유전자 재조합 기술과 제한 효소

핵심 정리

유전자 재조합 기술은 목적 유전자를 포함한 DNA와 운반체 DNA를 연결해 재조합 DNA를 만들고, 이를 숙주 세포에 넣어 복제하거나 목적 단백질을 생산하는 기술이다. 운반체로는 플라스미드가 이용될 수 있으며, 제한 효소와 DNA 연결 효소가 재조합 DNA를 만드는 데 쓰인다. 제한 효소는 특정 염기 서열을 인식해 DNA를 자른다.

목적 DNA와 운반체 DNA를 같은 제한 효소로 절단하면 서로 결합할 수 있는 말단이 만들어질 수 있다. 두 DNA 조각을 연결 효소로 연결하면 재조합 DNA가 되며, 숙주에 도입한 뒤 배양하면 재조합 DNA가 복제된다. 절단할 위치와 효소의 인식 서열을 정확히 파악하는 것이 자료 해석의 출발점이다.

플라스미드의 항생제 저항성 유전자는 재조합 DNA를 가진 세포를 가려내는 선택 표지로 쓰인다. 그러나 특정 항생제 배지에서 자란 군체가 모두 목적 유전자를 가진다고 단정할 수는 없다. 군체가 어떤 유전자와 DNA 조합을 가졌는지는 배지 조건과 재조합 과정의 자료를 함께 따져야 한다.

제한 효소 자료에서는 인식 서열, 절단 위치, 절단 뒤 조각의 길이와 염기 조성을 구별한다. 같은 효소를 여러 DNA에 처리해도 결과는 원래 DNA 서열과 절단 위치에 따라 달라진다. 서로 다른 효소라도 인식 서열이나 절단 위치가 같으면 같은 결과를 낼 수 있다. PCR에서는 프라이머를 기준으로 새 DNA 가닥이 5′에서 3′ 방향으로 합성된다.

자세히

유전자 재조합 과정은 목적 DNA의 확보, 운반체와 목적 DNA의 절단, 두 DNA의 연결, 재조합 DNA의 숙주 도입, 숙주의 선별과 배양 순으로 이해하면 된다. 이 과정에서 제한 효소는 DNA를 특정 위치에서 자르는 역할을 하고, 연결 효소는 잘린 DNA 조각을 이어 붙이는 역할을 한다. 두 효소의 기능을 혼동하지 않는다. 제한 효소가 유전자를 이어 붙이는 것이 아니며, 연결 효소가 특정 염기 서열을 찾아 절단하는 것도 아니다.

먼저 목적 유전자를 포함하는 DNA와 운반체 DNA를 준비한다. 플라스미드는 세균 세포에서 염색체와 구별되는 DNA 운반체로 활용될 수 있다. 목적 유전자가 들어갈 수 있도록 플라스미드를 자르고, 목적 DNA에서도 해당 유전자가 들어 있는 부분을 잘라 낸다. 같은 제한 효소를 사용하면 두 DNA 조각의 절단 말단이 서로 맞물릴 수 있는 형태가 될 수 있다. 제한 효소는 특정 염기 서열을 인식해 절단하므로, 먼저 서열에서 인식 위치를 찾고 그 위치에서 실제로 잘리는 자리를 표시해야 한다.

인식 서열을 찾을 때는 제시된 가닥의 5′ 말단과 3′ 말단을 먼저 확인한다. 서열을 반대 방향으로 읽거나 상보 가닥의 염기를 원래 가닥의 염기로 착각하면 인식 위치를 잘못 셀 수 있다. 염기쌍으로 연결된 이중 가닥에서는 A와 T, G와 C가 서로 상보적으로 결합한다. A와 T 사이에는 수소 결합 두 개, G와 C 사이에는 수소 결합 세 개가 형성된다. 그러므로 한 가닥의 염기 서열을 알면 상보 가닥의 염기를 정할 수 있고, 조각에 포함된 염기쌍의 종류를 셀 때에는 두 가닥을 빠뜨리거나 중복해 세지 않도록 한다.

제한 효소 자료를 계산할 때는 인식 서열을 먼저 찾은 뒤 조각의 정보를 구한다. 먼저 DNA 한 가닥을 방향에 맞게 읽고, 효소가 인식하는 서열이 나타나는 곳마다 표시한다. 다음으로 그림이나 자료에 제시된 절단 위치를 적용해 DNA를 나눈다. 선형 DNA라면 절단점 사이의 구간이 조각이 되며, 각 조각의 길이는 양 끝 절단점의 위치로 정해진다. 특정 염기 수를 묻는 경우에는 해당 구간의 한 가닥 서열을 세고, 염기쌍 수와 전체 염기 수를 혼동하지 않는다. 제한 효소가 인식 서열에 따라 DNA를 자르므로 조각의 염기 조성은 인식 서열과 절단 위치에 의해 정해진다. 절단된 조각의 염기 조성은 원래 DNA 서열에 따라 정해진다.

서로 다른 효소를 비교할 때에는 효소 이름만 보고 절단 결과가 다르다고 판단하지 않는다. 핵심은 각 효소의 인식 서열과 실제 절단 위치다. 인식 서열이 같은 효소는 같은 위치에서 절단할 수 있으므로 서로 다른 효소로 같은 결과를 낼 수 있다. 두 종류 이상의 제한 효소를 함께 처리한 자료에서는 각 효소의 인식 위치를 모두 표시한 뒤, 모든 절단점을 반영해 조각을 나눈다. 함께 처리한 효소들의 절단점을 모두 적용한다. 각 효소의 결과를 따로 구해 그중 하나만 선택하지 않는다. 인식 서열의 개수를 셀 때 겹쳐 있거나 방향이 바뀐 서열을 임의로 추가하지 말고, 제시된 서열과 효소의 인식 조건에 맞는 위치만 센다.