이질염색질

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이질염색질은 그림1에서 오렌지색으로 보이는 부분으로 세포의 핵 안에 짙게 염색된 부분을 말한다. 이 부분은 DNA가 높은 수준으로 packaging된 경우인데, 많은 단백질들과 함께 규칙적인 구조로 이루어져 있다. 이질염색질은 보통은 RNA 중합효소나 다른 전사에 관련된 단백질들이 접근하기 어려운 구조를 갖고 있기 때문에, 전사활성이 없는 유전자들을 포함하고 있다. 이러한 구조는 유전자 발현이 비교적 활발하게 일어나고 있는 진정염색질(euchromatin)과 분명하게 구분된다.

그림 1. 골수(bone marrow)로부터 얻은 플라즈마(plasma)세포의 컬러 전자현미경 사진 (colored TEM image). 오렌지색으로 된 부분이 이질염색질(heterochromatin)이고 초록색으로 된 부분이 진정염색질(euchromatin)이다. (사진출처:GettyimagesKorea;SPL_P248_0154).

이질염색질은 그림2의 가장 위쪽의 구조와 같이 뉴클레오좀들이 서로 매우 밀접하게 붙어 있는 형태로 전사조절인자(transcription factors)나 RNA 중합효소(RNA polymerase)가 DNA에 접근하기 어려운 구조이기 때문에, 이질염색질에 존재하는 유전자는 보통은 발현되지 않는다. 

그림2. DNA가 packaging된 구조. 가장 아래쪽의 DNA가 히스톤 단백질과 뉴클레오좀 구조를 이루고, 뉴클레오좀은 코일의 형태로 더 응축되어 가장 위쪽의 형태로 존재하는데, 대부분의 이질염색질은 가장 위쪽의 구조로 존재하기 때문에 RNA 중합효소와 다른 전사관련 단백질들이 DNA에 접근하기 어렵다. (사진출처:GettyimagesKorea; GettyImages-548299875).

이질염색질은 항상 이질염색질 구조를 갖고 있는 constitutive heterochromatin (항상적 이질염색질)과 상황에 따라서 이질염색질의 구조를 가지는 facultative heterochromatin (조건적 이질염색질)으로 나눌 수 있다. Constitutive heterochromatin은 그 근처에 있는 유전자의 발현에 영향을 끼쳐서 발현이 전혀 못 되게 하거나, 유전자의 위치에 따라서 발현이 되는 경우도 있다. 항상적인 응축 구조를 갖고 있는 부분은 염색체의 중심체(centromere)와 말단 텔로미어(telomere)가 대표적이며, 이들의 DNA는 규칙적인 서열을 반복하고 있다. Facultative heterochromatin은 특별한 메커니즘을 통해서 유전자 발현의 억제 (gene silencing)가 유지되는데, 이러한 결과로 형성되는 이질염색질을 가리킨다. 이 지역의 DNA는 constitutive heterochromatin의 DNA와는 달리 규칙적이거나 반복적인 DNA 염기서열을 갖고 있지는 않다. 

그림 3. 염색질 구조의 역동성(dynamics) 및 특징. 아래 부분에 있는 염색질의 구조는 진정염색질(euchromatin)과 이질염색질(heterochromatin)을 나타낸다. 붉은색은 DNA를 나타내고, 그 중 노란색으로 표시된 부분은 DNA염기서열 중 사이토신(cytosine)에 메틸(methyl)기가 결합되는 부분을 나타낸다. 일반적으로 사이토신의 메틸화(cytosine methylation)는 이질염색질 형성을 유도한다 (그림출처: GettyimagesKorea; SPL_C009_7398). 

이질염색질의 그림 3에서 보이는 것과 같이 DNA의 염기서열 중 사이토신과 구아닌이 반복된 CpG 부분의 사이토신이 메틸화(cytosine methylation)되는 경우가 많다. 이러한 사이토신의 메틸화는 이질염색질의 형성을 유도한다고 알려져 있고, 더불어 유전자의 발현을 억제시킨다는 보고가 있다. 이질염색질은 이러한 DNA의 메틸화뿐 아니라, 뉴클레오좀을 이루고 있는 히스톤 단백질에 특징적인 화학적 변형도 갖고 있는데, 대표적인 예가 히스톤 H3의 아홉번째 라이신(H3K9) 잔기의 메틸화다. 이 외에도 여러 형태의 히스톤 단백질 변형은 이질염색질을 형성하는데 매우 중요한 역할을 한다.

출아효모 (budding yeast)인 S. cerevisiae는 핵 안에 염색체 DNA를 갖고 있는 진핵생물이지만, 다른 진핵생물과 그 이질염색질의 특징은 조금 다르다. 전체적으로 유전자의 발현이 억제되어 있는 것은 마찬가지지만, 위에서 설명한 이질정염색질의 특징인 DNA 메틸화나 히스톤 H3K9의 메틸화는 관찰되지 않는다. 그에 비해 분열성 효모 (fission yeast)인 Schizosaccharomyces pombe는 다른 대부분의 진핵생물들과 같이 히스톤 메칠화와 RNAi 경로가 작용하여 이질염색질을 만든다.

이정신/강원대학교

노정혜/서울대학교

1. Albert B, Johnson A, Leuwis J, Raff M, Roberts K, and Walter P. Molecular biology of the cell. 5^th edition. Garland Science.

2. Allis D, Caparros M, Jenuwin T, Reinberg D. Eigenetics. 2^nd edition. CSH press