바이오인

 SMC 복합체 기능의 통일적인 모델

[요약문]

Structural Maintenance of Chromosome (SMC, 염색체의 구조 유지)이라는 단백질 군은 모든 생명체에서 유전체의 구조를 구성하는 아주 중요한 요소들이다. 어떻게 이렇게 큰 링 모양의 분자 기계가 ATP 가수분해를 이용해서 염색질의 위상을 변화시키는지는 여전히 염색체 생물학에서의 풀리지 않은 숙제이다. 최근 급부상하고 있는 개념은 SMC 단백질 복합체들이 유전자 발현, 염색체 분열 또는 DNA 손상 복구에서 DNA를 아주 큰 loop 구조를 만드는 데 중요한 역할을 할 것이라고 제안하고 있다. 여기에 생화학과 구조적인 특징을 분석을 해보고, 어떻게 이 단백질들이 DNA 룹을 형성하는지 알아보고, 다른 모터 단백질들과 핵산 translocase들과 비교를 하는지 리뷰하려고 한다. 또한 더 디테일한 scrunching model을 제안해보면서 이것이 어떻게 기존 데이터들과 잘 맞는지를 보여주려고 한다.

[목차]

1. 무엇이 룹 돌출을 하게 하는가?
   1.1 외부 모터의 힘을 이용하는 모델
  1.2 모터 없이 작동하는 메커니즘
  1.3 SMC 단백질이 DNA 모터인 모델
2. SMC의 구조변화
  2.1 SMC 코일드 코일의 열고 닫힘 작용(coiled-coil gating)
   2.2 SMC ATPase head 도메인의 구조 변화
  2.3 SMC hinge 도메인의 구조변화
  2.4 SMC-클라이신 링의 열림과 닫힘
3. DNA 룹 돌출 기계로서의 SMC 복합체의 모델들
  3.1 연속적인 걷는 모델
  3.2 확장된 스크런칭 모델
4. 결론

[요점]

1. 어떻게 염색체가 정교하게 구성되고 분해가 되는지는 생물학의 중요한 문제 중의 하나이다.
2. SMC 단백질이 이 정교하게 구성하는 데에 가장 중요한 단백질 중의 하나이다.
3. SMC이 단백질은 DNA 룹(loop)을 만들어 냄으로 염색체를 응축시킨다고 알려져 있다.
4. DNA Loop extrusion(룹 돌출) 모델로 외부 모터에 의한 모델, 모터 없이 엔트로피 힘에 의한 확산에 의해서 작동된다는 모델, 그리고 SMC 자체가 DNA 모터인 모델이 있다.
5. SMC의 coiled-coil의 구조변화가 loop을 만드는 데 중요한 역할을 할 것이다.
6. SMC에 의한 룹 돌출 모델에는 두 가지가 있다. 하나는 걷는 모델(walking model)로 SMC가 마치 DNA 를 걸어가듯이 응축시킨다는 모델과 다른 하나는 스크런칭 모델(Scrunching model)로 반복적인 두 부분의 SMC의 붙고 떨어짐을 통해서 DNA의 loop이 만들어진다는 모델이다.

[내용]

1. 무엇이 룹 돌출을 하게 하는가?

1.1 외부 모터의 힘을 이용하는 모델

SMC가 관여하는 Loop extrusion(룹 돌출)의 모델 중 가장 중요한 것은 에너지의 원천이 무엇인가이다. ATPase 도메인을 가지고 있다는 것 이외에 어떻게 이 ATP 가수분해가 SMC 단백질의 모터 액션을 만들어 내는지에 대한 근거는 거의 없다. 게다가 ATP 가수분해 속도는 0.1 ~ 2 ATP/sec로 아주 느리다. 이것을 다른 DNA 모터 단백질과 비교하면 현격하게 느린 것이다. 다른 단백질들은 ~ 수천 ATP molecules/sec 정도 된다. 이런 아주 낮은 ATPase activity는 어떻게 SMC의 ATP 가수분해가 아주 재빠른 룹 돌출을 만들어 내는지를 상상하기 쉽지 않다. 이 룹 돌출은 최근에 Hi C 실험 결과에 기반한 것이다. 특별히 bacteria에서의 SMC 단백질들은 초당 수백 base pair를 움직인다. 그래서 외부 DNA 모터 단백질이 DNA를 SMC 단백질 링을 통과하면서 움직인다고 생각하게 된 것이다.

