생화학분자생물학회

2.2 뉴클레오솜 위치 선정의 분자 기전

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   초창기 연구에서 뉴클레오솜 배열이 특정 DNA 염기 서열들에서 열역학적으로 선호된다는 사실이 드러남에 따라 염색질의 구조가 유전체의 서열에 의해 예정되어 있을 수 있다는 가능성이 제시되었었다. 하지만 시간이 흐름에 따라 전사 인자에서부터 RNA 중합효소, 그리고 ATP-의존성 크로마틴 리모델러(ATP-Dependent Chromatin Remodeler) 등에 이르는 후성 유전 단백질들 또한 뉴클레오솜 위치 선정에 지대한 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 이에, 본 글에서는 지금까지 알려진 뉴클레오솜 위치 선정 요소들을 살펴보고자 한다.

   (1) DNA 염기서열: 기본적으로 단일 히스톤은 DNA 서열에 특이적 결합능을 가지지 못하지만 히스톤 단백질 사이의 결합능이 DNA의 Minor Groove와 상호작용하는데 중요하다고 알려져 있다. 초기 연구들에서 성게의 5S 리보솜 RNA(Sea Urchin 5S Ribosomal RNA (rRNA))의 DNA 서열과 같이 히스톤 팔량체가 선호하는 DNA 염기서열이 존재한다는 사실이 알려졌고, Drew & Travers의 연구에서 시험관에서(in vitro) 생성된 뉴클레오솜이 DNA에 대해서 회전적 선호(Rotational Preference; AT 디뉴클레오티드(Dinucleotide)의 주기성)를 보인다는 것을 알게 되었다. 이 연구에 따르면, 시험관에서 만들어진 뉴클레오솜 DNA는 소홈(Minor Groove)이 뉴클레오솜 중심(Nucleosome Core) 내부 방향으로 향해 있는 AT 디뉴클레오티드가 일반적이며 대략 10.15bp 주기의 디뉴클레오티드와 트리뉴클레오티드(Trinucleotide)를 가진다. 하지만 AT 디뉴클레오티드 주기를 기반으로 한 뉴클레오솜 예측 모델들은 프로모터 뉴클레오솜 결실(Promoter Nucleosome Depletion)과 같은 생체 내에서 나타나는 특이적인 뉴클레오솜 위치 선정을 예측하는 데 실패했다. 하지만 다양한 실험을 통해 뉴클레오솜 위치 선정에 배제되는 DNA 서열(예를 들어 Poly(A))의 존재도 알려지게 되었다. 결론적으로, DNA 서열은 열역학적인 개념에서 뉴클레오솜 위치선정에 중요하지만 이것만으로는 충분하지 않다.

   (2) 뉴클레오솜 자유 구간 주변에 위치한 뉴클레오솜들: 미국 스탠포드 대학교의 Kornberg 교수와 Stryer 교수의 통계적 위치 지정(Statistical Positioning) 가설에서 기원한 이론과 실제 세포 내 뉴클레오솜 위치 선정 결과에 따르면, 뉴클레오솜이 특정 위치에 대해 본질적인 선호도를 가지고 있지 않다고 하더라도 뉴클레오솜이 주어진 DNA의 끝부분에 고정되어 있다면, 그 이후에 들어오는 뉴클레오솜의 위치는 한정적일 수밖에 없다. 이를 바탕으로 실제 세포 내에서는 매우 강하게 위치를 선점한 뉴클레오솜을 기준으로 하여 주변의 뉴클레오솜 위치가 확률적으로 결정될 수 있으며, 그 뉴클레오솜들 사이의 간격을 조절하여 규칙적인 배열을 만드는 데에 크로마틴 리모델러가 필요하다고 생각되고 있다. 이러한 사실을 가장 잘 반영하는 곳이 바로 프로모터 부위의 +1과 -1 뉴클레오솜들이다. 앞에서도 설명한 바, 이 뉴클레오솜들은 프로모터와 전사 시작 위치에서 가까울수록 그 유전자의 전사율이 높을수록 그 위치가 분명하고 선명하며, 이 뉴클레오솜이 위치 지정이 분명한 곳 일수록 그리고 그 유전자의 길이가 상대적으로 짧을수록 그 하류에서 규칙적으로 나타나는 뉴클레오솜 배열들 또한 선명하다.

   (3) 전사 인자: 효모에서 유전자의 프로모터들은 시험관에서보다 생체 내(in vivo)에서 훨씬 더 큰 뉴클레오솜 결실을 보이는데, 이는 뉴클레오솜 자유 구간이 이곳에 붙어서 역할을 수행하는 다양한 전사 인자들 – 보편적/특정 전사 인자(General/Specific Transcriptional Factor)나 전사 전 복합체 – 에 의해서 좌우될 수 있음을 암시하고 있었다. 따라서 전사 인자와 히스톤이 DNA에 붙기 위해 경쟁할 것이라고 추정되어 왔는데, 이를 Workman & Kingston이 20여 년 전에 GAL4 전사 인자의 뉴클레오솜 결합이 히스톤 샤페론(Histone Chaperone)의 존재 하에 뉴클레오솜 DNA에서 히스톤을 떼어낼 수 있음을 보임으로써 증명하였다. 이러한 결과는 DNA 결합 단백질들이 생물 내에서 뉴클레오솜 위치 선정에 중요한 역할을 수행할 수 있음을 암시하며 이는 앞서 언급한 고등 동물의 인핸서 및 프로모터에 붙은 인핸서들과 이 위치들에서 나타나는 뉴클레오솜 결실을 설명하여 준다.

