뉴클레오좀

뉴클레오좀(nucleosome)은 진핵생물(eukaryote)의 염색질(chromatin)을 이루는 기본단위로서, DNA와 히스톤(histone) 단백질, 특별히 중심 히스톤(core histone)단백질로 구성되어 있다. 중심 히스톤은 H2A, H2B, H3, H4라 불리는 히스톤 단백질들이 각각 2개씩 모두 여덟 개로 이루어진 단백질 복합체이다. 뉴클레오좀은 146 bp의 DNA가 이 중심 히스톤 단백질 복합체를 약 1.7바퀴 정도 감싸고 있는 형태로 되어 있다(그림1).

그림 1. 뉴클레오좀(nucleosome)의 크리스탈 구조. 146bp의 DNA가 중심 히스톤 (core histone) 단백질들을 1.6바퀴 둘러싸고 있는 구조인데, 중심 히스톤은 H2A (yellow), H2B (red), H3 (blue), H4 (green)가 각각 두 개씩 여덟 개의 히스톤 단백질의 복합체로 이루어져 있다. 각각의 히스톤 단백질 N 말단은 뉴클레오좀의 구조 밖으로 나와 있다. https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosome#/media/File:Nucleosome_1KX5_colour_coded.png CC BY-SA 3.0

목차

뉴클레오좀은 그림1과 같이 중심 히스톤을 DNA가 감싸고 있는 구조를 갖고 있다. 염색질의 구조 중 DNA packaging의 밀도가 비교적 낮을때 관찰되는 '실에 꿴 구슬 (beads-on-a-string)’구조에서 구슬에 해당한다. 뉴클레오좀을 구성하는 히스톤 단백질들은 구조상 비교적 길이가 긴 N말단 꼬리(N-terminal tail)를 갖고 있는데(그림 2), 이 히스톤 N 말단들은 뉴클레오좀의 외부로 노출되어 있다. 따라서 히스톤의 N말단 부분은 여러 가지 단백질들이 인접하기 쉽고, 이러한 단백질 중에는 히스톤 N말단의 잔기를 화학적으로 변형할 수 있는 효소활성을 갖고 있는 것들이 많다. 이와같이 히스톤의 여러 아미노산 잔기들은 화학적으로 변형이 가능하며, 이렇게 변형된 히스톤 잔기들을 인지하는 특정 단백질들은 염색질의 구조를 변형할 수 있다. 결과적으로 염색질 구조의 변화는 전사(transcription)와 같은 DNA 활성을 조절할 수 있다.

그림 2. 중심 히스톤(core histone)인 히스톤 H2A, H2B, H3, H4. 네 종류의 히스톤 단백질 모두 N-말단 꼬리 (N-termianl tail)라 불리는 비교적 긴 N-말단을 가지고 있다. (그림출처: GettyimagesKorea)

중심 히스톤은 앞에서 서술한 바와 같이, H2A, H2B, H3, H4 4 종류의 서로 다른 단백질이 각각 두 개씩 총 여덟 개의 폴리펩타이드가 복합체를 형성하고 있다. 중심 히스톤 외에 링커(연결) 히스톤이라고 불리는 히스톤 H1이 있다. 중심 히스톤인 H2A, H2B, H3, H4의 구조는 그림 2와 같고, 네 개의 히스톤 단백질이 모두 비교적 길이가 긴 N-terminal tail을 갖고 있다.

그림 3. 히스톤 변형 (histone modifications). 뉴클레오좀의 중심 히스톤(core histone)을 구성하고 있는 히스톤 단백질들의 화학적 변형을 보여준다. (Rodriguez-Paredes and Exteller, Nature, 2011) CC-BY-SA 4.0

중심 히스톤을 구성하고 있는 히스톤 단백질들의 N-terminal tail들은 여러 단백질들에 의해서 화학적으로 변형된다. 이러한 변형은 현재까지 밝혀진 것이 여러 종류가 있는데, 대표적인 화학적 변형으로 아세틸화(acetylation), 메틸화(methylation), 인산화(phosphorylation), 유비퀴틴화(ubiquitination) 등이 있다(그림 3).

이러한 히스톤 변형(histone modification)은 염색질의 구조(chromatin structure)에 변화를 줄 수 있고, 이것으로 인한 DNA의 활성에 변화를 주게 된다. 대표적인 예로 중심 히스톤의 한 구성원인 히스톤 H3의 N-terminal tail의 변형들은 그림 4에서 보여주는 것과 같이 유전자 발현(gene expression), 히스톤과 DNA와의 결합(histone deposition), 이질염색질(heterochromatin)을 형성하는 염색질의 구조, 그리고 세포분열(mitosis/meiosis)과 같은 DNA의 활성에 중요한 역할을 한다.

그림 4. 히스톤 H3의 N말단(N-terminal tail)의 화학적 변형과 염색질 구조(chromatin structure) 및 유전자 발현(gene expression)과의 관계. 히스톤 H3 N말단의 여러 잔기들에서 일어나는 화학적 변형은 염색질의 구조 및 유전자의 발현 조절에 관여한다. 라이신(lysine) 잔기들의 아세틸화(acetylation)는 유전자를 발현하게 하고, 세린(serine) 잔기의 인산화(phosphorylation)는 세포분열을 조절한다 (그림출처: GettyimagesKorea 변형;SPL_C009_7414.jpg). 

뉴클레오좀은 일반적으로 진핵생물의 DNA를 packaging하는데 중요한 기본 단위로 알려져 있지만, 어떤 종류의 원핵생물에는 뉴클레오좀이 존재한다. 원핵생물 중 고균(archaea)은 다른 원핵생물인 세균(bacteria)과 같이 핵이라는 구조체가 없지만, 고균의 한 부류는 진핵생물과 같이 뉴클레오좀을 갖고 있다.

고균의 한 종류는 히스톤 단백질과 비슷한 단백질을 갖고 있는데, H2A와 H2B의 구조를 가진 것은 없고, H3와 H4와 유사한 히스톤 단백질만 갖고 있다. 이 H3와 H4 유사 단백질이 각각 두 개씩 모두 네 개의 단백질이 복합체로 구성되어 있다. 그러나 고균의 히스톤 유사 단백질들은 진핵생물의 히스톤 단백질과 다르게 긴 N-말단을 갖고 있지 않으며, 고균에서의 히스톤 변형 여부는 아직 알려져 있지 않다.

이정신/강원대학교

노정혜/서울대학교

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

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

3. Mattiroli F, B hattacharyya S, Dyer P, White A, Sandman K, Burkhart B, Byrne K, Lee T, Ahn N, Santangelo T, Reeve J, Luger K. 2017. Structure of histone-based chromatin in Archaea , Science 357: 609-612.