[2-1] DNA, RNA, Protein Histone Chromosome (Ch)

목차

DNA

S/R bacteria (Avery 형질 변환 실험) : "유전물질은 DNA이다"

DNA가 유전물질이라는 첫번째 실마리는 S균 R균 분석이었음. S균은 병을 일으키는 균이고 R균은 병을 일으키지 않는데, S균과 R균을 섞으면 R균이 S균으로 변하는 현상을 발견함. S균의 어떤 물질이 R균에게 전달되어  S균으로 분화시키는지, 그 유전물질이 무엇인지를 밝혀내고자 함. RNA와 Protein, DNA, Lipid, Carbonhydrate를 각각 분리해서 R균에 넣으니, DNA를 넣은 균이 S균으로 변함. 즉  DNA가 유전물질임을 최초로 확인함.

그렇다면 DNA의 구조는 어떻게 생겼는가? 

Nucleotide

DNA는 Nucleotide 뉴클레오 타이드 라고 하는 블록들이 길게 연결된 후 double strand를 이루며 right handed helix 구조를 이루고 있음. DNA의 Back bone은 phosphodiester bonding 을 하고 있고, 안쪽은 base들 끼리 hydrogen bonding을 이루고 있음. backbone 은 hydrophobic한 bonding을 이루고 있는데 구조적 안정성에 기여를 하고, base들의 결합은 specificity에 기여함.

Structure

DNA의 노출되어있는 부분 중 넓은 부분을 major groove라고 하고 좁은 부위를 minor groove라고 부름. 보통 많은 단백질들이 DNA 상호작용할때 이 main groove에서 상호작용 하는데, 그 이유는 공간이 넓어 다양한 단백질들이 결합할 수 있고 또한 많은 원자들이 노출되어있어서 결합에 참여할 수 있기 때문이다.

왜 하필 DNA가 유전물질인가 

왜 DNA 유전물질로서 적합하냐, 첫번째로 DNA는 정보저장 능력이 좋다. base 3개 AGTC로 정보저장을 잘 할수 있다. 두번째로 다음세대로 잘 전달할 수 있다. DNA의 double strand는 복제할때 denaturation 되면서 각각의 strand가 template으로서 작용하여 각각 한쌍의 identical한 double strand 를 다시 만들어 낸다.

뉴클레오타이드 3개가 하나의 amino acid를 encoding하고, 다시 이 아미노산 서열은 하나의 단백질을 이루는데, 이때 이 단백질하나에 대응되는 유전정보를 gene이라 부른다. gene이 RNA로 transcription되고, 이로서 단백질이 형성되는 과정을 gene expression이라 부른다. 

Chromosome 염색체

The structure of DNA provides a mechanism for heredity 

인간의 유전자는 효모(yeast)의 5배정도 많은데, genome size 는 300배 정도 크다. 그 이유는 DNA에  intergenic region이 인간에게 많기 때문이다.이게 왜 필요하냐면, 유전자 뿐만아니라 전사인자 (regulatory element)가 결합하는  site가 되기 때문이다. 이 부분이 많을 수록 유전자의 조절기작의 다양성이 늘어난다. 

The nulceotide sequence of the human genome shows how genes are arranged

염색체가 복제될 때 크게 세가지 요소가 주요하다. centromere, telomere 그리고 replication origin이다. centromere에는 mitotic spindle이 결합해 세포가 분열될때 한쌍의 replicated chromosome을 찢어준다. telomere는 DNA의 양끝을 꽉 붙여주는데, 같은 패턴의 염기서열이 반복되어 결합력이 강하고, 이로인해 중요한  DNA의 정보손실을 막아준다. replication origin은 promoter가 결합하여 replication이 시작되는 지점이다. 여러 origin에서 동시에 복제가 시작된다.

Chormosome Structure

Nucleosome -> chromatin -> chromosome

인간의 DNA에는 3.2 Giga base pair가 존재한다.이 무수한 정보는 세포의 핵에 염색체(Chromosome)의 형태로 존재한다. 인간의 DNA nucleotide를 쭉 연결하면 2미터 가까이된다고 한다. 이걸 작은 핵 안에 구겨넣으려면, 그냥 구겨선 안되고 잘 말아넣어야 한다. 왜냐면 호주머니에 쑤셔박는 줄이어폰마냥 넣으면 나중에 써야할때 잔뜩꼬여서 쓰기가 어렵기 때문이다. 그래서 선정리가 중요한데, 인체는 DNA를 염색체라고하는 막대모양으로 잘 뭉쳐서 선정리를 한다. 

