박테리오파지 T4
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1. 개요
박테리오파지 T4는 대장균을 숙주로 삼는 바이러스로, 분자 생물학 연구에 널리 사용되는 모델 생물체이다. 1915년과 1917년에 세균이 처음 발견된 이후, T4 파지는 분자 생물학 발전에 크게 기여했으며, 유전 코드 해독, DNA 복제 및 복구 기작 연구에 중요한 역할을 했다. T4 파지는 복잡한 구조를 가지며, 꼬리 섬유를 이용하여 숙주 세포에 부착하고, DNA를 주입하여 용균성 생활사를 통해 증식한다. 또한, 다중 복제 활성화 현상을 통해 손상된 유전체를 복구하는 능력을 가지고 있다.
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| 박테리오파지 T4 - [생물]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
![에스케리키아 바이러스 T4 ([[전자 현미경|EM]]으로 본 [[비리온]])](https://cdn.onul.works/wiki/noimage.png) | |
| 상위 | 테쿼트로바이러스 |
| 종 | 에스케리키아 바이러스 T4 |
| 동의어 | 장내세균 파지 T4 |
| 하위 분류 | 엔테로박테리아 파지 C16 엔테로박테리아 파지 F10 엔테로박테리아 파지 Fs-알파 엔테로박테리아 파지 PST 엔테로박테리아 파지 SKII 엔테로박테리아 파지 SKV 엔테로박테리아 파지 SKX 엔테로박테리아 파지 SV3 엔테로박테리아 파지 T2 엔테로박테리아 파지 T4 엔테로박테리아 파지 T6 |
2. 역사
박테리오파지는 1915년 영국의 과학자 프레데릭 트워트와 1917년 펠릭스 데렐에 의해 처음 발견되었다.[39] T4 파지는 다른 박테리오파지와 마찬가지로 숙주세포인 대장균의 분포에 의존하며, 대장균이 인간의 장에 서식하기 때문에 오물처리장 등에서도 발견될 수 있다.[73]
1930년대 후반, T. L. 라키텐은 밀리슬라브 데메렉과 우고 파노에게 생 하수 또는 생 하수에 감염된 ''E. coli'' 용해물을 제안했고, 이들은 ''E.coli''에서 T3, T4, T5, T6를 분리했다. 1932년 J. 브론펜브레너는 T2 파지를 연구했는데, 이는 하수구가 아닌 분변 물질에서 분리된 것이었다.[39] 맥스 델브뤼크는 박테리오파지를 Type 1(T1), Type 2 (T2), Type 3 (T3) 등으로 명명하는 데 기여했다. T4 바이러스의 분리 시점과 장소는 불분명하지만, 하수 또는 분변 물질에서 발견되었을 가능성이 높다. T4 및 유사 바이러스는 1944년 11월 토마스 F. 앤더슨, 맥스 델브뤼크, 밀리슬라브 데메렉의 논문에서 설명되었다.[40]
1940년대부터 현재까지, T-even 파지들은 가장 잘 연구된 모델 생물체 중 하나이다. T-even 파지들은 가장 크고 복잡한 바이러스 중 하나이며, 약 300개의 유전자로 구성된 유전 정보를 가지고 있다. 또한, 핵산 염기 시토신 대신에 특이한 염기 하이드록시메틸시토신 (HMC)을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.[4]
파지 그룹을 통하여, T4 파지는 20세기 중반 미생물 유전학과 분자 생물학의 발전에 중요한 기여를 했다.
