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  1. 2016.11.17 [미생물학] 람다 파지 (Lambda phage)

람다파지(Lambda phage)


Bacteriophage는 세균(Bacteria)에 감염하는 virus를 말하는데, lambda phage는 대장균(E.coli)를 숙주(host)로 하는 virus입니다.

dsDNA virus로 Class I에 속하며, prophage형태로 host 내의 DNA에 들어가 lysogenic cycle로 생활하다가 특정 자극(UV, X선 등)으로 인한 DNA손상을 받게 되면 lytic cycle로 가 용균을 시켜 cell 밖으로 나올 수 있습니다. 





Lambda phage의 구조는 head, tail+tail fiber로 head부분은 정이십면체 대칭을 이루고 있고, tail 부분은 우리가 흔히 아는 phage의 형태와는 좀 다르게 1개의 tail fiber를 가지고 있습니다.


Lambda phage의 DNA는 linear 형태의 double strand DNA로, 양쪽 5' 말단에 12bp의 cohesive end를 가지고 있습니다.

(이 cohesive end는 E.coli 안에 들어가 서로 붙어 cos를 이루고 환형 DNA가 만들어 집니다.)


Lambda phage는 E.coli의 maltose transport protein을 인지하고 붙어 자신의 DNA를 주입하여 infection됩니다.













위의 gene map을 잘 보면서 읽어주세요


 Lambda phage의 DNA는 linear 형태의 double strand DNA라고 했지만, E.coli안으로 들어오게 되면 5'말단의 cohesive end끼리 서로 붙어 환형 DNA를 만들게 됩니다. (말단이 hydrogen bond로 붙은거지 covalent bond는 아닙니다.)


 E.coli안으로 들어오게 되면 E.coli의 RNA polymerase를 이용하여 transcription을 시작하는데, 왼쪽 DNA gene map의 노란부분에서 시작합니다. promoter left (PL)과 promoter right (PR)에서부터 transcription이 시작되어 양측 terminator(어두운부분)까지의 transcription이 되는데, 이를 통해 N-protein과 Cro protein이 생깁니다. N-protein은 anti-termination protein으로, terminator의 기능을 막아 transcription으로 생기는 mRNA의 길이를 늘려주고, 그 결과 PL에서는 N-CIII-Xis-Int, PR에서는 Cro-CII-O-P-Q....의 protein이 생길 수 있습니다.


 여기서 중요한건 N-protein의 기능으로 길어진 이후에 expression되는 CII protein입니다. 이 protein은 E.coli가 가지고 있는 protease에 의해 분해되기 쉬운 불안정한 protein입니다. 그런데 PL로부터 CIII protein이 CII에 binding되어 이를 막아줍니다. 결론적으로 E.coli에게 영양소가 적어 protease의 expression이 적게 되거나 CIII protein이 충분히 많아 CII의 분해가 억제되고 CII가 활성을 가지게 되면, CII protein은 promoter for repressor establishment (PRE)를 활성화 하게 되고, 여기서 CI protein이 나오게 됩니다. CI이 합성되게 되면 operator left (OL), operator right (OR)에 binding되고, 양쪽 방향으로의 전사가 억제되어 lambda phage의 DNA에서 mRNA가 나오지 않고, 그로인해 protein의 발현이 안되어 capsid protein의 발현도 되지 않고, 이로인해 lysogenic cycle로 가게 됩니다.

 

 그러면 모든 protein의 발현이 CI protein때문에 억제되있고, protease에의해 CI protein이 분해되면 소용없는 것 아니냐 하실 수 있는데 여기서는 promoter for repressor maintenance (PRM)에 의해 CI protein의 expression이 계속되게 됩니다.


 


 위의 그림을 보면 OR은 총 3개의 site로 이루어진 것을 볼 수 있습니다. 여기서 CI protein(그림에서는 lambda repressor)은 site 1, 2, 3순서로 binding 되고, Cro protein은 site 3, 2, 1순서로 binding됩니다. CI protein이 만들어지면 operator의 site 1, 2, 3순으로 binding되게 되는데 이때 site 2까지 CI이 붙게되면 PRM이 활성화되고, 이 PRM이라는 promoter는 operator에 붙은 repressor의 방해를 받지 않기 때문에 CI protein의 발현이 지속될 수 있습니다.

 이렇게 CI의 농도가 높아 계속 lysogenic cycle로 생활을 하는데 만약 앞에 나왔던 Cro protein이 많이 나온다면 어떤 일이 일어날까요?

 Cro protein은 site 3, 2, 1순으로 binding되고, PR은 site 1에 repressor가 있을 때 억제가 됩니다. 그렇기 때문에 Cro protein이 많다는 것은 오른쪽 방향으로의 transcription이 가능하다는 것이고, lytic cycle로 갈 수 있다는 소리가 됩니다.

 

 정리하자면 Cro protein의 농도가 많게되면 lytic cycle, CI protein의 농도가 높다면 lysogenic cycle이라고 할 수 있습니다.


 그럼 위에서 lambda phage는 prophage형태로 E.coli의 DNA에 들어가있어 cell division을 할 때, 같이 복제된다고 하였는데, 과연 언제 integration될까요? 바로 CII protein의 활성입니다. CII protein은 PRE도 활성화 시켜주지만 promoter of int trancription (PI)의 역할도 합니다. PI가 활성화되면 integrase라는 topoisomerase가 합성이 되는데, 이는 integration host factor(IHF)와 함께 lambda phage DNA와 E.coli DNA간의 비슷한 서열인 att site를 인지하고, 이 서열을 자르고 붙여주는 역할을 하게 되는데, 이로인해 lambda phage DNA는 E.coli의 DNA로 들어갈 수 있습니다.








Prophage가 만들어지는 모습



이렇게 lysogenic cycle을 가지고 살아가는 lambda phage도 lytic cycle로 들어갈 수 있는데, 그 예로 X-ray, UV, nitrogen mustard등의 처리로 인해 DNA에 손상이 입는경우입니다. DNA가 손상을 입게되면 SOS response라는 방어기작이 발동하게 되는데 이때 RecA라는 protein이 만들어지게 됩니다. RecA는 원래 recombination을 하는 protein이지만 CI을 분해하는 protease의 기능을 가지고 있습니다. RecA가 만들어져 CI이 분해가되면 CI에 의해 억제되고 있던 PL, PR promoter가 다시 활동을 하게 되고 PL방향에서 만들어진 Xis, Int과 IHF에 의해 prophage형태에서 다시 독립된 DNA로 나올 수 있게 됩니다. 그리고 PR방향에서는 Q protein이 만들어지는데, 이 protein 또한 anti-terminator로써, Q protein의 농도가 높아지면 promoter right' (PR')이 활성화되고 lytic cycle로 가는데 필요한 capsid protein과 lysis protein들을 합성하기 시작합니다. 이후에 lambda phage의 DNA가 head 부분에 포장되고 tail부분과 head, DNA까지 조립및 포장이 된 성숙한 virion이 완성되면 cell을 lysis시키고 나오게 되는데 이를 용균이라고합니다.


 

위의 그림은 rolling circle replication을 나타낸 그림인데, 이는 phage DNA가 많이 보이는 DNA replication방식입니다. lambda phage는 Θ형 replication도 하지만 (gene map의 O, P부분) 이렇게 긴 concatamer를 형성한 뒤, lambda DNA의 크기에 맞게 잘라 head부분에 포장하는 형태로 lambda phage는 복제됩니다.







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Posted by 안양_박건영