   (4) 크로마틴 리모델러와 히스톤 샤페론: 앞에서도 설명한 것처럼 DNA 염기서열 자체만으로는 프로모터나 전사 종결 위치 부근, 그리고 인핸서상에 존재하는 뉴클레오솜 자유 구간을 완벽하게 재현해 낼 수 없고 설사 그 구간이 전사 인자들을 통하여 만들어진다고 하여도 그 구간들을 기준으로 나타나는 정렬되는 뉴클레오솜들은 확률적으로 분포되어질 뿐, 각각의 안정적인 위치를 스스로 지정할 수는 없다. 따라서 앞서 언급한 뉴클레오솜 자유 위치에 결합 가능한 전사 인자들이나 그 곳의 DNA에 크로마틴 리모델러들이 ATP에 내포되어 있는 인산 결합 에너지를 이용하여 뉴클레오솜 배열을 재정비 하는 과정을 수행하게 된다. 이 크로마틴 리모델러들은 크게 SWI/SNF, ISWI, INO80와 CHD의 네 가지 군으로 나누어지며 이들 중 ISWI와 CHD계열이 통상적인 뉴클레오솜 위치 지정에 가장 중요하며, 뉴클레오솜들을 안정화 하여 본래 유전자들의 전사체가 아닌 비정상적인 전사체가 발현되는 것을 막는다. 한편, SWI/SNF는 뉴클레오솜 축출(Nucleosome Eviction)에 기본적인 역할을 하고 INO80 계열 – INO80 복합체와 SWR 복합체 – 은 이형 히스톤 H2A.Z를 뉴클레오솜에 넣고 빼는 역할을 수행한다. 이와 다르게, 히스톤 샤페론은 ATP를 이용하지 않고 다양한 히스톤들 및 뉴클레오솜에 붙는 친연성(Histone/Nucleosome Binding Affinity)를 이용하여 염색질에 존재하는 뉴클레오솜의 안정성(Stability)에 영향을 주거나, 염색질 주변에 떠다니는 히스톤들을 붙잡아두는 완충 효과(Buffering Effect)를 수행하게 된다.

   (5) RNA 중합효소: RNA 전사 기작은 전사가 일어나는 위치들의 크로마틴 구조에 상호적으로 영향을 미친다. 뉴클레오솜 위치 선정이 전사 프로그램에 미치는 영향을 밝히는 일은 효모를 이용한 Hörz 박사와 그 동료들의 PHO5 Promoter에 관한 연구에서 시작되어, 많은 연구자들이 탄소원 변화(Carbon Source Shift), 스트레스 반응(Stress Response), 그리고 교배 상황(Meiosis)에서의 뉴클레오솜 위치 선정과 사용량의 변화를 관찰했다. 이에 더하여, 초파리를 이용한 고온 스트레스에 대한 반응 및 인간의 CD4+ T 세포에서 T 세포 수용체(TCR; T Cell Receptor)의 활성을 조사하는 등의 연구가 수행되었다. 재미있는 점은, 시험관 상에서는 뉴클레오솜 배열이 유전자 전사에 물리적인 장애물로 작용하지만 생체 내에서는 그 유전자의 전사율이 높을수록 그 유전자의 프로모터 근처나 개방형 해독틀에서 뉴클레오솜 사용량이 높고 그 위치 지정이 분명하다는 점이다. 또한 특정 상황이나 조건에서 발현이 일어나거나 억제되는 유전자의 경우, 그 유전자 발현 상태에 따라 프로모터 부근의 뉴클레오솜들의 위치 및 사용량을 조절함으로써 그 유전자의 전사에 영향을 미친다고 알려져 있다.

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2.3 뉴클레오솜 위치 선정 조절 기작과 후성 유전학적 유전자 전사 조절

   앞에서도 언급한 것처럼 유전자 발현을 연구하기 위하여 수행된 RNA 중합효소 II에 의해 일어나는 전사에 대한 시험관 실험들은 이 RNA 중합효소의 반응 진행성이 뉴클레오솜이 없는 DNA 상태에서 뉴클레오솜이 있는 상태보다 훨씬 빠르게 나타나며, 뉴클레오솜이 유전자 전사에 대한 뉴클레오솜 방어벽(Nucleosome Barrier)로 작용함을 시사해 왔다. 그러나 놀랍게도, 생체 내에서는 뉴클레오솜들의 위치 선정이 상대적으로 뚜렷한 유전자들이 오히려 전사율이 높고 RNA 중합효소의 반응 진행성 또한 시험관 내 실험에서 뉴클레오솜이 없는 DNA 상태에서 일어나는 유전자 발현과와 일치한다. 이는 생체 내에서는 전사 중인 RNA 중합효소가 다가올 때는 그 뉴클레오솜 방어벽을 무너뜨렸다가 RNA 중합효소가 지나간 후에는 다시 그 뉴클레오솜을 원위치 시키는 기작이 효율적으로 일어나고 있음을 시사한다. 여기에서는 뉴클레오솜 위치 선정에 관여하는 후성 유전학적 요소들이 어떻게 유전자의 전사 기작을 조절하는지 각 요소 별로 살펴보도록 한다.