2. 1. 초기 발견
프레데릭 트워트와 펠릭스 데렐이 1915년과 1917년에 각각 박테리오파지를 발견했다.[39] 1930년대 후반, T. L. 라키텐은 밀리슬라브 데메렉과 우고 파노에게 생 하수 또는 생 하수에 감염된 ''E. coli'' 용해물을 제안하여 T3, T4, T5, T6를 분리하도록 했다. 1932년 J. 브론펜브레너는 T2 파지를 연구했는데, 이는 하수구가 아닌 분변 물질에서 분리된 것이었다.[39] 맥스 델브뤼크는 박테리오파지를 Type 1(T1), Type 2(T2), Type 3(T3) 등으로 명명하는 역할을 했다.2. 2. 파지 그룹과 분자생물학 발전
맥스 델브뤼크를 중심으로 한 과학자들의 비공식 네트워크인 파지 그룹은 박테리오파지 T4에 대한 기초 연구를 수행하여 20세기 중반 미생물 유전학과 분자 생물학 발전에 크게 기여했다.[41] 1943년 살바도르 루리아와 델브뤼크는 파지 저항성에 대한 세균 돌연변이가 선택에 대한 반응이 아니라 선택이 없는 상태에서 발생한다는 것을 실험을 통해 증명했다.[1] 이는 박테리아에도 유전자가 존재하며, 자발적인 돌연변이를 통해 돌연변이체가 생성되고 복제될 수 있음을 보여주는 중요한 발견이었다. 이들은 알프레드 허시와 함께 "바이러스의 복제 메커니즘과 유전학에 관한 연구"로 1969년 노벨 생리학·의학상을 공동 수상했다.[41]1961년, 파지 그룹의 시드니 브레너는 프랜시스 크릭 등과 협력하여 T4 파지의 rIIB 유전자의 돌연변이체를 이용한 실험을 통해 유전 코드의 기본 특성을 증명했다.[42] 이들은 유전자의 세 개의 연속적인 염기가 단백질의 각 아미노산을 지정하는 삼중 부호(코돈)를 구성하며, 코돈은 서로 겹치지 않고 고정된 시작점에서 읽힌다는 사실을 밝혀냈다.
1962년부터 1964년까지 파지 T4 연구자들은 앰버 돌연변이와 온도 감수성 돌연변이 등 조건부 치사 돌연변이를 이용하여 파지의 성장에 필수적인 거의 모든 유전자의 기능을 연구했다.[43][44] 이 연구를 통해 DNA 복제, 복구, 재조합 기작, 바이러스 조립(분자 형태 형성) 과정, 사슬 종결 코돈의 역할 등에 대한 이해를 높였다. 특히, 파지 T4의 주요 머리 단백질을 암호화하는 유전자의 앰버 돌연변이체를 사용한 실험[47]은 유전자와 단백질의 공선성(colinearity), 즉 단백질의 아미노산 서열이 유전자의 뉴클레오티드 서열에 의해 결정된다는 것을 입증했다.
노벨상 수상자인 맥스 델브뤼크, 살바도르 루리아, 알프레드 허시, 제임스 D. 왓슨, 프랜시스 크릭을 포함한 많은 과학자들이 바이러스 T4 또는 T4 유사 바이러스를 연구했다.[48]
2. 3. 한국에서의 연구
T 짝수 파지는 바이러스로서는 최대 규모이며 복잡한 바이러스로, 약 160종의 유전자를 가지고 있다. 다른 바이러스에서는 찾아볼 수 없는 히드록시메틸시토신(HMC)이 시토신 대신에 존재한다는 특징이 있다. T 짝수 파지는 이러한 특징으로 인해 약제 내성의 전달을 담당하는 형질도입, 새로운 효소 등의 형질 획득에 관련된 용원 전환, 변이를 일으키는 세균 게놈으로의 무작위 삽입, 세균의 역학적 형별 응용, 나아가 유전자 공학에서의 클로닝 벡터로서의 이용과 같은 중요한 의의를 가진다. 예를 들어, 유전자 라이브러리나 단일클론 항체 라이브러리 구축에 파지가 사용된다.[51]3. 구조
T4 파지는 다른 바이러스에 비해 구조가 복잡하다. T4 파지의 입자는 DNA와 단백질로 구성되어 있으며, 질량으로는 이 둘이 거의 비슷한 양으로 함유되어 있다. 크게 머리와 꼬리로 구성된다.