Cohesin 단백질이 budding 효모와 mouse의 embryonic fibroblast에서 Wapl과 CTCF 둘 다 없을 때, convergent 유전자 전사에 몰려 있다는 것은 RNA 합성효소가 cohesin을 염색질 섬유로 밀 것이라는 가설을 가지게 했다. 이 시나리오에 의하면 cohesin은 DNA 이중 나선에서 DNA에 위상적으로 결합된 상태에서 미끌어질 것이라 생각할 수 있다. 이것은 원형 미니염색체가 직선화될 때 cohesin이 떨어져 나가는 현상을 설명할 수 있게 된다. 그리고 salt-resistant cohesin 단백질이 단분자 실험에서 무작위적인 확산으로도 관찰이 된다. 이때 0.2 ~ 3.8 μm2/s의 확산이 관찰되었다. 그리고 salt 농도가 높아질 때 이것의 확산 속도가 증가됨을 확인할 수 있었다. 이것은 아마 cohesin이 DNA와 정전기적 상호작용을 할 것이라는 것을 생각하게 한다. 또한 이것을 감싸듯 결합한 것이라 보인다. 반면 11 nm 사이즈의 뉴클레오좀을 cohesin은 통과한다. 물론 확산 속도는 줄어들게 된다. 그러나 20 nm 이상 되는 장벽은 통과시키지 못한다. 또한 박테리아 RNA 중합효소는 cohesin을 DNA 위에서 몇 kbp 이상을 움직이게 했다. 역시 다른 DNA 모터 단백질인 DNA 자리 옮긴 효소인 FtsK도 그런 적용을 만들었다. 그래서 외부 모터, 로드 블락과 cohesin 링의 결합된 효과는 DNA 위에서 확산되고, 이것은 모터가 미리 형성된 룹 안에 있다면, DNA loop을 만들어 내는 효과를 만들 것이다.

그러나, mouse zygotes에서, 전사가 일어나기 전과 초파리 배아에서 전사가 inhibitor(억제제)에 의해서 억제될 때 cohesin에 의한 새로운 TAD(위상적으로 결합된 도메인) 형성을 설명하기는 어렵다. cohesin을 없애고, 다시 인덕션시켰을 때 또는 B 세포 활성화에서도 역시 전사의 억제는 TAD 형성에 아무런 영향을 주지 않았고, 또 cohesin의 분포에도 영향을 주지 않았다. RNA 중합효소가 cohesin 링을 밀어낸다는 것은 어떻게 이 복합체가 염색질 섬유 위에서 움직이는지를 설명할 수 없다. 게다가 cohesin 링에 의해서 DNA가 잡힐 때, 이것이 위치 이동의 전 단계 같아 보이지는 않는다. 왜냐하면, 위상적 결합에 중요한 cohesin의 hinge 도메인과 ATP binding stites의 돌연변이는 동원체에서 30 kbp 떨어진 위치까지 이동하는데 변화를 주지 않았다. 그래서 cohesin을 작동시키는 힘이 외부 모터에 의해서 수동적으로 미끄러짐으로 생긴다는 모델은 쉽게 설명되지 않는다.

1.2 모터 없이 작동하는 메커니즘

 최근 컴퓨터 시뮬레이션에서는 점차적으로 커지는 DNA loop은 SMC 단백질 복합체의 로딩과 확산으로 설명했다. 이 모델에서는 로딩 사이트에서 cohesin이 새로 영입됨으로 생기는 삼투압이 발생해서 랫쳇 기작이 생긴다고 제안했다. 이것 때문에 cohesin이 로딩 사이트에서부터 멀어지게 되고, 결국 경계를 짓는 요소인 CTCF가 부착된 DNA 영역까지 이동한다고 생각한다. 이 경계를 짓는 요소는 cohesin의 확산을 제약하게 한다. 만약 몇 개의 cohesin이 두 개의 DNA를 연결시켜준다면 결국 cohesin이 경계를 짓는 요소를 만날 때 DNA loop의 안정화되는 현상이 만들어지게 될 것이다. 아마 이러면 Hi C 결과를 설명할 수 있게 된다.

