[분자생물학] 12.2 : DNA-binding motif의 구조 - 1

 

 

이번 글에서는 activator의 구성 요소 중 하나인 DNA-binding motif들의 구조에 대해 알아보자.

 

 

 

DNA-binding domain은 꽤나 정형화되어 있고, activator를 비롯한 여러 transcription factor에서 꽤나 공통적으로 발견됨.

 

 

DNA-binding domain의 structure는 주로 x-ray crystallography를 이용해 많이 밝혀졌는데, x-ray crystallography는 다른 구조 study tool에 비해 다루기 비교적 쉽고 DNA와 protein이 붙어있는 상태까지 구조 연구가 가능하므로 널리 사용되고 있음.

 

 

일반적으로 DNA와 interaction하는 domain들은 dimer 혹은 tetramer를 이루는 경우가 많고, monomer 형태로 DNA에 binding하는 형태는 잘 관찰되지 않음.

 

 

zinc-containing modules

 

1) zinc fingers

 

zinc finger motif는 TFIIIA(이 녀석은 가장 먼저 발견된 transcription factor)에 대한 연구 과정에서 처음으로 관측됨. zinc finger motif는 특징적으로 30-residue element가 9번 반복된 구조를 가지며, 이 부분이 DNA와 binding하게 됨. 처음에는 zinc를 coordination하는 residue들이 어떻게 배열되어 있는지를 바탕으로 zinc finger motif의 모양을 추론하였고, 그 결과 예상된 shape이 finger 모양이어서 zinc finger로 이름붙여짐.

 

 

후에 실제로 밝혀진 zinc finger의 구조는 아래와 같음.

 

 

 

 

위 입체구조는 x-ray crystallography를 통해 얻은 것이 아니라 NMR을 이용해 얻은 것임. NMR을 이용해 구조를 결정하는 방법은 x-ray crystallography보다 전처리가 수월하다고 볼 수 있는데, crystal을 만들 필요 없이 solution에 단백질을 녹인 상태로 구조를 결정할 수 있음. 그렇기에 최근 구조생물학에서 NMR이 많이 이용되고 있음. 

 

 

이들 motif는 특히 metal을 잘 붙잡을 수 있는 2개의 cysteine, 2개의 histidine을 포함하고 있음. cysteine의 경우 잔기의 S-H에서 H가 떨어져 나가게 되면 metal을 잘 붙잡을 수 있게 되고 histidine의 경우 aromatic ring의 N-H에서 H가 떨어져 나가게 되면 마찬가지로 metal을 잘 붙잡을 수 있게 됨.

 

 

 

결국 이런 amino acid들의 metal binding에 의해 위 그림과 같이 양쪽이 접힌 finger-like shape가 형성되는 것임.

 

 

 

 

 

위 그림은 zinc-finger를 조금 더 모식적으로 표현한 것임. 이 때 붉은색으로 표현된 원통형 구조가 alpha-helix이고 노란색으로 표현된 antiparallel한 구조가 beta-sheet이며 파란색 구슬 형로 표현된 것이 zinc임.

 

 

 

 

위 그림에서도 나타난 것처럼 alpha-helix가 DNA의 major groove를 인식하게 됨. 그렇기에 alpha-helix, 그 중에서도 DNA를 마주보고 있는 부분의 amino acid 서열과 DNA의 특정 서열간의 상호작용에 의해 특정 DNA 서열을 recognition할 수 있게 됨. (그렇기에 alpha-helix의 DNA 쪽 부분이 DNA-binding의 특이성을 결정한다고 보아도 무방함)

 

 

 

반응형

 

 

 

2) GAL4 protein

 

 

GAL4 protein은 앞서 잠시 언급했었던, 6개의 cysteine이 2개의 zinc를 가지고 있는 zinc-containing module의 한 종류임.

 

 

 

 

 

위 그림은 x-ray crystallography를 이용해 얻은 GAL4 protein의 입체구조임. 이 때 위 그림 (a)에서 나타나 있는 것처럼 GAL4 protein은 dimer 형태로 존재함. 이 때 dimer가 형성되는 방식이 꽤나 흥미로운데, (b)의 왼쪽부분에 나타난 것처럼 alpha-helix 구조끼리 한 번 더 꼬여 형성된 coiled coil 구조에 의해 dimerization이 일어나게 됨.

 

 

한편 (a), (b)에서 노란색 부분으로 표시된 것이 2개의 zinc이며, zinc 주변에 6개의 cysteine이 분포하고 있음을 확인 가능함. 이 부분이 (그 중에서도 아래의 V모양 부분이) DNA의 major groove와 상호작용하고 결국 특정 DNA와 binding하게 됨.

 

 

 

 

3) nuclear receptors

 

다음으로 zinc module에 대해 살펴보자. zinc module의 경우 나머지 둘에 비해 독특하게 드러나는 특징은 거의 없으며, 그냥 zinc를 함유하고 있고, DNA와 binding하는 녀석들이라는 것 정도로 알고 있으면 됨.

 

 

 

zinc module을 가지고 있는 가장 대표적인 예가 nuclear receptor임. 이런 nuclear receptor들은 특히나 endocrine-signaling molecule과 상호작용 할 때 많이 사용됨.

 

 

 

nuclear receptor는 다시 type I, type II, type III로 나뉨.

 

 

type 1에는 steroid hormone receptor가 포함되며, 이 녀석들은 receptor가 처음에는 핵 안에 존재하는 것이 아니라 cytoplasm(세포질)에 존재하고 있음.

 

 

 

 

보면 cytoplasm에서 type 1 receptor가 여타 다른 단백질들과 함께 dimer, 혹은 oligomer complex를 이루고 있음. 그러다가 어떤 signal molecule(위 그림에서는 glucocorticoid)이 세포질로 들어와 이 complex에 결합하게 되면, type 1 receptor와 같이 붙어있었던 cytosolic protein들은 떨어져나가게 되고 결국 type 1 receptor가 nucleus로 가게 됨.

 

 

일반적으로 이들은 핵 내에서 dimer를 이루게 되고, 이후 이 dimer가 특정 DNA와 상호작용해서 gene transcription을 regulation하게 됨. (이 때 type 1 receptor가 특정 DNA 부위에 binding하게끔 해주는 것이 바로 zinc module motif임)

 

 

 

 

위 그림은 실제 glucocorticoid receptor의 모습을 나타내주고 있음. 이 녀석은 2개의 zinc-containing module을 가지고 있으며, 그 중 하나가 위 그림과 같이 DNA와 binding함. (이 때 특히 K, V, R과 같은 amino acid들이 핵심적으로 작용함)

 

 

 

참고로 glucocorticoid receptor가 가지고 있는 다른 module들의 경우 종류에 따라 약하게나마 DNA와 binding하기도 하고, protein-protein interaction을 매개하기도 함.

 

 

 

type 2 receptor들은 DNA와 계속 붙어있으며, 이 녀석들은 평소에 DNA에 붙어 전사를 blocking하고 있음. 그러다가 ligand와 receptor가 결합하게 되면 비로소 receptor가 repression을 그만두고 전사를 activation하게 됨.

 

 

 

type 3 receptor들은 orphan receptor로도 불리며, 이들은 아직 ligand pair가 명확하지 않음.

 

 

 

 

 

다음 포스트에서는 homeodomain의 구조와 기능에 대해 알아보도록 하자.