T4는 비교적 큰 바이러스로, 폭이 약 90 nm, 길이가 200 nm이다(대부분의 바이러스는 길이가 25~200 nm).[9] T4와 같은 마이오비리데 파지는 꼬리 조립 및 기능에 관여하는 많은 수의 단백질을 가진 복잡한 수축성 꼬리 구조를 가지고 있다.[10]
박테리오파지(파지) T4 비리온이 조립될 때, 파지 유전자에 의해 암호화된 형태 형성 단백질은 특징적인 순서로 서로 상호 작용한다. 바이러스 감염 동안 생성되는 각 단백질의 적절한 균형을 유지하는 것은 정상적인 파지 T4 형태 형성에 매우 중요한 것으로 보인다.[13] 파지 T4가 암호화한 단백질은 비리온 구조를 결정하며 주요 구조 구성 요소, 부수적 구조 구성 요소 및 형태 형성 시퀀스의 특정 단계를 촉매하는 비구조 단백질을 포함한다.[14] 파지 T4 형태 형성은 머리, 꼬리, 긴 꼬리 섬유의 세 가지 독립적인 경로로 나뉜다.[15]
3. 1. 머리
T4 파지의 머리는 한쪽으로 늘여진 길쭉한 이십면체형이며, 여기에는 T4 파지의 유전물질인 하나의 선형 이중나선 DNA가 들어있다. DNA 길이는 약 168.9킬로베이스로, 다른 바이러스에 비해 매우 크다.[74] T4 파지의 DNA에는 시토신 대신 5-하이드록시메틸시토신(HMC)이 존재한다.[74]
3. 2. 꼬리
꼬리는 수축이 가능한 형태이고, 꼬리의 수축은 박테리아에 자신의 유전물질을 주입할 때 일어난다. 머리와 꼬리 사이의 목 부위에는 '수염'이라고 불리기도 하는 섬유가 있다. 꼬리 끝에는 바닥판이 있고 바닥판에는 꼬리 섬유가 연결되어 있다.[74] 꼬리 섬유는 숙주 세포 표면 수용체를 인식하는 데에 중요하며, 박테리아가 바이러스의 숙주 범위 내에 있는지 여부를 결정한다.[11]T4 파지 꼬리 끝부분인 6MDa의 기저부는 13종류의 단백질(유전자 산물 5, 5.4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 25, 27, 48, 53) 조합으로 이루어져 있으며, 총 127개의 폴리펩타이드 사슬로 구성된다. 최근 원자 수준에서 상세한 구조가 밝혀졌다. 꼬리 관의 근위 영역은 gp54가 구성하지만, 주요 부분은 gp19가 구성하고 있다. 자 단백질 gp29는 기저부-꼬리 관 복합체에 존재하지만, 모델화되어 있지 않다.[60]
3. 3. 꼬리 섬유
T4 파지의 꼬리 섬유는 숙주 세포 표면의 수용체를 인식하는 데 중요한 역할을 하며, 이를 통해 박테리아가 바이러스의 숙주 범위 내에 있는지 여부를 결정한다.[11] 꼬리 섬유는 긴 꼬리 섬유(LTF)와 짧은 꼬리 섬유(STF)로 구성된다.긴 꼬리 섬유(LTF)는 대장균 세포 표면에 있는 OmpC 포린 단백질과 리포다당류(LPS)에 결합하여 감염을 시작한다.[61][62] 이 결합은 인식 신호를 기저판으로 전달하고, 짧은 꼬리 섬유(STF)가 대장균 세포 표면에 불가역적으로 결합하도록 유도한다.
