뉴클레오솜

뉴믈레아좀은 세포내 DNA의 고차원구조인 크로마틴의 단위체로, 4개의 다른 히스톤 단백질과 약 146 염기쌍의 DNA로 이루어져 있다.

목차

유전정보를 가지고 있는 DNA는 아데닌(A), 구아닌(G), 타이민(T), 사이토신(C)의 4개의 화학물의 조합으로 실처럼 연결되어 이루어져 있다. 인간의 경우 한 세포에 존재하는 DNA는 그 길이가 약 1미터에 달한다. 이러한 DNA는 100 um ( 1 um = 1/1,000,000 m )보다 작은 세포내에서 크로마틴이라는 고차원 구조를 형성하여 저장되어 있다. 뉴클레오솜은 이러한 DNA의 고차원 구조인 크로마틴의 단위체로, 4개의 히스톤과 146 염기쌍의 DNA로 이루어져 있다. 뉴클레오솜은 4가지 종류의 히스톤 단백질 (Histone H3, H4, H2A, H2B) 이 각각 2개씩, 히스톤 옥타머 (Octamer)을 이루는데, 이러한 히스톤 옥타머에 146 염기쌍의 DNA가 왼쪽 나선 감기로 1.67 번 감겨 있다 (그림 1). 세포내에서 이러한 뉴클레오솜이 DNA에 `bead-on-string` 줄에 구슬이 감겨 있는 것과 같이 연속적으로 연결되어 있는데, 뉴클레오솜 뉴클레오솜사이에 존재하는 DNA 를 linker DNA라고 한다.

뉴클레오솜을 이루고 있는 히스톤들은 약 10-15 KDa의 단백질로 다양한 변이체종류가 존재하지만, 대표적으로는 히스톤 H3, H4, H2A, H4 로 이루어져 있다. 히스톤은 알파헬릭스 3개로 이루어진 히스톤 접힘, N-말단 그리고 C-말단 부분에는 구조를 가지고 있지 않은 소위 'histone tail (히스톤 꼬리)' 가 존재한다. 히스톤이 뉴클레오솜을 만들때 H3, H4가 H3/H4 이량체를 만들고, H3/H4의 이량체가 또 이량체를 만들어 (H3/H4)(H3/H4) 히스톤 H3/H4 사량체를 만들어 DNA 와 결합을 하는 테트라솜(tetrasome)을 만든 후 히스톤 H2A/H2B 이량체가 각각 한쪽씩 붙어 뉴클레오솜을 구성한다. 히스톤간의 결합은 대부분 소수성 결합력에 의해 유지가 되면, 히스톤과 DNA의 결합은 히스톤의 양전하를 띤 단백질의 잔기와, DNA의 인산부분과 결합하여 안정된 구조를 가지고 있다. 또한 히스톤 H1이 존재하는데, 이것은 뉴클레오솜 외부에 DNA 와 결합하여 뉴클레오솜의 구조를 안정화 시키는 것으로 알려져 있다.

그림 1. 뉴클레오솜의 X-선 결정구조 (PDB: 1AOI) 히스톤 H3 (파랑), 히스톤 H4 (초록), 히스톤 H2A (빨강), 히스톤 H2B (노랑) (출처: 한국분자·세포생물학회)

유전정보를 가지고 있는 DNA는 아데닌(A), 구아니(G), 타이민(T), 사이토신(C)의 4개의 화학물의 조합으로 실처럼 연결되어 이루어져 있다. 인간의 경우 한 세포에 존재하는 DNA는 그 길이가 약 1미터에 달한다. 이러한 DNA는 100 um ( 1 um = 1/1,000,000m ) 보다 작은 세포내에서 크로마틴이라는 고차원 구조를 형성하여 저장되어 있다. 이렇듯 진핵생물의 세포에는 DNA의 고차원 구조인 크로마틴을 형성하는데, 크로마틴의 구조 변형을 통한 조절은 세포내에서 일어나는 유전자의 발현, 유전자의 수리, 유전자의 복제 등에 매우 중요한 역할을 한다. 이러한 고차원 구조는 뉴클레오솜이라는 단위체로 이루어져 있다. 뉴클레오솜은 4가지 종류의 히스톤 단백질 (Histone H3, H4, H2A, H2B) 이 각각 2개씩, 히스톤 옥타머를 이루는데, 이러한 히스톤 옥타머에 146 염기쌍의 DNA가 감겨 있다 (그림 1). 뉴클레오솜들이 감겨서 30nm 크기의 파이버 (30nm fiber)를 이루고 크로마틴이라는 DNA 고차원 구조를 형성한다. 진핵생물에서는 뉴클레오솜의 조절을 통해 유전자의 발현을 제어한다. 특히 뉴클레오솜 구조 밖으로 나와 있는 히스톤의 아미노 말단을 히스톤 꼬리(histone tail)라고 하는데, 여기에 존재하는 라이신, 세린 등의 아미노산이 변형된 상태의 아미노산이 되는데, 이러한 변형된 아미노산을 가지고 있는 뉴클레오솜은 그 변형의 종류에 따라 유전자의 발현을 촉진 혹은 억제 시킨다. 특히 히스톤 H3/H4의 N-말단 부분은 구조가 없는 히스톤 꼬리를 만들어 뉴클레오솜의 밖으로 돌출되어 있다 (그림 1). 이러한 히스톤 꼬리에는 라이신(Lys) 아미노산이 여러 개 존재하는데 라이신 아미노산의 변형이 뉴클레오솜을 통해 유전자 발현을 조절하는 중요한 기작으로 알려져 있다. 대표적으로는 히스톤 H3의 네 번째 존재하는 라이신(H3Lys4)은 MLL 등의 히스톤 메틸화 복합체에 의해서 메틸화(mono-, di-, tri-)가 되는 데 이러한 메틸화된 H3Lys4에 유전자 전사를 하는 단백질 복합체가 결합하게 되고 유전자 발현이 활성화된다. 또한, 히스톤 H3의 27번째 라이신 H3Lys27 은 PRC2 히스톤 메틸화 효소에 의해 메틸화되고 이러한 메틸화는 유전자의 전사 억제에 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 뉴클레오솜에 감겨있는 DNA에 결합하기 위해서는 뉴클레오솜의 구조 및 위치를 변화시켜야 하는데, 이때 ATP를 에너지로 이용하는 뉴클레오솜 리모델링 복합체가 뉴클레오솜의 구조 및 위치를 조절한다. 이러한 뉴클레오솜의 위치 변화는 뉴클레오솜에 감겨있던 특정 DNA 서열을 노출하여 유전자의 발현을 조절하는 것으로 알려져 있다.