[분자생물학] 12.5 : transcription factory, complex enhancers, etc

 

 

이번 포스트에서는 전사와 관련된 아주 흥미로운 몇가지 개념들에 대해 살펴보도록 하자.

 

 

transcription factory

 

 

loop이 형성되어서 전사가 촉진된다는 사실을 바탕으로 사람들은 혹시 여러 gene의 전사가 특정한 장소에서 모여서 일어나지는 않을지에 대해 생각하게 됨. 이 때 등장한, 전사가 일어나는 핵 내의 특정 site들을 transcription factory라고 부름.

 

 

이와 관련된 실험 결과를 살펴보자.

 

 

 

 

세포의 핵을 그대로 둔 상태에서 새로 생성되는 RNA를 BrU라는 녀석으로 labeling한 후, BrU에 붙는 antibody를 사용해 RNA를 다시금 tagging해줌. 이 때 사용한 antibody에는 9nm의 gold particle이 붙어있으므로 결과적으로 EM으로 관찰 시 RNA가 새로 생성되는 부분에 gold particle이 clear하게 관찰될 것임. 그렇게 관찰한 결과가 위 그림과 같음.

 

 

보면 화살표에서도 나타나 있듯이 새로 생성되는 RNA가 nuclear 내의 어떤 특정한 site에서만 존재한다는 것을 알 수 있음. 이 site가 바로 앞서 언급한 transcription factory임.

 

 

그런데 사실 이 실험만으로는 RNA가 처음 생성되는 공간이 구획화되어있는것인지, 아니면 이미 생성된 RNA들끼리 뭉쳐져서 저런 결과가 관찰된것인지의 여부는 확인하지 못함. 따라서 이에 대한 확인을 위해 핵막을 없앤 상태에서 실험을 수행함.

 

 

 

 

 

실험의 결과가 위 그림과 같음. 이 때는 앞서와 마찬가지로 BrU와 9nm gold particle tagged antibody를 처리했을 뿐만 아니라 새로 생성되는 RNA만을 특이적으로 labeling하기 위해 biotin-CTP를 사용함. 물론 이를 visualize하기 위해 biotin-CTP에 붙는 5nm gold particle tagged antibody도 처리해 주었음.

 

 

한편 위 실험에서는 핵막을 없앴으므로 이미 생성이 완료된 RNA들은 다른 곳으로 확산되어 나갈 것임. 따라서 결과적으로 EM을 통해 9nm gold particle과 5nm gold particle이 동시에 관찰되는 지역을 관찰하면, 그곳이 바로 RNA가 현재 합성되고 있는 장소일 것임.

 

 

이렇게 관찰해본 결과 위 그림에서 화살표로 표시된 부분에서 RNA의 생합성이 일어나고 있음을 확인함. 이를 통해 결국 transcription factory가 실재로 존재함을 확인할 수 있었음.

 

 

결과적으로 이 실험을 통해 5,500개의 transcription factory가 관측되었고, 그곳에 약 77,000개의 active한 RNA polymerase II, III가 관측됨. (따라서 transcription factory 하나당 대략 14개 정도의 RNA polymerase II, III가 함께 위치하고 있을 것이라 계산할 수 있음)

 

 

complex enhancers

 

한편 enhancer(activator-binding site)들도 한 gene 당 여러개가 모여있는 경우가 꽤나 많음. 이런 여러 개의 enhancer들을 complex enhancers라고 부르며, 한 gene이 여러 enhancer를 가지게 될 시 multiple stimuli 각각에 대해서 특정 gene이 다양하게 활성화될 수 있게끔 해줌. (즉, gene의 fine control이 가능하게 함) 다르게 표현하면 activation switch가 여러 종류 존재하므로 다양한 반응의 결과로 gene이 turn-on되는 것이 가능함.

 

 

이들 각각의 enhancer들은 앞서 본 것처럼 looping out되어서 promoter 부위에 영향을 미칠 것이고, 결과적으로 activation을 유발할 수 있을 것임.