기저판은 13가지 다른 단백질(유전자 산물 5, 5.4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 25, 27, 48 및 53)의 127개 폴리펩타이드 사슬로 구성된 6 메가달톤의 복잡한 구조이다.[12] 기저판의 구조 변화와 꼬리 외피 수축을 통해 꼬리 튜브 끝에 있는 GP5가 세균의 세포 외막에 구멍을 낸다.[60] GP5의 리소자임 도메인은 세포 표층의 펩티도글리칸 층을 분해한다. 이러한 과정을 통해 머리 부분에 있던 DNA가 꼬리 튜브를 통해 대장균 세포 내로 들어간다.[64][65][66]
4. 유전체
T4 파지는 바이러스 중에서는 가장 크고 복잡한 바이러스에 속하며, 약 160종의 유전자를 가지고 있다. T4 파지의 특징으로는 다른 바이러스에서 찾아볼 수 없는 히드록시메틸시토신(HMC)이 시토신 대신 존재한다는 점이 있으며, 이 HMC는 특정 패턴으로 당쇄 수식을 받는다.[51] 이러한 특징 덕분에 T4 파지는 약제 내성 전달을 담당하는 형질도입, 새로운 효소 등의 형질 획득과 관련된 용원 전환, 변이를 일으키는 세균 게놈으로의 무작위 삽입, 세균의 역학적 형별 응용, 그리고 클로닝 벡터로서 유전자 공학에 이용되는 등 중요한 의의를 가진다. 파지는 유전자 라이브러리나 단일클론 항체 라이브러리 구축에 사용되며, 자연 환경에서 물로부터 세균을 제거하는 작용도 한다.[53]
4. 1. 유전체 구조
T4 바이러스의 이중 가닥 DNA 유전체는 약 169 kbp이며[5], 289개의 단백질을 암호화한다. T4 유전체는 말단 중복이다. DNA 복제 시, 긴 다중 유전체 길이의 연결체가 형성되며,[6] 포장 시, 연결체는 동일한 길이의 비특이적 위치에서 절단되어, 원래 유전체의 순환적 순열을 나타내는 여러 유전체를 생성한다.[7] T4 유전체는 진핵생물과 유사한 인트론 서열을 가지고 있다.4. 2. 유전자 발현
샤인-달가노 서열 GAGG는 T4 파지 초기 유전자에서 우세하며, GGAG 서열은 초기 mRNA 분해를 시작하는 T4 엔도뉴클레아제 RegB의 표적이다.[8]5. 생활사
T4 파지는 용균성 생활사만을 반복하는 독성 파지이다. 대장균에 감염되면, 먼저 꼬리 섬유를 이용해 대장균 표면을 인식하고 스파이크로 부착한다. 이후 꼬리가 수축하며 T4 파지의 DNA가 머리에서 꼬리를 거쳐 대장균 세포질로 주입된다.[75] DNA 주입 후, T4 파지는 대장균의 DNA 복제, 전사, 단백질 합성을 중단시키고, 자신의 DNA를 복제하고 단백질을 합성하여 새로운 파지를 조립한다.
T4 파지의 용균성 생활사는 크게 흡착 및 침투, 증식, 방출의 세 단계로 나눌 수 있으며, 각 단계별 주요 과정과 소요 시간은 아래 표와 같다.
| 단계 | 소요 시간 | 주요 과정 |
|---|---|---|
| 흡착 및 침투 | 즉시 시작 | T4 파지가 대장균 표면에 부착하고 DNA 주입, 숙주 유전자 발현 중지. |
| 증식 | 5분 후 (효소 합성) | T4 파지의 효소 합성, DNA 복제, 새로운 바이러스 입자 형성. |
| 방출 | 감염 후 약 25~30분 (37℃) | 대장균 세포벽 및 세포막 파괴, 새로운 T4 파지 방출 (약 100~150개). |
생활 주기가 완료되면, 숙주 세포는 용해되어 새로 생성된 바이러스를 환경으로 방출하며 파괴된다. T4는 감염된 숙주당 약 100-150개의 바이러스 입자를 방출한다.[20]