그 큰 DNA를 어떻게 압축했을까? DNA를 그냥 꼬을수는 없어서, 구슬을 빙빙감아 동그란 단위로 만들어주고 그걸 다시 꼬아서 염색체를 만든다. 이때 이 구슬 역할을 하는 단백질의 Histone 이라한다. 개별 Histone-DNA complex를 nucleosome이라 부른다. nucleosome이 죽 연결된 목걸이 같은 실을 chromatin이라 부르고, 이 크로마틴을 잘 꼬아서 X자로 만들어준 뭉탱이를 chromosome 염색체라 부른다. 

nucleosome 의 구성

nucleosome 의 구성. histone은 4종류의  histone이 각각2개씩 모여 총 8개의 히스톤 단백질이 하나의 nucleosome 을 구상한다. 이 히스톤 8면체를 DNA가 1.7바퀴 정도 Left handed 방향으로 감는다. DNA가 right handed라서 같은 방향으로 감을 경우 DNA에 너무 큰 stress가 가기 때문이다. Histone은 postive charged이고, DNA의 backbone이 Negative charged되어 있다. Histone Tail 이라는 것이 존재하는데 이는 후에 Gene regulation에 매우 중요한 역할을 함이 밝혀졌다. 

어떻게 tight 하게 compaction 되었는가 

compaction을 어떻게 이루는가? 먼저 Histon tail의 경우 징글징글하게 사방으로 털이 나있는데 이것들이 서로 상호작용하며 chromosome의 tight 하게 만들기도 한다. 또는 Linker Histone이라는 단백질이 nucleosome에 붙어서 특정한 각도를 유지하게끔 조절하여 잘 정렬되게 만들기도 한다. 

tight하게 compaction된 chromatin은 발현될때 loop을 이룬다.

타이트하게 묶여있는 chromosome의 유전자가 어떻게 발현되는가? 이는 유전자가 발현되어야 할때 필요에 따라 특정부분  chromosome이 죽 풀리면서 큰 loop를 이루게 된다. 초파리의 유전자를 보면 RNA synthesis가 일어날 때 그 부분이 부푸는(puff) 현상을 볼 수 있다. loop를 이루는 것이다.

Nucleosome 차원의 gene expression regulation (유전자 발현 조절)

Nucleosome's Dynamic Structre : Remodeling 

이 nucleosome은 고정되어 있는 것이 아니고 계속 생성되고 변하는 Dynamic structure를 이룬다. 이 Nucleosome은 계속해서 remodeling 되는데 이는 remodeling complex라고 하는 단백질이 ATP를 제공받아서 묶여있는 Nucleosome의 DNA를 풀어준다. 이 과정에서 히스톤을 교체하기도 하고, DNA를 자유롭게 만들기도 하고, 새로운 nucleosome을 만들기도 한다. DNA를 자유롭게 만들어줄 경우 그 곳에 전사인자가 붙어서 유전자 발현을 조절하기도 한다. 

Hetero-Chromatin and Euchromatin

chromatin은 gene expression이 일어나는 염색질과 일어나지 않는 염색질로 구분할 수 있다. 전자를 Eu-chromatin이라 부르고, 후자를 Hetero-chromatin이라 부른다. 헤테로 크로마틴은 매우 타이트하게 뭉쳐있어서 유전자 발현이 되지 않는다. centromere, telomere등이 이에 해당한다. 

Position Effect Varigation

Position Effect varigation 이란 무엇인가. 어떤 유전자가 어느 부위에 존재하냐에 따라서 발현되고 말고 차이가 나는걸 position effect 라고한다. 이는 다음과 같은 원리에 기반한다.

