히스톤

히스톤은 진핵생물의 핵 안에서 뉴클레오솜(nucleosome)을 구성하는 기본 단백질이다. 이들은 DNA를 감싸는 실패와 같은 역할을 하면서 유전자 발현의 조절에 중요하게 작용한다. 뉴클레오솜은 염색질(chromatin)의 기본 단위이며, 146개 염기쌍 DNA가 히스톤 팔량체(histone octamer, 4가지 종류의 히스톤 단백질인 H2A, H2B, H3, H4이 각각 2개씩으로 이루어짐)를 감싸고 있는 구조로 되어있다.¹⁾ 히스톤 단백질은 아세틸화, 메틸화, 인산화, 유비퀴틴화 등과 같은 다양한 번역 후 변형(post-translational modification)이 일어난다. 이러한 변형에 의한 히스톤 단백질들은 뉴클레오솜의 구조에 영향을 끼쳐 전사인자(tanscription factors)들의 접근성을 변화시키게 되어 후성유전학적(epigenetic) 과정에 의한 유전자 발현 조절을 일으킨다.

목차

히스톤은 1884년 알브레히트 코셀(Albrecht Kossel)에 의해 발견되었다. 1990년대까지 히스톤은 주로 진핵생물의 DNA를 응축하는 역할로만 생각하였으나, 이후 유전자의 발현을 조절하는데 중요한 기능을 함을 알게 되었다. 어원은 그리스어 histanai 나, histos에서 유래된 것으로 생각되는 독일어 ‘histon’에서 유래하였다.

히스톤 단백질은 5 가지가 있으며, 이들은 각각 H1, H2A, H2B, H3, H4, H5라고 불린다. 이들 중, H2A, H2B, H3, H4는 각각 2개씩 모여 히스톤 팔량체를 구성하는 핵심 히스톤(core histone)이다. 히스톤 팔량체는 146개 염기쌍 DNA를 왼손 방향으로 1.65회 정도 감는다.

H1과 H5는 연결 히스톤(linker histone)을 구성하는데, 히스톤 H5는 히스톤 H1의 유사체(isoform)로 생각된다. 연결 히스톤은 뉴클레오솜의 시작과 끝 부분의 DNA에 결합하여 DNA를 고정하고 더 높은 차원의 구조를 형성할 수 있도록 한다. 연결 히스톤을 통해 뉴클레오솜 사이에 50개 염기쌍 정도의 DNA가 있도록 한다. 이렇게 생성된 히스톤과 DNA 결합체인 뉴클레오솜은 염색질을 구성하게 된다. 유사분열(mitosis)과 감수분열(meiosis) 동안, 염색질들은 뉴클레오솜과 다른 조절단백질 간의 상호작용을 통해 응축된 구조인 염색체(chromosome)를 형성한다.

히스톤의 구조 (출처:정동훈)

히스톤 변이체(histone varients)들은 일반적인 히스톤과 구조적, 기능적 차이점을 가지고 있다. 일반적인 히스톤 단백질을 암호화하는 유전자들은 염색체에 무리를 이루어 존재하며 인트론이 없다. 또한, 이들이 전사(transcription)되어 만들어지는 mRNA는 3’ 말단에 polyA 꼬리 대신 머리핀 구조를 가지고 있다. 하지만, 히스톤 변이체들은 염색체 내에 무리를 이루지 않고 인트론이 있으며 mRNA는 polyA 구조를 가지고 있다. 다세포 생물체들은 다양한 종류의 히스톤 변이체를 가지면서 다양한 기능을 가지고 있다.²⁾ 히스톤 H3와 유사한 CenpA는 염색체의 동원체 부위에만 결합하는 히스톤 변이체이다.³⁾ H2A.X는 H2A의 변종으로 DNA 이중사슬이 부서진 곳에만 달라붙어 DNA 수선이 필요한 지역을 표시한다.⁴⁾

히스톤은 기본적으로 DNA 가닥이 감기는 실패 역할을 하여 세포 핵 안에 많은 유전자를 응축하여 보관할 수 있도록 하는 기능을 한다. 히스톤을 통해 응축된 DNA는 응축되지 않았을 때보다 4만배 이상 짧아지게 되기 때문이다.

히스톤 단백질들 중 H3와 H4의 말단 부위는 다양한 공유결합에 의한 번역 후 변형 과정이 일어나게되어 다양한 기능을 수행한다. 이러한 변형 과정은 메틸화, 아세틸화, 인산화, 유비퀴틴화, 수모일화, ADP-리보실화 등이 있다. 일부 H2A와 H2B 히스톤 또한 변형 되기도 한다. 히스톤의 변형은 유전자 발현의 조절, DNA 수선, 유사분열 또는 감수분열 동안의 염색체 응축에 관여한다.  

1. Luger K, Mader AW, Richmond RK 등 (1997) Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. Nature, 389: 251-260
2. Talbert PB, Henikoff S (2010) Histone variants--ancient wrap artists of the epigenome. Nat Rev Mol Cell Biol, 11: 264-275
3. Foltz DR, Jansen LE, Bailey AO 등 (2009) Centromere-specific assembly of CENP-a nucleosomes is mediated by HJURP. Cell, 137: 472-484
4. Redon C, Pilch D, Rogakou E 등 (2002) Histone H2A variants H2AX and H2AZ. Curr Opin Genet Dev, 12: 162-169