T4 파지는 1940년대부터 현재까지 가장 많이 연구된 모델 생물 중 하나이다. T4 파지는 바이러스 중에서는 비교적 큰 규모이며 복잡한 바이러스로, 약 160종의 유전자를 가지고 있다. 또한, 다른 바이러스에서는 찾아볼 수 없는 히드록시메틸시토신(HMC)이 시토신 대신 존재하며, 이 HMC는 특정 패턴으로 당쇄 수식을 받는다는 특징이 있다. T4 파지는 유전자 발현 조절에도 독자적인 특징을 가지고 있어,[51] 약제 내성 전달, 새로운 효소 획득, 변이 유발, 세균의 역학적 형별, 클로닝 벡터 등 다양한 분야에서 중요한 의의를 가진다. 예를 들어, 유전자 라이브러리나 단일클론 항체 라이브러리 구축에 파지가 사용되며, 자연 환경에서 물로부터 세균을 제거하는 작용도 한다.[53]
5. 1. 흡착 및 침투
T4 파지는 용균성 생활사만을 반복하는 독성 파지이다. T4 파지는 꼬리 섬유의 끝부분을 이용하여 대장균의 표면을 인식하고, 스파이크를 이용하여 대장균 표면에 부착한다. 부착이 완료되면 꼬리가 수축하고 T4 파지의 DNA가 머리에서부터 꼬리를 지나 바닥판을 통해 대장균의 세포질로 주입된다.[75]
T4 바이러스는 긴 꼬리 섬유(LTF)를 사용하여 ''대장균'' 감염을 시작하며, ''대장균'' 세포 표면의 OmpC 포린 단백질 및 지질다당류(LPS)에 결합한다.[16][17] 인식 신호가 LTF를 통해 바닥판으로 전달되면, ''대장균'' 세포 표면에 돌이킬 수 없이 결합하는 짧은 꼬리 섬유(STF)가 풀린다. 바닥판은 형태를 변화시키고, 꼬리 외피는 수축하여 꼬리 튜브 끝에 있는 GP5가 세포의 외부 세포막을 뚫도록 한다.[18] GP5의 라이소자임 도메인이 활성화되어 주변질 펩티도글리칸 층을 분해한다. 막의 나머지 부분은 분해된 다음 바이러스 머리에서 나온 DNA가 꼬리 튜브를 통해 ''대장균'' 세포로 들어갈 수 있다.
다른 모든 바이러스와 마찬가지로 T-짝수 파지는 숙주 표면에 무작위로 부착되지 않고, 숙주 표면에서 발견되는 특정 단백질 구조인 수용체를 "탐색"하여 결합한다. 이러한 수용체는 파지에 따라 다르며, 테이코산, 세포벽 단백질 및 지질다당류, 편모, 선모 모두 파지가 결합하는 수용체 역할을 할 수 있다. T-짝수 파지가 숙주를 감염시키고 생활 주기를 시작하려면 감염의 첫 번째 과정인 박테리아 세포에 대한 파지의 흡착 과정에 들어가야 한다. 흡착은 파지-숙주 쌍의 특성 값이며, 숙주 세포 표면에 파지가 흡착되는 것은 가역적 및 비가역적의 2단계 과정으로 설명된다. 여기에는 파지의 꼬리 섬유가 파지를 숙주의 적절한 수용체에 결합하는 데 도움을 주는 파지의 꼬리 구조가 관여한다. 이 과정은 가역적이다. 베이스 플레이트의 구성 요소 중 하나 이상이 파지가 박테리아에 결합하는 비가역적 과정을 매개한다.
침투 역시 파지의 유전 물질을 세균 내부에 주입하는 파지-숙주 감염의 특성 값이다. 핵산의 침투는 비가역적 흡착 단계 후에 발생한다. 파지 핵산의 침투와 관련된 메커니즘은 각 파지마다 다릅니다. 이 침투 메커니즘에는 전기화학적 막 전위, ATP 분자, 펩티도글리칸 층의 효소 분해 또는 이 세 가지 요소 모두 박테리아 세포 내 핵산의 침투에 필수적일 수 있다. T2 박테리오파지 (T4 유사 파지)의 침투 메커니즘에 대한 연구가 수행되었으며, 파지의 꼬리가 박테리아 세포벽 내부로 침투하지 않으며 이 파지의 침투는 내부 막의 전기화학적 막 전위와 관련이 있음을 보여주었다.[24][25]
1952년, 허쉬(Hershey)와 체이스(Chase)[19]는 단백질과는 별개로 파지 DNA가 감염 시 숙주 세균 세포에 들어가 파지의 유전 물질임을 보여주는 중요한 증거를 제시했다. 이 발견은 DNA가 일반적으로 다양한 유기체의 유전 물질임을 시사했다.
