안녕하세요, 지난 글에서는 transformation, transduction, transfection에 대해 알아봤습니다. 오늘은 그 중 transfection의 후속이라고 할 수 있는 주제를 가지고 왔는데요, 전세계 실험실에서 가장 흔하게 사용되고 있는 세포주 중 하나인 인간신장세포주(human embryonic kindey cells, HEK cells)에 대한 이야기입니다.
2021/01/05 - [공부/생물학] - Transformation, transfection, transduction의 차이와 정의 (형질전환, 형질주입, 형질도입)
Transformation, transfection, transduction의 차이와 정의 (형질전환, 형질주입, 형질도입)
Transformation, transfection, transduction은 유전공학을 공부하면서 처음 배울 때 가장 헷갈리는 용어 중 하나이자 절대로 잊어서는 안 되는 용어입니다. 유전공학에서 가장 중요한 기술 중 하나는 PCR
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1. HEK293 cell
HEK293세포는 1970년대 독일에서 처음 그 이름을 알렸습니다. 독일의 생물학자 Alex Van der Eb의 실험실에서 그의 박사후과정(post-doctoral fellow)인 Frank Graham이 낙태된 태아의 신장세포(human embryonic kidney cell, HEK)에 sheared adenovirus 5 (ad5) DNA를 transfection 시키는 실험에서 293번째로 만들어진 세포로, 293번째의 의미로 HEK293이라는 이름을 가지게 됐습니다 (original paper https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/jgv/10.1099/0022-1317-36-1-59). 이 실험의 결과 HEK cell은 19번 염색체에 4.5kb 가량의 Ad5 바이러스 유전체가 삽입되었습니다.
이렇게 Ad5 DNA가 도입된 신장세포인 HEK293 cell은 plasmid로부터 기존의 HEK cell에 비해 훨씬 많은 양의 재조합단백질을 생산할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. HEK293 cell은 이외에도 많은 장점을 가지고 있는데요, 그 장점은 아래와 같습니다.
- 저렴한 유지 비용 (DMEM 10% FBS 배양배지 사용)
- 까다롭지 않은 유지 환경 (37’C, 5% CO2, humidified)
- 빠른 증식 속도 (36시간 당 1회 분열)
- 높은 transfection, transduction 효율
- 높은 plasmid 유래 외래 유전자 발현도 등
이러한 장점 덕분에 최초의 인간 세포주인 자궁경부암세포주(HeLa)의 뒤를 이어 가장 흔하게 사용되는 세포주가 된 것이지요. 전세계의 수많은 실험실에서 HEK293 세포는 암 염구(cancer research), 세포 신호 전달(signal transduction), 단백질간 상호작용(protein-protein interaction), 약물 평가(drug test) 등 생물학 전반의 분야에 활용되어왔고, 이후 추가적인 유전자 삽입을 통해 HEK293T, HEK293FT, HEK293A 등의 variation이 추가되었습니다.
2. HEK293T (293T)
HEK293T는 HEK293에 SV40 large T antigen (TAg) 유전자가 삽입된 세포주이며 SV40 origin of replication (SV40복제원점)을 가지고 있는 플라스미드의 단백질 발현을 특히 잘 증폭시키는 특징을 가지고 있습니다.
이 특징을 통해 HEK293T는 plasmid DNA를 high copy number로 유지할 수 있어 재조합단백질 생산을 증대하거나 retrovirus를 생산하는 데에 널리 이용됩니다. 물론 HEK293T는 parent cell인 HEK293 cell이 가지고 있는 transfection의 용의성 등을 포함한 장점들을 동일하게 가지고 있어 실험실에서는 일반적인 transfection 실험을 수행할 때 HEK293과 HEK293T를 별 구분 없이 사용하곤 합니다.
주의점은 TAg 유전자를 삽입하면서 neomycin/G418 저항성 유전자를 가지게 되었기 때문에 기본적으로 neomycin/G418 저항성을 가지고 있다는 것입니다. 따라서 neomycin/G418 저항성을 사용한 stable cell line을 제작할 수는 없습니다.
