동원체

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동원체(centromere)는 염색체의 특정 DNA sequence이며 체세포 분열(mitosis)시 DNA 복제 후 아직 분리되지 않은 두 개의 sister chromatid가 결합하고 있는 DNA sequence이다. 체세포 분열동안 방추사(spindle fiber)가 centromere안에 있는 kinetochore에 결합한다. 동원체의 역할은 염색체 분리(chromosome segregation)시 필요한 단백질 복합체가 결합하는 kinetochore의 조립(assembly)되는 장소를 제공하는 것이다. 모든 spindle이 정확한 위치에 결합해야만 세포 분열중 chromatid가 분리되는 후기(anaphase)로 넘어간다.

세포주기(cell cycle)는 간기(interphase)와 체세포분열기(mitosis)로 나뉜다. 간기동안에 세포는 성장을 하고(G1 phase), DNA를 복제하고(S phase), DNA 복제 후에는 새로운 세포성장을 하여(G2 phase) 체세포 분열을 준비한다. 체세포 분열 동안 복제된 후 분리되지 않은 염색체인 sister chromatid들은 정확하게 두개의 딸세포(daughter cell)로 분리되어야만 다음 세대의 생존이 가능해진다.  염색체 분리 과정은 여러 개의 단백질들이 관여하여 정확하게 조절되는데, 염색체에서는 동원체(centromere)라고 불리는 염색체의 지역이 이를 담당하여 체세포 분열시 microtubule이 부착되는 kinetochore 형성 사이트로 작용한다. 단백질 복합체로 구성된 kinetochore는 염색체와 tubulin 이합체(tubulin dimer)로 구성된 역동적인 microtubule을 직접 연결함으로써 유사분열방추(mitotic spindle)를 형성하고 염색체의 분리가 가능하게 한다. 동원체가 염색체분리에 관여하므로 세포가 염색체마다 하나의 동원체에 하나의 kinetochore가 부착하는 것이 필수적이며, 그렇지 않을 경우 염색체 파손(breakage)가 일어날 수 있다. 그러나 전동원체 염색체(holocentric chromosomes)을 가지는 Caenorhabditis elegans의 경우에는 염색체의 길이 전체에 걸쳐 여러 개의 부착사이트를 갖는다.

단일세포 효모인 Saccharomyces cerevisiae의 centromere DNA가 최초로 분리되었고 3개의 보존적 시퀀스가 모든 염색체에 공통적으로 존재한다는 것이 알려졌다.  이것을 centromeric DNA element I (CDE I), CDE II, CDE III라고 부르며 전체 길이가 116~120 bp의 시퀀스로 이루어져 있고 이 부분을 플라스미드(plasmid)로 옮겼을 때 체세포분열의 안정성(mitotic stability)을 부여하기에 충분하다는 것이 밝혀졌다. CDE I은 8 bp의 AT-rich한 특징을 가지고 정확한 염색체 분리(chromosome segregation)에 필요하다. CDE II는 78~86 bp의 AT-rich한 특징을 가지고 염색체 분리(chromosome segregation)에 필요하다. CDEIII는 26 bp 길이로 모든 염색체에 잘 보존된 7개의 염기서열이 존재하여 치환할 경우 동원체의 기능이 사라진다. 이 경우는 길이가 짧고 염색체 하나당 하나의 microtubule이 부착되므로 출아 효모(budding yeast)의 동원체를 점 동원체(point centromere)라고 한다. 그에 비해 분열 효모(fission yeast)에 해당하는 Schizosaccharomyces pombe의 경우는 출아효모에 비해 길이가 40~100 kb로 길고 동원체 하나당 여러 개의 microtubule 부착사이트를 가지며, 모든 염색체에 공통적인 보존된 DNA 서열이 존재하지 않아서 지역 동원체(regional centromere)라고 한다. 대신에, 분열효모의 동원체는 cnt1 (central core region 1), cnt2, cnt3으로 구성되어 있고 양쪽 끝에 inverted repeat 서열인 imrL (inverted repeat sequence L)과 imrR을 갖는다. imrL과 imrR의 바깥쪽으로는 otrL (outer repeat L)과 otrR 서열을 갖는다. 이러한 모든 서열은 출아효모의 동원체 DNA 서열과 유사성이 전혀 존재하지 않는다.

동원체는 Candida albicans, Neurospora crassa, Arabidopsis thaliana, Drosophila melanogaster, Homo sapiens 등에서 연구되었다. 고등 진핵생물의 지역 동원체(regional centromere)는 길이가 길고 반복되는 서열(tandem repeat)을 여러개 가지고 있어서 연구하기에 쉽지 않다. 실제로 사람의 동원체는 그 길이가 5 Mb에 이르고 총 1~4 Mb길이의 171 bp ɑ-satellite repeat를 갖는다.

그림. 복제된 염색체의 구조. 동원체(centromere)를 통해 두개의 sister chromatids들이 연결되어 있다. 체세포 분열(mitosis)의 전기(prophase)에 동원체 안의 특정지역에 해당하는 키네토코어(kinetochore)에 방추사(spindle filber)가 결합한다. (그림: 이은진/고려대)

이은진/고려대학교

이정신/강원대학교

Verdaasdonk, J.S. and Bloom, K. 2011. Centromeres: unique chromatin structures that drive chromosome segregation. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 12, 320–332.