5. 2. 증식
T4 파지는 용균성 생활사만을 반복하는 독성 파지이다. T4 파지는 꼬리 섬유 끝부분을 이용하여 대장균 표면을 인식하고, 스파이크를 이용하여 대장균에 부착한다. 꼬리가 수축하고 T4 파지의 DNA가 머리에서 꼬리를 지나 바닥판을 통해 대장균의 세포질로 주입된다. DNA 주입 후 T4 파지 유전자의 작용으로 대장균의 DNA 복제, 전사, 단백질 합성 기능이 즉시 중지된다.[75]이후 대장균의 효소를 이용하여 T4 파지의 DNA가 복제되고 단백질이 합성된다. 생성된 DNA와 단백질은 조립되어 완전한 형태의 T4 파지를 만든다. T4 파지의 유전자로 인해 생성된 물질이 대장균의 외막에 존재하는 다당질을 파괴하고, 삼투압이 대장균의 세포벽을 약화시킨다. 최종적으로 대장균은 파괴되고 새롭게 생성된 T4 파지가 방출된다. 37°C에서 감염이 이루어진 경우 약 25분 만에 박테리아가 파괴되며 약 300개 가량의 새로운 T4 파지 입자가 방출된다.[75]
용균성 생활사는 약 30분(37 °C에서)이 소요된다. 독성 박테리오파지는 침투 직후 박테리아 숙주 내에서 증식한다. 자손 파지 수가 일정량에 도달하면 숙주를 용해시키거나 파괴하여 새로운 숙주 세포에 감염될 수 있도록 방출된다.[20] 이 과정을 용균성 주기라고 한다. 용균성 주기는 감염된 세포와 그 막의 파괴를 포함하는 바이러스 생식 주기이다.
T4 파지의 증식 단계는 다음과 같다.
생활 주기가 완료되면 숙주 세포는 용해되어 새로 생성된 바이러스를 환경으로 배출하여 숙주 세포를 파괴한다. T4는 감염된 숙주당 약 100-150개의 바이러스 입자를 방출한다.
벤저(1955–1959)는 ''rIIA'' 및 ''rIIB'' 유전자에 결함이 있는 박테리오파지 T4 돌연변이를 사용하여 유전자의 미세 구조를 연구했다.[21][22][23] 상호 보완 검사와 유전적 재조합을 탐지하기 위한 교차, 특히 결실 돌연변이 간의 교차를 이용했다. 이러한 유전학적 실험을 통해 유전자 내의 돌연변이 부위의 고유한 선형 순서를 발견했다. 이는 유전자가 독립적으로 돌연변이할 수 있는 많은 부위를 가진 DNA의 길이에 해당하는 선형 구조를 가지고 있다는 강력한 증거를 제공했다.
바이러스 T4 게놈은 굴대 복제를 사용하여 숙주 세포 내에서 합성된다.[1] 37°C에서 DNA가 지수적으로 증가하는 동안, 그 속도는 초당 749개의 뉴클레오티드였다.[26] 바이러스 T4 DNA 합성 동안 복제당 염기쌍당 돌연변이율은 1.7 x 10−8로,[27] 이는 300개의 복제본 중 단 1개의 오류만 발생하는 매우 정확한 DNA 복제 메커니즘이다. 바이러스는 또한 독특한 DNA 복구 메커니즘을 암호화한다.[28] T4 파지 머리는 나중에 분해되는 스캐폴딩 단백질 주변에 빈 상태로 조립된다. DNA는 작은 구멍을 통해 프로헤드에 들어가야 하며, 이는 먼저 DNA와 상호 작용하는 gp17의 육량체를 통해 달성되며, 이는 또한 모터와 뉴클레아제로 작용한다. T4 DNA 포장 모터는 초당 최대 2000개의 염기쌍 속도로 바이러스 캡시드에 DNA를 로드하는 것으로 밝혀졌다.[29]
5. 3. 방출
T4 파지 유전자에 의해 생성된 물질은 대장균 외막의 다당질을 파괴한다. 이로 인해 삼투압이 대장균 세포벽을 약화시켜, 최종적으로 대장균은 파괴되고 새로운 T4 파지가 방출된다. 37°C에서 감염이 이루어지면 약 25분 만에 박테리아가 파괴되며, 약 300개 가량의 새로운 T4 파지 입자가 방출된다.[75]용균성 생활사가 완료되면, 숙주 세포는 용해되어 새로 생성된 바이러스를 환경으로 배출하고 파괴된다. T4는 감염된 숙주당 약 100-150개의 바이러스 입자를 방출한다.[20]
T4 파지는 증식 최종 단계에서 숙주 세균으로부터 바이러스 입자를 방출한다. 바이러스 입자는 세균 세포막 파괴 후 방출된다. 바이러스 단백질은 펩티도글리칸과 세포막을 파괴하는 용균을 일으킨다. 방출된 박테리오파지는 다른 세균에 감염되어 증식 사이클을 반복한다.
