Plasmid DNA란?

목차

1. Plasmid DNA란?
2. Vector DNA로써 Plasmid DNA의 구조적 특징
3. 기능에 따른 Plasmid 분류
4. Plasmid DNA의 conformation(형태)

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Plasmid DNA란?

원핵생물과 일부 진핵생물이 자신의 염색체 DNA(위 그림에는 Bacterial DNA로 표시된 것) 외에 가지고 있는 작은 고리형 DNA를 말한다. 예를 들면, 대장균은 대장균 자신의 염색체 DNA(chromosomal DNA)가 있고, 크기가 더 작은 고리 모양의 또다른 DNA(circular DNA)가 있는 경우가 있다. 재밌는 건, 대장균과 같은 원핵생물의 경우 염색체 DNA도 플라스미드처럼 고리 모양이라는 것이다. 다만 그 크기가 크기 때문에 세포내에서 꼬여있는 상태로 존재한다 (윗 그림에도, Bacterial DNA는 꼬여있는 원형 고리의 형태로 그려져 있다). 반면 진핵생물의 DNA는 선형이며 히스톤과 DNA를 안정화 시켜주는 단백질을 지니기 때문에 공에 실이 빽빽하게 감긴 형태로 존재한다.

 

플라스미드는 복제 원점(replication origin)을 가지고 있기 때문에 세균 내부의 DNA 복제 기구들을 이용하여 복제가 가능하며, 플라스미드에 유전자가 있다면 정상적으로 발현도 된다.

또한 플라스미드는 자연적으로 다른 세균에게 전달될 수 있는데, 마치 동물이 성교하는 것처럼 세균사이에 접합(conjugation) 과정을 통해 전달해주거나, 아니면, 확률은 낮지만 주변에 떠다니는 플라스미드 DNA를 세균이 주워가거나, 심지어 플라스미드 DNA가 직접 세포막을 뚫고 직접 들어갈 수도 있다.

플라스미드의 이러한 특성은 세균의 유전적 다양성을 높여준다. 많은 세균은 이분법을 하기 때문에, 기본적으로는 유성생식을 하는 생물과는 달리 자손과 부모 세대의 유전자가 일치할 수 밖에 없다. 즉, 유전적 다양성이 생기기 힘들다. 따라서 세균에게도 유전적 다양성을 확보할 여러 방편이 필요한데, 플라스미드는 유전적 다양성을 확보하는 여러 방편 중 하나로 작용한다.

 

1. 환상형의 이중가닥 DNA (Circular double-stranded DNA)
2. 세포내에서 염색체 DNA와는 별개로 존재
3. 자기 스스로 복제 가능 (Autonomous Replication)
4. 대부분 세균(Bacteria)에 존재하나, 일부 진핵세포 생물(예: 호모(Yeast))에도 존재
5. 1940년대에 알려지기 시작
6. 1970년대 초에 유전공학 도구로 사용되기 시작하며 vector DNA(운반자 DNA)로 불려짐
   Plasmid DNA = Plasmid vector = Vector DNA

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Vector DNA로써 Plasmid DNA의 구조적 특징

1. 복제 기점(Replication origin) : DNA 복제의 시작점으로 숙주범위(Host range) 및 Plasmid DNA의 copy(세포내 수)를 결정
   - Single copy : 세포 하나당 1개의 plasmid DNA만 존재
   - Low copy : 수십 copy (10 ~ 100 plasmids/세포)
   - High copy : 수백 copy (>100 plasmids/세포)
2. 항생제 저항성 유전자(Antibiotics marker)를 가지고 있음
3. 다중 제한효소 클로닝 부위(Multi cloning site, MCS)가 존재
   - Insert DNA를 절단 또는 삽입하기 쉽도록 여러가지 제한 효소의 인식 서열을 플라스미드 DNA의 일정부위에 인위적으로 모은 부위
   - 대부분 인위적으로 만든 plasmid DNA에 존재

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기능에 따른 Plasmid 분류

1. F plasmid (Fertility plasmid) : plasmid DNA의 전달에 관여하는 tra operon을 가지고 있음
2. R plasmid (Resistance plasmid) : 항생제 또는 독에 대하여 저항성을 부여하는 유전자를 포함하고 있는 plasmid DNA
3. Col plasmid : 다른 세균을 죽일 수 있는 단백질인, bacteriocin을 암호화 하고 있는 유전자를 가지고 있는 plasmid DNA
4. Degradative plasmid : 톨루엔 등과 같은 특정 물질을 분해할 수 있는 단백질을 암호화 하고 있는 유전자를 가지고 있음
5. Virulence plasmid : 이 plasmid DNA를 가지고 있는 세균은 숙주에 대하여 병원성을 갖는다.

※ 플라스미드와 벡터의 차이
플라스미드는 그냥 세균 내에 존재하는 circular self-replicating DNA molecule이다. 종종 linear plasmid도 발견된다.벡터는 DNA를 운반할 수 있도록 개발된 DNA를 말한다. 주로 plasmid가 사용되며, 플라스미드 외에도 바이러스나 BAC 등 DNA를 운반해주는 DNA는 모두 벡터라고 보면 된다.

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Plasmid DNA의 conformation(형태)

Nicked open-circular plasmid DNA

환상형(circular)의 이중가닥 plasmid DNA중 한 쪽 가닥이 끊어져 있는 형태

 

Supercoiled(초나선) plasmid DNA

이중가닥의 plasmid DNA가 끊어지지 않고 초나선으로 꼬여 뭉쳐져 있는 상태로, 세균으로부터 분리된 plasmid DNA는 대부분 이 형태로 존재한다.

 

Linear plasmid DNA

plasmid DNA의 이중가닥이 모두 끊어져, 양 끝이 존재하는 형태

 

Relaxed circular DNA

plasmid DNA의 이중가닥은 끊어지지 않았으나, 효소에 의해 supercoiling이 풀린 상태(Relaxed form)로 존재하는 형태

 

Supercoiled denatured DNA (변성된 초나선 DNA)

Supercoil(초나선) 형태의 plasmid DNA이지만, 일부 부분에서 base pair(염기쌍)을 이루지 못한 상태