[논문]박테리아의 toxin-antitoxin system과 생명공학기술 응용

김윤지; 황지환

doi:10.5352/jls.2016.26.2.265

박테리아의 toxin-antitoxin system과 생명공학기술 응용
Bacterial Toxin-antitoxin Systems and Their Biotechnological Applications 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.26 no.2 = no.190, 2016년, pp.265 - 274

김윤지 (부산대학교 생명시스템학과) , 황지환 (부산대학교 생명시스템학과)

초록
AI-Helper

Toxin-antitoxin (TA) system은 박테리아와 고세균에서 진화적으로 보존되어 흔히 발견되는 유전적 모듈이다. 기본적으로 이 시스템은 세포 내 toxin과 그들의 억제자로 작용하는 antitoxin으로 구성되어있으며, 현재 총 다섯가지 유형으로 구분된다. 공통적으로 toxin은 스트레스 조건에서 활성화됨으로써 세포 내 다양한 과정을 억제하는 활성을 가지는데 이는 결과적으로 세포 사멸 혹은 가역적인 생장 저해를 일으킨다. Toxin의 이러한 효과들은 유전자 발현의 조절, 성장 조절, programmed cell arrest, programmed cell death, persister cell의 형성, 박테리오파지 방어기작, 가동성 유전인자의 안정화, 플라스미드 유지 기작 등 다양한 생리학적 역할을 나타낸다. 그러므로 TA system은 일반적인 스트레스 반응모듈로서 여겨진다. 하지만 이를 역이용한다면 TA system으로부터 toxin을 활성화 시키는 인자를 개발하여 새로운 항균 물질로 이용할 수 있다. 그뿐만 아니라 TA system은 toxin의 세포 사멸 효과를 이용하여 원하는 타겟 유전자가 존재하는 세포만 선택적으로 살아남도록 하는 효율적인 클로닝 전략에 이용될 수 있다. 또한, toxin의 서열 특이적 리보핵산 가수분해효소 활성을 이용하여 타겟 단백질 이외의 단백질 합성을 막아 효과적인 단일 단백질 대량 생산을 위해서도 이용할 수 있다. 더 나아가 일부 TA system의 toxin은 진핵 세포에서도 세포 독성을 나타내기 때문에 암세포, 바이러스 감염 세포에서 toxin의 발현을 유도하여 세포사멸을 일으킴으로써 인간의 질병 치료로 이어질 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Toxin-antitoxin (TA) systems are ubiquitous genetic modules that are evolutionally conserved in bacteria and archaea. TA systems composed of an intracellular toxin and its antidote (antitoxin) are currently classified into five types. Commonly, activation of toxins under stress conditions inhibits diverse cellular processes and consequently induces cell death or reversible growth inhibition. These effects of toxins play various physiological roles in such as regulation of gene expression, growth control (stress response), programmed cell arrest, persister cells, programmed cell death, phage protection, stabilization of mobile genetic elements or postsegregational killing of plasmid-free cells. Accordingly, bacterial TA systems are commonly considered as stress-responsive genetic modules. However, molecule screening for activation of toxin in TA system is available as development of antimicrobial agents. In addition, cytotoxic effect induced by toxin is used as effective cloning method with antitoxic effect of antitoxin; consequently cells containing cloning vector inserted a target gene can survive and false-positive transformants are removed. Also, TA system is applicable to efficient single protein production in biotechnology industry because toxins that are site-specific ribonuclease inhibit protein synthesis except for target protein. Furthermore, some TA systems that induce apoptosis in eukaryotic cells such as cancer cells or virus-infected cells would have a wide range of applications in eukaryotes, and it will lead to new ways of treating human disease. In this review, we summarize the current knowledge on bacterial TA systems and their applications.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

또한, 정상적인 세포가 아닌 바이러스 감염 세포와 암세포에서만 toxin의 발현이 유도되도록 하여 진핵 세포의 사멸을 일으킴으로써 기존 치료제의 부작용을 줄임과 동시에 인간에게 나타나는 각종 바이러스성 질환 혹은 암의 치료에서 항바이러스제, 항암제 개발을 위한 핵심 요소로 이용될 수 있을 것이다[36, 40]. 본 총설에서는 toxin의 다양성, 기능, 특징 등을 살펴보고 이를 응용한 생명공학 기술에 대해 논하고자 한다.