 

 

 

 

 

위 그림에는 complex enhancer의 한 예인 Metallothionine gene이 나타나 있음. 보면 TATA, GC라고 표시된 곳 이외의 나머지 부분들이 모두 enhancer임.

 

 

 

참고로 이 때 metallothionine gene으로부터 발현되는 Metallothionine은 해로운 heavy metal을 잡아서 우리 몸을 보호하는 역할을 함. 그렇기에 당연히 이 gene은 다양한 heavy metal이 우리 몸에 들어왔을 때 turn-on 될 수 있어야 하고, 이 때문에 complex enhancer를 가지는 것이 유리함.

 

 

 

사실 이러한 complex enhancer의 발견은 enhancer와 관련된 기존의 정의를 대폭 수정하게끔 만들었음. 기존에 enhancer는 전사를 촉진시키는 독립된 DNA element를 의미했었음. 그런데 complex enhancer의 경우 이들이 독립된 DNA element들로 존재하기는 하지만 함께 작용해 전사를 촉진시키는 경우도 많음.

 

 

이런 경우 여러 DNA element들을 한 덩어리의 enhancer로 볼 것인지, 각각의 DNA element들을 하나하나의 enhancer들로 볼 것인지에 대해 고민이 많았음. 지금은 gene에 따라 element 하나를 enhancer로 보기도, 전체를 하나의 enhancer로 보기도 함. (그때그때 적당한 정의를 씀) 참고로 위 그림에 나와있는 gene의 경우 전체 DNA element들을 하나의 enhancer 덩어리로 봄.

 

 

architectural transcription factor

 

 

이 밖에 architectural transcription factor라는 녀석도 있음. 이 factor는 혼자서는 direct하게 전사를 활성화시키지 못하지만, promoter 등의 shape 그 자체를 바꿔서 결과적으로 나머지 factor들이 전사 활성화를 더 쉽게 할 수 있도록 만들어주는 역할을 함.

 

사실 TBP의 활성 중 일부분도 architectural transcription factor적인 측면이 있는데, TBP가 TATA box의 minor groove에 붙어서 DNA를 80도정도 굽혀주는 활성을 가지기 때문임.

 

 

 

 

 

architectural transcription factor의 대표적인 예가 위 그림에 나와있음. 보면 LEF-1(lymphoid enhancer-binding factor)이라는 녀석 그 자체만으로는 전사를 촉진시키지 못함. 그러나 이 녀석은 enhancer의 minor groove에 붙어 DNA를 130도 구부려주고, 그 결과 여러 element들이 assemble하기 쉽게 해 주어서 더 쉽게 activation될 수 있도록 만들어줌. (참고로 앞서 DNA footprinting에서 보았던 hypersensitive band는 이런 녀석들에 의해 유발되는 경우가 대부분인데, 예를 들어 이 녀석에 의해 DNA가 bending되면 DNase가 더 쉽게 특정 조각을 자를 수 있게 되어 hypersensitivity가 나타나게 되는 것임)

 

 

enhanceosome

 

앞서 complex enhancer에 대해 소개했었는데, 이와 비슷하지만 미묘하게 다른 enhanceosome이라는 개념이 존재함.

 

 

 

 

 

위 그림에 나와있는 것이 INFbeta enhancer로, 이 녀석에 붙는 단백질군이 enhanceosome에 해당함. 보면 이 경우에는 단백질 8개가 한 번에 같이 붙어야 전사를 activation하는 것이 가능함. 다시 말해 complex 형태로 다양한 단백질들이 모두 합쳐져 하나의 activator로써 기능함. 이런 식으로 enhanceosome이 형성되면, 앞서와는 달리 정교한 control을 하기는 어렵겠지만, 그 대신 꼭 필요한 때만 gene이 activation될 수 있게 해 줌. (8개의 protein component가 다 모여야 비로소 activation이 일어날 것이기 때문)

 

이 때 이 8개의 단백질은 cooperative하게 서로 연결되어 있으며, 이들이 한꺼번에 다 모여야 비로소 active해지는 성질을 cooperativity라고 함.

 

 

 

 

다음 포스트에서는 insulator에 대해 알아보도록 하자.