Gene cloning의 2단계는 유전자를 vector에 삽입하는 것입니다. 도대체 왜 vector라는 물질을 쓰며, 이것이 하는 일이 무엇일까요?

Vector는 다음과 같은 기능이 있습니다.

1) 세포 내에서 자가복제(self-replication) 을 합니다

Vector로 쓰는 DNA들은 세포 내에서 자가복제를 합니다. 박테리아 세포 내에는 박테리아가 고유하게 가지고 있는 chromosomal DNA가 있습니다. 한 세포당 하나밖에 있을 수 없는 것이지요. 그런데 vector는 한 세포 내에서도 스스로 복제하여 수많은 copy가 존재할 수 있습니다. 이런 성질을 실험에 이용합니다.

2) 항생제를 이용한 선택(selection) 이 가능합니다

Vector에 존재하는 항생제 내성 유전자를 이용하면 DNA가 세포 내로 주입되었는지 아닌지를 판별할 수 있습니다. Gene cloning에서는 내가 원하는 유전자가 세포 속으로 들어갔는지가 중요하기 때문에 이런 기능은 필수적이라고 할 수 있습니다. 이렇게 해서 세포 속으로 DNA가 들어간 세포만을 선별하는 것을 selection이라고 합니다.

3) Multiple cloning site(MCS)를 이용할 수 있게 해 줍니다.

앞으로 보시겠지만, 실험실에서 사용하는 vector는 일정부위에 제한효소 절단부위가 밀집된 부분이 있어서 cloning에 용이합니다. 때로는 이 부분을 이용하여 자신이 원하는 construct를 자유자재로 만들 수도 있습니다. Multiple cloning site가 없는 vector는 이용 가치가 거의 없습니다.

4) Vector 부위를 이용한 DNA sequencing, 단백질 발현 등을 할 수 있게 해 줍니다.

내가 원하는 유전자를 삽입하고 나면 여러 가지 실험이 용이해집니다. Vector에 존재하는 염기서열을 이용한 DNA sequencing을 하기도 편하고, vector에 달린 여러 부분을 이용하여 단백질 발현을 할 수도 있습니다.

이런 이유로 해서 원하는 유전자를 vector에 삽입하는 것이 필요합니다.

Vector의 종류

Vector의 종류에는 plasmid, bacteriophage, cosmid, phagemid 등 여러 가지가 있습니다. 그중 가장 널리 쓰이는 것은 plasmid입니다.

Plasmid는 self-replicatable, extrachromosomal, double stranded, small circular DNA입니다. 여러분 중에서는 plasmid가 뭔지 처음 들어보시는 분도 계실 것 같습니다.

Bacteria에서 존재하기도 하고 존재하지 않기도 하는 수상한 DNA가 바로 plasmid입니다. Bacteria에는 자신이 꼭 가져야 할 chromosomal DNA 이외에 아주 작고 동그란 DNA가 따로 있을 수 있습니다. 이 DNA가 plasmid입니다. 이 DNA는 세포 내의 복제 장비를 이용해서 chromosomal DNA와는 상관없이 자가복제(self-replication)할 수 있습니다. 잘 아시다시피 세포 내에서 chromosomal DNA가 복제된다면, 이 세포는 반드시 두 개로 나뉘어져야 합니다. 그것이 바로 세포 분열이지요. 그렇게 해서 DNA는 반드시 한 세포당 하나씩 가져야 하는 것입니다.

그런데, plasmid는 한 세포 내에서도 많은 수를 가지고 있을 수 있습니다. 한 세포당 몇 개까지 가질 수 있는가를 plasmid의 copy number라고 하고 이는 plasmid의 성질에 따라서 틀린데, 많게는 1,000개 까지 된다고 합니다. 즉, 어떤 plasmid는 한 세포에 1,000개의 동일한 plasmid를 가질 수 있다는 것이지요.

이해를 돕기 위해서 bacteriophage를 먼저 설명해봅시다.

Bacteriophage란 virus의 일종으로 bacteria에 기생합니다. Virus는 단백질로 된 세포 껍데기와 핵산만을 가진 것이지요? 그래서 bacteria에 붙어서 핵산만을 세포 내로 주입한 다음 세포 내의 공장을 이용해서 핵산을 복제하고 세포 껍데기를 만든 다음 수만마리의 virus를 만들어 세포를 깨고 나오는 그런 미생물이지요.

그렇다면, 만약에 한 마리 virus를 잡아서 그 안에 유전자 사이에 내가 원하는 유전자를 끼워 넣었다면 어떻게 되는 건가요. 이 virus가 세포에 들어가 깨면서 나오는 수만마리의 virus는 내가 원하는 유전자를 다 가지고 있을 것이 아니겠습니까!!!

이 기가막힌 아이디어를 우리가 실험에 이용하는 것입니다. Plasmid 하나에 내 유전자를 끼워 넣고 세포에 넣어준다면 그 plasmid가 자가복제하는 동안 내 유전자는 손하나 까딱 안하고 증폭이 되고 있습니다.

Plasmid가 구체적으로 어떻게 생겼는지는 DNA ligation 및 selection 과정에서 더욱 자세히 설명하겠습니다.