세포내이입

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5524(2022) 이 기사 인용

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박테리아의 수평적 유전자 전달은 접합, 형질도입 및 형질전환을 통해 발생하는 것으로 널리 알려져 있습니다. 이러한 메커니즘은 정교한 기계를 사용하여 보호 세포벽을 통과하는 DNA의 통과를 촉진합니다. 여기에서 우리는 세포벽이 결핍된 박테리아가 세포내이입과 유사한 과정을 통해 DNA 및 기타 세포외 물질을 삼킬 수 있음을 보고합니다. 특히, 우리는 사상 방선균 Kitasatospora viridifaciens의 L 형태가 플라스미드 DNA, 다당류(덱스트란) 및 150nm 지질 나노입자를 흡수할 수 있음을 보여줍니다. 이 과정에는 세포질막의 함입이 포함되어 세포외 물질을 캡슐화하는 세포내 소포가 형성됩니다. DNA 흡수는 다른 종의 자연적 형질전환에 필요한 comEC 및 comEA와 상동성인 유전자의 결실에 의해 영향을 받지 않습니다. 그러나 아지드화나트륨이나 4°C 배양에 의해 흡수가 억제되는데, 이는 이 과정이 에너지 의존적임을 시사합니다. 캡슐화된 물질은 소포막이 분해되면 세포질로 방출됩니다. 세포벽이 결핍된 박테리아가 초기 생명체의 모델로 간주된다는 점을 감안할 때, 우리 연구는 박테리아 세포벽이 발명되기 전에 원시 세포가 음식이나 유전 물질을 획득하는 가능한 메커니즘을 보여줍니다.

박테리아는 끊임없이 변화하는 환경 조건에 노출되며 보호를 위해 세포 외피에 의존합니다. 세포막은 세포막과 세포벽으로 구성되어 내부 환경과 외부 환경을 분리합니다. 세포막은 세포질을 둘러싸고 선택적 장벽 역할을 하는 인지질 이중층입니다. 세포벽은 그람 양성균의 경우 두꺼운 펩티도글리칸(PG) 층과 그람 음성균의 경우 외막으로 둘러싸인 더 얇은 PG층으로 구성됩니다. 펩티도글리칸 층은 기계적 응력과 팽압에 대한 보호를 제공할 뿐만 아니라 세포 모양과 강성을 정의하는 중요한 메쉬형 구조입니다.

세포 외피를 통과하는 거대분자의 선택적인 통과를 촉진하기 위해 박테리아는 전문화되고 정교한 수송 시스템을 진화시켰습니다1. 예를 들어, 자연적으로 형질전환 가능한 박테리아는 DNA 흡수를 위해 IV형 섬모 또는 II형 분비 시스템과 유사한 구성 요소를 갖춘 단백질 복합체에 의존합니다. 세포벽을 통한 DNA의 능동적 수송은 DNA를 결합하는 섬모 구조의 수축에 의해 촉진됩니다2,3. 그런 다음 DNA 결합 및 기공 형성 단백질을 사용하여 DNA를 세포막을 통해 이동시킵니다.

세포벽은 대부분의 박테리아에게 필수적인 구조이지만, 일부 박테리아에는 자연적으로 세포벽이 없거나 특정 조건에서 세포벽이 떨어질 수 있습니다. 예로는 기생하고 인간의 점막 표면이나 식물의 체관과 같은 특정 삼투압 보호 환경에 사는 몰리쿠테스(Mollicutes)의 구성원이 포함됩니다4. 세포벽 표적화 물질과 같은 환경적 스트레스 요인에 장기간 노출되면 세포벽 없이 증식할 수 있는 세포인 L형이 생성됩니다. L 형태의 재생산은 표준 FtsZ 기반 분할 기계5와 독립적이며 자발적인 수포, 도표화 및 소포화로 이어지는 막 합성의 상향 조절로 인한 세포의 표면적 대 부피 비율의 불균형에 의해 구동됩니다6,7. 이러한 원시 세포와 같은 특성은 L 형태를 초기 생명체의 진화를 연구하는 데 매력적인 모델 시스템으로 만듭니다8,9.

균사체를 형성하는 Kitasatospora viridifaciens와 같은 일부 사상성 방선균은 고삼투압 스트레스 조건에서 일시적으로 세포벽을 떨어뜨리는 능력을 가지고 있습니다(그림 1a)7. L형과 달리 S세포는 세포벽 없이는 증식할 수 없지만 세포벽을 재건한 후에는 균사체 성장 모드로 되돌아갈 수 있습니다. 일시적인 세포벽 결핍 세포는 세포벽의 효소적 제거, 예를 들어 펩티도글리칸을 분해하는 리소자임의 작용을 통해 벽으로 둘러싸인 박테리아로부터 인위적으로 생성될 수도 있습니다. 이는 유전공학 목적으로 널리 사용되는 원형질체 또는 구형체의 형성으로 이어지며, 종종 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 사용하여 세포 내로 DNA가 들어갈 수 있도록 합니다. 이 PEG 기반 형질전환은 사상형 방선균의 형질전환에 널리 사용되는 기술이지만 K. viridifaciens 벽 세포 또는 자연 세포벽 결핍 세포가 PEG를 사용하지 않고 자연 유전 형질전환이 가능한지 여부는 명확하게 밝혀진 적이 없습니다. 세포벽의 부재가 환경에서 DNA와 같은 거대분자의 자연적 흡수에 어떤 영향을 미치는지는 알려져 있지 않습니다.