[Chapter 2] Bacteriophages

모든 내용은 Gene Cloning and DNA Analysis, 6th edition, T.A.Brown, Wiley-Blackwell을 참고하여 작성하였습니다.

본 글의 제목은 언급된 도서의 각 챕터의 절 이름과 동일합니다.

대부분의 그림 역시 본 책에서 왔으며, 그 이외에는 따로 표시합니다.

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Chapter 2

Vectors for Gene Cloning: Plasmids and Bacteriophages

 

2.2 Bacteriophages

Bacteriophage: Bacteria에 감염하는 virus. 줄여서 Phage라고도 함.
특정 phage는 한 종류의 bacteria에만 감염.
DNA 혹은 RNA를 유전물질로 가지며 단백질 껍질인 capsid에 둘러싸여 있음
⟹ Phage=DNA(or RNA)+protein

The phage infection cycle (lytic cycle)

① The phage particle attaches to the outside of the bacterium and injects its DNA chromosome into the cell.

② The phage DNA molecule is replicated, usually by specific phage enzymes coded by genes in the phage chromosome.

③ Other phage genes direct synthesis of the protein components of the capsid, and new phage particles are assembled and released from the bacterium.

부착(감염), 복제, 조립과 방출이 휴지기 없이 곧바로 이루어지는 것을 lytic cycle이라 함

보통 영양 상태가 좋을 때 빠르게 수를 늘리기 위해서 lytic cycle로 들어가는 경우가 많음

Phage의 생산을 위해서는 lytic cycle이 필수적. 몇몇 파지는 이 과정을 20분 만에 끝내기도 함

Phage particle이 host cell을 빠져나올 때는 host cell을 파괴시키고 나오거나(λ phage) 파괴하지 않고 분비되어 나옴(M13 phage)

Lysogenic phages

일부 phage들은 lysogenic cycle을 가지기도 함

이 기간 동안 phage DNA는 host cell의 염색체에 끼어들어가 세포 분열시마다 함께 복제됨

Prophage: Bacterial chromosome에 끼어든 형태의 phage DNA (episome과 구분하기)

Lysogen: DNA insertion을 당하는 bacterium

 

λ phage

Head-and-tail phage

Head: containing DNA / tail: bacterial surface attachment site

49kb linear dsDNA (with two free ends), clustering of related genes

cos sites, 12nt

λ phage DNA의 양 말단은 cos site로 ss이지만 서로 상보적인 서열을 가짐 

cos sites의 네 가지 기능

① Linear DNA를 circular form으로 바꾸어 insertion을 가능하게 함
(cos sites에서 nick 생긴 후 DNA가 풀리고 복제가 시작됨)

② 숙주 세포 염색체에 Insertion 후 rolling circle mechanism으로 DNA 복제가 일어나는 것을 개시하며, endonuclease recognition sequence로 작용해 복제 종료 후 endonuclease가 cos sites를 인식해 DNA를 1 copy씩 자르도록 함

③ Packing시에 capsid에 붙어 DNA를 capsid 안으로 들어가게 함
(cos site와 전체 DNA size를 인식하여 정확히 1 copy만큼의 DNA가 capsid 안으로 들어가게 됨)

M13 phage

Filamentous phage

6407b circular ssDNA, only 3 genes

ssDNA becomes dsDNA in host cell >> replicative form (RF)

λ phage보다 작고 단순하여 훨씬 간단한 cycle을 가지며, prophage 형태가 존재하지 않음

Pilus를 만들어 E. coli에 conjugation 형식으로 감염함

M13 DNA는 크기가 작고 RF form일 때 plasmid와 흡사하므로 vector로 사용하기에 매우 적합함

ssDNA 산물을 얻기 위해서 유용함

Cell lysis 없이 virus particle만 세포 밖으로 분비되므로 많은 양의 particle을 지속적으로 얻을 수 있음

Cell culture 후 배지를 centrifuge 시켜 얻은 상층액에서 virus만을 분리해 내기가 쉬움
(Cell lysis가 일어나는 λ phage tube 상층액에는 세포 내용물과 virus particle이 섞여 있음)

Viruses as cloning vectors for other organisms

Phage는 plasmid를 vector로 사용할 수 없는 다세포 생명체에서 vector로 이용될 수 있음. Retrovirus(for animal cell)와 geminivirus(for plant cell) 등이 대표적

또한 몇몇 phage DNA는 gene therapy (SV40, adenovirus), synthesis of pharmaceutical proteins (baculovirus) 등의 특별한 용도로 이용되기도 함