Hetero-chromatin은 그 특성상 Propagation이 잘 일어난다. 주변 염색질까지 헤테로크로마틴으로 만든다는 이야기다. 그래서 이를 막기위해 barrier라는 것이 존재하는데, Eu-chromatin을 보호해준다. 초기 발생단계에서는 이 배리어가 작용하지 않아서,  heterochromatin이 주변으로 자유롭게 확장하는데, 이러다 어느순간 barrier가 작용하여 확장을 멈춘다. 그때부터는 그 동일한 상태로 세포분열이 죽 일어나게 된다. 이 헤테로 크로마틴의 확장 정도와 범위에 따라 어떤 유전자가 발현될지가 결정된다. 이는 세포 phenotype의 다양성에 기여한다. 이 현상을 position effect varigation이라 부른다. 

이 대표적인 예로, 초파리의 눈 세포의 pigment를 조절하는 유전자가 있다. 초파리의 눈은 어떤 부분은 하얗고 어떤 부분은 빨간데, 하얀 부분은 빨간 유전자가 헤테로 크로마틴의 영향으로 발현되지 않아서 하얗게 된 것이다.

Histone tail modification is important 

히스톤 tail의 modification은 다양하게 이루어진다. Acetylation, Methylation, Phosphorlyation이 일어난다. 이 현상들은 가역적인 화학변환이다. 이 변환을 일으키는 효소와, 되돌려 놓는 단백질이 둘 다 존재한다. 예를 들어 histone H3의 9번 아미노산의 methylation은 heterochromatin formation을 일으킨다. 또 동일 부위가 acetylation되고 4번이 methylation 되면 gene expression이 일어나고, 27번이 methylation 되면 gene silencing이 일어난다. 

Histone 단백질 종류 자체도 다양성에 기여한다. Histone 단백질의 다양한 varient가 존재하는데, 이 varient가 gene expression에 많은 영향을 줄 수 있다. 

Histone Modification Propagation 

Histone modification은 propagation한다. 우선 reulatory protein이 결합하면 modifying enzyme(다른 말로 writer protein)을 유도한다. 이 녀석은 modification 뿐만 아니라 reader protein을 유도하고, 이 reader protein은 다시 다른 writer protein을 유도해서 propagation이 일어난다. 

그래서 이 무한 전파를 방지하기 위해, 이 현상을 멈추는 기작이 필요하다. 세가지가 존재하는데, 첫번째로 어떤 barrier protein이 근처 단단한 nuclear pore등과 결합해서 더이상의 propagation을 막는 경우, 두번째로 거대 단백질이 붙어 막는 경우, 세번째로 특정 상호작용을 하는 barrier protein이 등장하여 결합을 막는 경우가 있다.

Chromatin Structure은 유전된다 (Cell -> Cell) 

Heterochromatin의 유전

이런 chromatin structure가 유전(cell 단위)되는 경우가 있는데, 이는 어떻게 일어날까? heterochromatin은 어떻게 유전되는가? 하나의 DNA가 두개로 분리 되면 순간적으로 heterochromatin의 비율이 전 대비 1/2이 된다. 이때 hetero chromatin propagation이 일어나면서 다시 hetero chromatin 구조를 띄게 된다.  

Example : MyoD and H3.3 

그런데 이 chromatin structure가 무슨 역할을 하는가? 세포가 발현하는 유전자의 pattern을 결정한다. 예를 들어 간세포가 세포분열을 했는데 뇌세포 두개가 된다면 어떨까? 좋지 못한 일이다. 그래서 간세포가 분열할때 같은 간세포 두개가 되기 위해선 이 chromatin structure의 inheretence가 중요하다. 이는 myoD 실험을 통해서 알아볼 수 있다. myoD 유전자를 발현하는 세포의 핵을 추출하여 핵이 제거된 egg에 넣은 뒤 분열 시킨다. chromatin structure 가 유전되기 때문에 계속 myoD가 발현될 것이다. 그 분열된 딸세포를 세개 그룹으로 나눈뒤, 한 그룹에는 H3.3 히스톤을 주입하고, 하나는 그대로 두고 나머지 하나에는 H3.3 mutant를 주입한다. H3.3는 MyoD 유전자를 발현하는데 반드시 필요한 단백질이다. 세번째 그룹은 아무리 chromatin structure 가 유지되더라도 functional 한 H3.3를 mutant가 대체하므로 myoD 발현이 일어나지 않는다.