[분자생물학] 13.8 : heterochromatin, chromatin methylation

 

 

이번 포스트에서는 heterochromatin, chromatin methylation에 대해 알아보자.

 

 

heterochromatin

 

 

euchromatin은 상대적으로 확장되어 있고 open되어 있는 chromatin을 의미하며, 이 부위는 potentially active함. 한편 heterochromatin은 매우 condense한 DNA 부위로, 이 부위에 있는 gene들은 거의 모두 inactive한 상태임.

 

 

 

 

실제로 chromatin의 image를 얻어보면 위 그림에서와 같이 검게 표시된 heterochromatin을 관찰할 수도 있음.

 

 

물론 yeast에서는 genome size가 매우 작으므로 heterochromatin이 눈에 딱 보이지는 않음. 그러나 yeast에서의 heterochromatin을 가지고 실험을 해 보았더니, heterochromatin site로부터 3kb 떨어진 gene까지도 다 repression된다는 관측을 할 수 있었음. 한편 흔히 heterochromatin은 chromosome 중 telomere, centromere 등에서 많이 관찰됨.

 

 

 

yeast chromosome에서 telomere 부근에 있는 유전자를 silencing시켜주는 effect를 telomere position effect(TPE)라고 부르며, telomere 주변 3kb에 있는 gene은 종류를 막론하고 다 silencing됨. (즉, heterochromatin은 결국 본질적으로 gene silencing과 관련되어 있음)

 

 

 

TPE를 유발시키는 것은 RAP1, SIR(silencing information regulator)3, SIR4, SIR2와 같은 단백질들이며, 이 녀석들이 heterochromatin을 만들고 gene repression이 계속 유지되게 하는 역할을 수행함.

 

 

 

 

 

이와 관련된 그림이 위에 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

 

SIR protein에 대해서는 이후에 더 언급할 기회가 있을 것임. 간단히 설명하자면 SIR3, SIR4와 같은 녀석들은 직접적으로 nucleosome의 H3, H4과 interaction을 하게 됨. 그런데 흥미롭게도 H4의 lys16에 acetylation이 일어나게 되면 이 acetylation이 SIR3와 nucleosome이 상호작용하는 것을 block해줌. 즉, 특정 부위에 일어나는 acetylation은 heterochromatin formation을 직접적으로 억제해줄 수도 있음. (이러한 억제기전도 모두 histone code에 포함되는 개념임)

 

 

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histone methylation

 

다음으로 histone에 일어날 수 있는 또다른 modification인 methylation에 대해 알아보자. methylation은 흥미롭게도 결과적으로 전사를 억제하는 효과를 유발할수도, 전사를 촉진하는 효과를 유발할수도 있음.

 

 

우선 histone methylation이 전사를 억제하는 예에 대해 먼저 살펴보자.

 

 

 

 

H3의 N-terminal tail에 위치하는 lysine 9에 methylation이 일어나게 되면, 이 부분은 HP1이라는 단백질을 recruit하게 되고, HP1은 histone methyltransferase(HMTase)를 recruit하게 됨. HMTase는 위 그림에 나타나 있는 것처럼 주변 histone들에도 순차적으로 추가적인 methylation을 시켜주게 되고, 결과적으로 전반적인 repression이 유발됨.

 

 

 

다음으로 histone methylation이 전사를 촉진하는 예에 대해 살펴보자. H3의 N-terminal tail에 위치하는 lysine 4에 methylation이 일어나는 modification은(일반적으로 여기에는 tri-methylation이 일어나게 됨) active한 gene의 5' end와 associate되어 있음. 즉, 이 methylation은 transcription initiation의 sign 중 하나이며, 어떤 식으로든 전사의 initiation과 관련되어 있을 것으로 생각됨. 이를 통해 methylation이 다양한 기작으로 전사를 촉진할수도 있음을 알 수 있음.

 

 

아직도 histone methylation과 관련해서 우리가 모르는 것이 많으므로 이와 관련된 흥미로운 연구들이 많이 이루어지고 있음.

 

 

 

지금까지 살펴본 histone modification의 역할은 크게 두 가지로 정리할 수 있음. 첫 번째, 대부분의 modification이 histone의 tail 부분에 일어나므로 tail의 property를 바꾸어서 histone과 DNA 사이에 일어나는 interaction을 조절하는 역할이 있음. 두 번째, modification이 일어난 histone 부위에 특정한 단백질이 와서 붙은 다음 전사에 관여하는 일도 일어날 수 있음.

 

 

 

 

한편 앞에서도 계속 이야기가 나오기는 했지만 modification은 서로 combination을 이루고 있음. 이와 관련된 대표적인 실험 결과를 살펴보자.

 

 

 

 

이 경우 특히 Rad6라는 단백질이 정상인 sample과 Rad6라는 단백질이 mutated된 sample에 대해 ChIP assay를 수행함. (앞서와 마찬가지로 다양한 modification을 인지할 수 있는 antibody를 사용함) 이 때 Rad6는 H2B K123 자리에 ubiquitin을 붙여주는 역할을 하는 녀석이므로, Rad6에 mutation이 일어난 경우 H2B K123에 ubiquitin이 붙지 못할 것임. (혹은 아예 H2B K123 자리 자체를 없애도[H2B K123R] mutated Rad6를 썻을 때와 거의 identical한 효과가 나타날 것임)

 

 

 

그런데 흥미롭게도 두 번째 세로줄을 보면 ubiquitylation이 일어나지 않았을 뿐인데 H3 K79, H3 K4자리의 methylation 또한 일어나지 않는 것을 볼 수 있음. 이를 통해 H2B K123에 일어나는 ubiquitylation에 의해 methylation을 포함한 다른 modification들이 relay 형식으로 활성화된다는 사실을 알 수 있음. (즉, modification간에 일종의 위계가 존재함)

 

 

 

 

 

그 예로 위와 같은 modification의 조합이 가능함. 보면 histone tail에 일어난 각종 modification 간에 crosstalk이 존재한다는 것을 확인 가능함.

 

 

지금까지는 주로 nucleosome의 modification에 의해 transcription initiation이 regulation되는 것과 관련한 많은 내용들을 살펴봄. 지금부터는 transcription elongation 과정에서 주변 nucleosome들이 어떻게 되는지에 대해 간단히 살펴보자.

 

 

매우 중요한 transcription elongation facilitator 중 하나가 FACT(facilitates chromatin transcription)라는 단백질임. FACT와 관련된 흥미로운 실험결과가 아래에 제시되어 있음.

 

 

 

 

보면 정상적인 FACT가 있을 때 비정상적인 FACT가 있을 때에 비해 H3-H4 tetramer에 대비해서 상대적인 H2A-H2B 양이 줄어드는 것을 확인 가능함. 즉, 이를 통해 FACT가 아예 histone 전체를 제거해주지는 않지만 H2A-H2B dimer를 전체 nucleosome으로부터 떨어뜨려서 elongation이 더 수월하게 일어날 수 있도록 해줌.

 

 

참고로 FACT는 H2A-H2B dimer를 nucleosome으로부터 때주는 역할만 하는 것이 아니라 다시 붙여주는 역할도 수행할 수 있음. 다만 transcription elongation 시에는 H2A-H2B dimer를 때주는 활성이 더 강하게 나타나게 됨.

 

 

 

 

다음 포스트부터는 전사된 RNA에서 일어나는 중요한 processing 기작 중 하나인 splicing(스플라이싱)에 대해 알아보자.