6. 다중 복제 활성화
다중 복제 활성화(Multiplicity reactivation, MR)는 불활성화된 게놈 손상을 포함하는 둘 이상의 바이러스 게놈이 감염된 세포 내에서 상호 작용하여 생존 가능한 바이러스 게놈을 형성하는 과정이다. 살바도르 루리아는 1946년 자외선에 조사된 바이러스 T4를 연구하면서 MR을 발견하고, 손상된 바이러스의 재활성화가 재조합 메커니즘에 의해 발생한다고 제안했다.[30][31][32] 이는 1952년 허시-체이스 실험을 통해 바이러스 T2에서 DNA가 유전 물질로 확인되기 전의 일이다.[1]
루리아(1984,[33] 97페이지)가 회상하듯이, 조사된 바이러스의 재활성화("다중 복제 활성화"라고 함) 발견은 초기 파지 그룹 내에서 방사선 손상 복구 연구를 즉시 촉발했다. 이후 루리아가 발견한 손상된 바이러스의 상호 지원에 의한 복구는 DNA 복구의 특별한 경우 중 하나일 뿐이라는 것이 밝혀졌다. 인간을 포함한 모든 연구된 유기체는 DNA 손상을 복구하기 위한 복잡한 생화학적 과정을 가지고 있으며, 이는 노화, 암, 불임으로부터 보호하는 데 중요한 역할을 한다.
6. 1. MR 과정
살바도르 루리아는 1946년 자외선에 조사된 박테리오파지 T4를 연구하면서 다중 복제 활성화(MR)를 발견했다. 그는 손상된 바이러스의 재활성화가 재조합 메커니즘에 의해 발생한다고 제안했다.[30][31][32] 이는 1952년 허시-체이스 실험을 통해 DNA가 유전 물질로 확인되기 전의 일이다.다중 복제 활성화(MR)는 불활성화된 게놈 손상을 포함하는 둘 이상의 바이러스 게놈이 감염된 세포 내에서 상호 작용하여 생존 가능한 바이러스 게놈을 형성하는 과정이다. 루리아가 발견한 손상된 바이러스의 상호 지원에 의한 복구는 DNA 복구의 특별한 경우 중 하나일 뿐이며, 모든 종류의 세포가 DNA 손상을 복구하기 위한 복잡한 생화학적 과정을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
바이러스 T4에서 MR에 필요한 여러 유전자는 원핵생물, 진핵생물, 고세균에서 재조합에 필수적인 유전자와 정형 유전자로 밝혀졌다. 예를 들어, T4 유전자 ''uvsX''[37]는 대장균의 RecA와 진핵생물의 RAD51, 고세균의 RadA와 삼차원 구조적 상동성을 갖는 단백질을 지정한다.
6. 2. DNA 손상 복구
살바도르 루리아는 1946년 자외선에 조사된 바이러스 T4를 연구하면서 다중 복제 활성화(Multiplicity reactivation, MR)를 발견했다. 다중 복제 활성화는 불활성화된 게놈 손상을 포함하는 두 개 이상의 바이러스 게놈이 감염된 세포 내에서 상호 작용하여 생존 가능한 바이러스 게놈을 형성하는 과정이다.[30][31][32] 루리아는 손상된 바이러스의 재활성화가 재조합 메커니즘에 의해 발생한다고 제안했다.MR은 일반적으로 "생존 곡선"으로 표시된다. 다중 감염된 세포(다중 복합체)에서 게놈 손상제의 투여량에 따른 플라크 형성 능력 생존율을 보여준다. 단일 감염된 세포(단일 복합체)의 바이러스 플라크 형성 능력 생존율도 함께 표시하여 비교한다.
