박테리아 '점핑 유전자'는 염색체 끝을 표적으로 삼고 제어할 수 있다

트랜스포존, 또는 "점핑 유전자"는 유전체의 한 부분에서 다른 부분으로 이동할 수 있는 DNA 부분으로, 박테리아 진화와 항생제 내성 발달에 중요한 역할을 합니다.

코넬 대학 연구진은 선형 DNA를 가진 박테리아에서 이 유전자들이 생존하고 번식하는 데 사용하는 새로운 메커니즘을 발견했으며, 이는 생명공학과 약물 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

연구자들은 트랜스포존이 박테리아 숙주 내에서 텔로미어라고 불리는 선형 염색체의 끝을 표적으로 삼아 삽입할 수 있다는 것을 보여줍니다. 역사적으로 항생제 개발에 가장 중요한 박테리아 중 하나인 스트렙토마이세스에서 그들은 트랜스포존이 염색체의 약 3분의 1에서 텔로미어를 제어한다는 것을 발견했습니다.

"이것은 그들의 생물학의 큰 부분입니다." 수석 저자인 미생물학 교수 조셉 피터스가 말했다. "박테리아는 이런 작은 땜장이와 같습니다. 그들은 항상 이런 이동성 DNA 조각을 수집하고, 항상 새로운 기능을 만들고 있습니다. 항생제 내성의 모든 것은 실제로 이동성 유전적 요소와 거의 항상 박테리아 사이를 이동할 수 있는 트랜스포존에 관한 것입니다."

5년 전만 해도 일부 기술은 사용할 수 없었지만, 연구자들은 남조류와 스트렙토미세스에서 트랜스포존의 여러 계열을 발견했는데, 이들은 다른 메커니즘을 사용하여 텔로미어에 자신을 발견하고 삽입할 수 있으며, 트랜스포존과 박테리아 숙주에게 이점이 있습니다.

첫째, 염색체 끝에 삽입하면 트랜스포존이 염색체 중앙에 있는 세포의 핵심 기능을 위한 유전자를 피하는 데 도움이 됩니다. 끝을 표적으로 삼을 수 있는 트랜스포존은 필수 기능을 방해하거나 세포 사멸을 일으킬 가능성이 적습니다.

"끝을 표적으로 삼을 수 있다면 숙주가 원하는 것을 녹아웃시킬 가능성이 낮아지고, 그런 다음 이러한 끝은 다양한 시스템을 통해 세포 간에 전달됩니다." 피터스가 말했습니다. "어떤 원소든 살아남으려면(트랜스포존, 박테리아) 실제로 두 가지를 할 수 있어야 합니다. 너무 많은 피해를 입히지 않아야 하고, 새로운 숙주로 이동할 방법이 필요합니다. 텔로미어에 삽입함으로써 두 가지를 모두 할 수 있습니다."

트랜스포존은 진핵 세포에서 염색체 끝에 모여 있는 것으로 발견되었지만, 선형 염색체를 가진 박테리아에서 이것이 기록된 것은 이번이 처음이며, 연구자들은 박테리아 트랜스포존(진핵생물과 비교)이 텔로미어를 제어하는 ​​독특한 메커니즘을 사용한다는 것을 발견했습니다.

트랜스포존은 일반적으로 DNA 요소를 잘라내어 새로운 위치로 옮길 위치를 나타내는 단백질 결합 서열에 의해 둘러싸여 있습니다. 연구자들은 스트렙토마이세스에서 텔로미어의 트랜스포존이 일방적이라는 것을 관찰했습니다. 즉, 한 쪽 끝에는 전통적인 트랜스포존 서열이 있고 다른 쪽 끝에는 텔로미어가 있습니다. 이는 트랜스포존이 기능적으로 텔로미어가 될 수 있게 하여 일반적으로 세포에 필수적입니다.

피터스는 "이것이 그들이 할 수 있는 일은 숙주에게 필수적인 것이 되는 것입니다. 왜냐하면 그들은 이제 텔로미어를 통제하고 있고, 만약 이 시스템과 함께 그 요소가 삭제된다면 숙주는 죽을 것이기 때문입니다."라고 말했습니다.

연구자들은 텔로미어를 표적으로 삼는 트랜스포존의 한 하위 계열을 발견했는데, 이 하위 계열은 일반적으로 박테리아가 바이러스를 방어하는 데 사용하는 CRISPR 시스템을 이용하여 염색체 끝을 표적으로 삼아 삽입했습니다. 이 과정은 피터스 연구실에서 수행한 이전 연구를 더욱 확증한 것으로, 트랜스포존이 CRISPR 시스템을 사용하여 게놈을 돌아다니며, 현재 널리 사용되는 CRISPR-Cas9보다 더 큰 DNA 섹션을 삽입할 수 있는 새로운 유전자 편집 도구의 가능성을 열었습니다.

"트랜스포존은 계속해서 이러한 시스템을 잡아서 다양한 방식으로 협력합니다." 피터스가 말했습니다. "이 논문에서 우리는 텔로미어를 표적으로 삼는 CRISPR-Cas 시스템을 사용하여 이러한 요소의 새로운 하나를 설명했습니다."

특히 실험실에서 조작하기 어렵고 많은 항생제의 발견에 기여한 스트렙토마이세스에 대한 통찰력은 약물 개발에 유용할 수 있습니다. 트랜스포존이 박테리아 진화를 주도하고 연구자들이 이러한 트랜스포존에 인코딩된 새로운 항생제와 기타 유용한 제품을 찾을 수 있도록 도울 수 있기 때문입니다.

"지구상의 대부분의 생명체는 미생물이고, 특히 박테리아입니다." 피터스가 말했다. "우리는 이러한 생물이 어떻게 기능하는지 이해하고 싶지만, 그런 다음 이러한 시스템을 인류의 발전을 위해 어떻게 활용할 수 있는지 보고 싶습니다."

공동 저자로는 박사후 연구원인 Shan-Chi (Popo) Hsieh와 Michael T. Petassi, 박사과정 학생인 Richard Schargel, 그리고 제네바 대학교의 파트너인 Orsolya Barabas와 Máté Fülöp이 있습니다.

이 연구는 미국 국립보건원과 유럽 연구 위원회의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250306152929.htm