참고로 SV40 large T antigen (TAg)은 바이러스의 복제에도 사용되지만 host cell을 S phase에 진입하도록 강제하는 기능도 있어서 발암원성이 있는 유전자이기도 합니다. 이 특징 이용해 세포를 불멸화(immortalization)시키는 과정에 사용하기도 하는데, 이러한 TAg를 가지고 있는 293T도 parent cell인 HEK293에 비해 일반적으로 더 빠른 doubling time을 보입니다.
3. HEK293FT
HEK293FT는 293T와 마찬가지로 HEK293으로부터 유래했는데, 미국의 대형 바이오텍 컴퍼니인 ThermoFisher Scientific (Invitrogen)에서 개발하여 판매하고 있는 세포주입니다. HEK293FT는 SV40 large T antigen을 가지고 있는 것은 HEK293T와 동일하나 lentivirus 생산에 더욱 특화된 세포주입니다. HEK293T에 비해 더 높은 농도의 lentivirus를 생산할 수 있어 lentivirus를 활용한 transduction을 수행해야할 때 바이러스를 생산하는 packaging cell로 활용합니다.
Transfection 효율은 293T와 동등하거나 우월하다고 알려져 있어 lentivirus 생산용이 아니더라도 유전자의 발현 등을 연구하기 위한 목적에도 흔히 이용됩니다. TAg를 가지고 있는 것이 동일한 만큼 293T와 마찬가지로 neomycin/G418에 대한 저항성을 가지고 있습니다.
4. HEK293A
HEK293A는 먼저 살펴본 HEK293FT와 같이 미국의 대형 바이오텍 컴퍼니인 ThermoFisher Scientific (Invitrogen)에서 개발하여 판매하고 있는 세포주입니다. HEK293A는 아데노바이러스(adenovirus) 복제에 필요한 E1a와 E1b 단백질 발현 유전자인 E1 gene을 가지고 있는 세포로 아데노바이러스 생산에 특화된 세포주입니다.
293A의 ‘A’는 아데노바이러스(Adenovirus)이자 부착성(adherent) 세포를 의미하는데, 세포의 형태가 parent cell인 HEK293에 비해 더 납작하고(flat) 완전한 monolayer 형태로 자라기 때문입니다. 이 특징 덕분에 virus titer를 결정하는 plaque assay 등에서 유용하게 사용할 수 있으며, 개인적인 경험으로는 flat하게 자라는 특징 덕분에 세포 내의 단백질 이동(intracellular protein trafficking)을 관찰하는 데에도 탁월했습니다.
5. 그 외, 요약
위에 살펴본 네 종류의 세포 외에도 삽입된 유전자에 따라 HEK293F, HEK293S, HEK293FTM, HEK293SG 등 다양한 종류의 variation이 존재하긴 하지만 위에 언급한 네 세포주 만큼 흔히 사용되는 세포주는 아닙니다.
혹시 이 부분에 대해 자세한 내용이 궁금하신 분은 아래 링크의 글을 확인해주세요.
biomedpharmajournal.org/vol11no2/the-scattered-twelve-tribes-of-hek293/
The Scattered Twelve Tribes of HEK293
Introduction Their ease of growth and transfection makes HEK293 cells a common cell culture in academic research. In addition, high transfection efficiency of HEK293 cells enable production of exogenous proteins or viruses for pharmaceutical and biomedical
biomedpharmajournal.org
오늘 확인한 세포주들은 간략히 요약하자면 아래 표로 나타낼 수 있을 것 같네요.
참고로 원래 origin이라고 하면 유래 조직을 쓰는게 일반적이라 모두 human embryonic kidney라고 표기하는 것이 맞습니다만, 'HEK293 시리즈의 유래'라는 의미에서 origin을 HEK293이라고 적었습니다. 참고하시기 바랍니다.
감사합니다
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