[분자생물학] 13.1 : chromatin의 기본 구조 및 histone

 

 

이번 포스트에서는 chromatin(염색질)의 기본적인 구조, 그리고 histone(히스톤)의 역할에 대해 알아보도록 하자.

 

 

 

 

chromatin은 염색질을 의미하며, DNA와 protein이 함께 뭉쳐서 만들어진 구조임. 이런 구조는 주로 eukaryote에서 나타남. (한편 bacteria의 경우 naked DNA 상태로 DNA가 존재하고 있음) 이 때 이전 chapter에서 배운 것처럼 DNA를 전사하기 위해 다양한 단백질들이 접근하기 위해서는, 원래부터 DNA와 함께 존재하고 있던 chromatin을 이루는 단백질들을 어떤 방식으로든 치워(?)놓아야 할 것임. 이에 대한 방법들이 본 chapter들에서 소개될 것임.

 

 

 

 

위 그림은 실제로 염색을 통해 염색질(검은색)을 관찰한 것이므로 참고할 것.

 

 

흥미롭게도 chromatin을 구성하는 DNA와 protein들의 mass를 측정해보면, DNA와 protein들의 mass가 얼추 동일하다고 함. 즉, DNA만큼 많은 단백질들이 chromatin을 구성하고 있음.

 

 

 

 

DNA가 compaction(응축)되는 순서가 위 그림에 나타나 있음. 이 중 맨 오른쪽 구조는 chromosome으로, metaphase에서만 관찰됨. 우리는 이 전 단계에 해당하는 chromatin level에서의 구조에 대해 중점적으로 살펴볼 것임.

 

 

 

histone

 

chromatin을 구성하는 단백질의 대부분은 histone임. (즉, DNA의 mass와 histone의 mass가 거의 같다고 말해도 틀린 말은 아님) eukaryotic cell은 5개 종류의 histone을 가지는데, H1, H2A, H2B, H3, H4가 바로 그것임.

 

 

 

 

우선 H3, H4, H2A, H2B 2개씩이 뭉쳐서 octamer 형태인 core histone을 만들게 됨. 이 때 core histone은 DNA를 감는데 중요한 역할을 함. 한편 이 core histone과 추가적으로 결합하는 linker histone이 바로 H1임. (전체 octamer 당 H1 하나가 가서 붙음)

 

H1은 DNA를 감는 활성 이외에 다른 역할도 있기 때문에 진화적으로 상대적으로 덜 보존되어 있고, 이 때문에 다양한 variant들이 존재함. (위 그림에 H1 variant인 H1 · 이 나타나 있으며, 심지어는 variance가 너무 커서 아예 H5라는 이름으로 따로 불러주는 variant도 존재함)

 

 

 

histone은 neutral pH에서 positive charge를 가짐. (흥미롭게도 histone을 구성하는 amino acid의 20%가 positive한 물성을 가짐) histone의 amino acid sequence는 진화적으로 매우 잘 보존되어 있으며, 특히 H4는 특별히 더 잘 보존되어 있음. 예를 들어 소와 콩의 H4 amino acid sequence를 비교해본 결과 100여개의 amino acid 중 2개만 다르고, 다른 2개조차 거의 비슷한 녀석들임.

 

 

이는 어찌 보면 당연한데, H4의 경우 특히 DNA 구조를 인식하는 녀석이므로, 종에 상관없이 전체적으로 거의 동일한 DNA 구조(인산+당+염기로 이루어진 nucleotide들이 모여 만들어진 역평행 이중나선)를 가지고 있는 이상 H4가 다양할 이유가 없음.

 

 

 

histone 단백질을 encoding하는 gene은 single copy로 되어 있지 않고, 매우 많은 repeat이 존재함. (이런 식으로 repeat이 여러 번 존재하는 이유는 DNA를 감는 데 쓰이는 histone 단백질의 양이 어마어마하게 많으므로 이 양을 유전자 발현으로 다 충당하기 위해서임)

 

이 때 어떤 copy들은 서로간에 identical하기도 하고, 어떤 copy들은 서로간에 꽤나 다르기도 함. H4의 경우 앞서 말한 진화적 보존성 뿐 아니라 한 개체 내에서의 copy 측면에서도 거의 identical한데, 지금까지 H4 encoding copy 중 2개의 variant만 보고되어 있음. 한편 H1 encoding gene의 경우 H4보다 훨씬 많은 copy variation이 관찰됨.

 

 

 

방금 전에 언급한 것처럼 gene의 copy끼리도 조금씩 달라 gene reiteration이 발생할 수 있음. 이와 더불어 만들어진 histone 단백질에 일어나는 post-translational modification(PTM)도 다 다름.

 

이 때문에 한 histone을 이루고 있는 두 개의 H 분자는 서로 homogenous하지 않을 수 있음. (심지어 같은 H3라 하더라도 서로 다를 수 있음) 즉, 세포 내에 존재하는 histone protein 간에는 heterogeneity가 관찰됨.

 

 

 

참고로 일반적으로 행해지는 PTM의 종류는 아래와 같음.

 

 

 

 

 

 

다음 포스트부터는 chromatin의 응축 과정에 대해 보다 더 자세히 알아보도록 하자.