Database Project (RDP)

6. 4. SILVA

6. 5. GreenGenes

7. 16S rRNA 유전자 분석의 한계

일부 고세균은 16S rRNA 유전자에 인트론을 포함하고 있어, 유니버설 프라이머의 결합을 방해할 수 있다.^[95] 미토콘드리아 및 엽록체의 16S rRNA도 증폭될 수 있으므로, 진핵생물이 포함된 샘플 분석 시 주의해야 한다. 유니버설 프라이머를 사용한 군집 구조 분석은 환경에 존재하는 16S rRNA를 모두 증폭하므로, 생존 개체뿐만 아니라 사망하여 용균된 RNA 잔해까지도 증폭시킬 수 있다. 수평적 유전자 전달에 의해 16S rRNA 유전자가 종 간에 이동될 수 있으므로, 계통 분석 시 주의가 필요하다.^{[38][39][40][41]}

8. 역사

과거 원핵생물의 분류는 세포의 형태, 분리 조건, 염색법 등으로 이루어졌지만, 이러한 표현형 형질로는 계통수상의 상하 관계를 설명하는 데 이르지 못했다. 그러나 1970년대 사이토크롬, 페레독신, 5S rRNA 등의 염기 서열을 기반으로 한 계통 분류가 분자생물학의 발전과 함께 점차 활발해졌다.

유전자의 일차 구조에 기반한 계통 분류는 원핵생물에 대해 특히 유효했다. 칼 우즈 등은 리보솜 소(小) 서브유닛을 구성하는 RNA, 즉 16S rRNA의 염기 서열을 사용하여 원핵생물의 계통 분류를 수행하여 원핵생물이 진정세균과 고세균이라는 두 개의 도메인으로 구성됨을 나타냈다. (1977년 당시에는 올리고뉴클레오티드 카탈로그법을 사용했다.)

현재, 16S rRNA를 이용한 계통 분석은 계통수 작성뿐만 아니라, 임의의 환경 내 세균·고세균의 군집 구조 관측에 도움이 되고 있다. 이 방법을 사용하면 분리·배양이 어려운 난배양성 균종을 포함하여 포괄적으로 군집 구조를 밝힐 수 있으며, 새로운 균의 존재를 배열 분석으로 밝힐 수 있다(1996년 Barns에 의해; 메타게노믹스 참조).

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