성능/효과

그리고 TA system은 persister cell의 형성에도 관여하며, E. coli의 relE, higB, mazF, yafQ, yoeB toxin은 persister cell 내에서 강하게 유도된다. 또한, E.
박테리아는 평균적으로 TA system을 염색체에 3.8개, 플라스미드 상에 0.4개 정도 가지고 있으며[14], 현재 추정되는 TA system의 개수만 해도 10,000여 가지를 넘어선다[50]. 주목할점은, 다른 생물체에 기생하거나 공생하여 살아가는 생물체들은 공통적으로 TA system을 상대적으로 적게 가지거나 전혀 갖지 않는다[38].
이렇듯 흔한 TA system의 toxin들은 그 개수만큼이나 다양한 활성을 나타내지만 공통적으로 toxin이 활성화되면 박테리아의 성장을 저해하거나 사멸을 유도한다. 박테리아의 성장을 저해하는 경우, 생육하기 좋은 조건이 되면 antitoxin을 이용하여 toxin의 활성을 억제함에 따라 다시 성장을 시작한다. 박테리아의 사멸을 유도하는 경우에도 역시나 군집의 지속을 위한 자살 전략이라 볼 수 있다.
따라서 독립적으로 살아가는 자유 생활 생물체들은 비교적 적은 스트레스 환경과 마주하는 기생성 생물체 보다 많은 수의 TA system을 가지며, 다양한 스트레스에 대응하기 위하여 이러한 TA system을 진화적으로 보존해 온 것이다. 이렇듯 흔한 TA system의 toxin들은 그 개수만큼이나 다양한 활성을 나타내지만 공통적으로 toxin이 활성화되면 박테리아의 성장을 저해하거나 사멸을 유도한다. 박테리아의 성장을 저해하는 경우, 생육하기 좋은 조건이 되면 antitoxin을 이용하여 toxin의 활성을 억제함에 따라 다시 성장을 시작한다.
플라스미드는 박테리아가 생존하기 위한 필수적인 요소는 아니지만 생육하기 힘든 환경에서 살아남기 위하여 이러한 TA system을 보존하고 있는 것으로 보인다. 특히 Enterococcus faecalis의 pAD1 플라스미드에 존재하는 Par (Fst-RNA II) system은 독성 플라스미드인 pAD1을 유지하는 기능을 가지며 이는 E. faecalis의 병원성과 연관되어 있을 것으로 보인다[57].
coli R1 플라스미드에 존재하는 Hok-Sok system, Kid-Kis system, F 플라스미드에 존재하는 CcdA-CcdB system은 플라스미드 유지기능을 하는 TA system의 대표적인 예이다[16]. 플라스미드는 박테리아가 생존하기 위한 필수적인 요소는 아니지만 생육하기 힘든 환경에서 살아남기 위하여 이러한 TA system을 보존하고 있는 것으로 보인다. 특히 Enterococcus faecalis의 pAD1 플라스미드에 존재하는 Par (Fst-RNA II) system은 독성 플라스미드인 pAD1을 유지하는 기능을 가지며 이는 E.

후속연구

따라서 각종 박테리아와 고세균에서 TA system을 특성화하는 것은 그들의 생리학적 특성 규명과 동시에 이들을 생물 공학적, 의학적 분야에 응용함으로써 유용한 기술 혹은 치료제를 개발하는데 한 발짝 다가설 수 있을 것이다.
주목할점은, 다른 생물체에 기생하거나 공생하여 살아가는 생물체들은 공통적으로 TA system을 상대적으로 적게 가지거나 전혀 갖지 않는다[38]. 따라서 독립적으로 살아가는 자유 생활 생물체들은 비교적 적은 스트레스 환경과 마주하는 기생성 생물체 보다 많은 수의 TA system을 가지며, 다양한 스트레스에 대응하기 위하여 이러한 TA system을 진화적으로 보존해 온 것이다. 이렇듯 흔한 TA system의 toxin들은 그 개수만큼이나 다양한 활성을 나타내지만 공통적으로 toxin이 활성화되면 박테리아의 성장을 저해하거나 사멸을 유도한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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