위의 그림은 자외선 조사가 증가함에 따라 바이러스 T4 다중 복합체 및 단일 복합체의 생존 곡선을 보여준다. 다중 복합체의 생존율이 단일 복합체의 생존율을 매우 큰 요인으로 초과한다. 다중 복합체에 대한 자외선 불활성화 곡선은 초기 어깨를 가지고 있는데, 이는 두 개의 재조합 과정이 사용됨을 의미한다.[36] 첫 번째 과정은 DNA를 효율적으로 복구하지만, 손상이 증가하면 그 능력이 포화된다. 두 번째 과정은 모든 수준의 손상에서 작동한다. 다중 복합체에서 방출된 생존 T4 바이러스는 돌연변이의 증가를 보이지 않아, 자외선 조사된 바이러스의 MR이 정확한 과정임을 나타낸다.[36]
DNA 손상제인 마이토마이신 C(MMC)에 의한 바이러스 T4의 불활성화에 대한 생존 곡선(위 그림 아래)은 초기 어깨가 없다. 이는 위에서 설명한 두 번째 재조합 복구 과정만 활성화되어 있음을 시사한다. 이 과정에 의한 복구의 효율은 매우 높아서, 1,000개 중 1개의 단일 복합체만 생존할 수 있는 MMC 투여량에도 다중 복합체의 약 70%가 생존할 수 있다.
바이러스 T4에서 MR에 필요한 여러 유전자는 정형 유전자로 밝혀졌다. 이들은 원핵생물, 진핵생물, 고세균에서 재조합에 필수적인 유전자이다. 예를 들어 T4 유전자 ''uvsX''[37]는 ''대장균''의 RecA와 진핵생물의 상동 단백질 RAD51 및 고세균의 RadA와 삼차원 구조적 상동성을 갖는 단백질을 지정한다. 따라서 MR 동안 DNA 손상의 효율적이고 정확한 재조합 복구는 진핵생물에서 감수 분열 동안 발생하는 재조합 복구 과정과 유사할 수 있다.[38]
7. 생태
다른 박테리오파지와 마찬가지로 T4 파지의 분포는 숙주세포인 대장균의 분포에 의존한다. 대장균이 인간의 장에 서식하기 때문에 T4 파지는 오물 처리장 등에서도 발견될 수 있다.[73]
8. 연구에서의 활용
T-짝수 파지들은 1940년대부터 현재까지 가장 잘 연구된 모델 생물체로 여겨진다. 모델 생물은 일반적으로 5개 정도의 유전자를 가진 간단한 생물체여야 한다. 그러나 T-짝수 파지들은 사실상 가장 크고 복잡한 바이러스 중 하나이며, 이 파지의 유전 정보는 약 300개의 유전자로 구성되어 있다. 복잡성과 함께, T-짝수 바이러스는 핵산 염기 시토신 대신에 특이한 염기 하이드록시메틸시토신(HMC)을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.[4]
T-짝수 파지는 유전자 발현 조절에도 독자적인 특징을 가지고 있다.[51] 이러한 특징에 의해 T-짝수 파지는 약제 내성의 전달을 담당하는 형질도입, 새로운 효소 등의 형질 획득에 관련된 용원 전환, 변이를 일으키는 세균 게놈으로의 무작위 삽입, 세균의 역학적 형별 응용, 더 나아가 유전자 공학에서의 클로닝 벡터로서의 이용과 같은 중요한 의의를 가진다. 예를 들어, 유전자 라이브러리나 단일클론 항체 라이브러리 구축에는 파지가 사용된다. 더 나아가 파지는 자연 환경에서 물로부터 세균을 제거하는 작용도 한다.[53]
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