이런 모델들이 가상환경에서 cohesin 로딩과 확산의 열에너지로부터 발생된 energy에 의해서 룹 돌출이 생긴다고 생각해 볼 수 있다. 이것들은 정상(stead-state) 상태의 cohesin이 Scc2-Scc4 로더 복합체가 차지한 자리에 cohesin이 있을 것이라 생각해 볼 수 있다. 반면 이런 현상은 Chip-seq 결과에서 관찰이 되지는 않는다. 아마 인간 세포에서의 ATP를 없앴을 때 관찰이 되거나, ATP 가수분해가 효모세포에서 돌연변이 때문에 저해되었을 때 나타날 것이다. 따라서 ATP 가수분해는 cohesin을 로딩할 때 필요하거나, 로딩 사이트로부터 확산하게 하는데 또는 염색체를 능동적으로 움직이게 할 때 일어날 것이다. 하지만, 이런 삼투압에 의한 룹 돌출은 condensin 복합체에서는 쉽게 설명이 안 된다. 이 condensin은 게놈에서 아주 변화가 심한 위치에서 작동하는데, 이 위치는 삼투압으로 생각하기 쉽지 않기 때문이다.

1.3 SMC 단백질이 DNA 모터인 모델

 아직까지의 데이터로는 SMC 단백질이 수동적으로 확산에 의해서 움직이며 룹을 만들어내는지, 또는 외부 모터에 의해서 수동적으로 움직이며 룹을 만들어내는지를 명확하게 받아들일 수 없다. 따라서, SMC 단백질의 로딩 이외의 ATPase activity가 작동하는지에 대해 생각해 볼 필요가 있다. 무엇보다, 최근 외부 모터 단백질 없이, 정제된 condensin 1, topisomerase II, histones과 3개의 다른 히스톤샤페론으로부터 염색체 같은 구조를 in vitro에 만들어 냈다는 것은 외부 모터 단백질이 아마도 필요 없다고 보여진다.

이 단백질이 SMC 모터라는 데에 대한 더 직접적인 근거들이 나타났는데, 그것은 Budding 효모 condensin이 ATP에 의존하여 람다DNA를 순차적으로 움직였다는 것으로 증명이 되었다. 이동 속도는 60 bp 정도가 되었고, 한번 움직이면, 방향이 돌거나 떨어지지 않고 수 kbp를 움직였다. 반면 ATP 결합 돌연변이를 도입해서 실험했을 경우, 이 움직임이 없어지는 것을 확인하였다. 여기에 DNA를 표면에 양쪽 끝에 부착하여 실험을 해서 작은 장력에서 실시간으로 DNA 룹이 형성되는 것을 관찰하였다. 이것 또한 ATP에 의존되는 성질이 있었고, 지속적으로 DNA 룹이 팽창되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이 룹 돌출 속도는 장력과 상관관계가 있었는데 장력이 높을 때는 초당 100 bp를 움직였지만, 장력이 낮은 경우네는 1.5 kbp까지 움직이는 것을 확인할 수 있었다. 이 장력 이 낮았을 때는 DNA slack이 있는 조건일 것이다. 그러면서 1 pN의 장력이 가해지면 DNA 모터는 정지가 되었다. 이는 자기 집게 실험에서도 확인이 되었다.

세포 안에서도 condensin이 DNA를 ATP에 의존해서 움직이는 것이 확인되었다. DNA 복제 시작 점인 ParS 근처에서 condensin이 로딩이 되었고, 원형 염색체의 양쪽 팔에서부터 zip up이 되는 형태로 구성되는 것을 관찰했다. 또한 실시간 Hi C와 Chip-seq 결과로 이 속도가 0.9 kbs/s 정도로 일정하게 유지되는 것을 확인했고, 이는 budding 효모 condensi의 룹 돌출 속도와 비슷한 속도였다. 또한 ATP 가수분해를 정지시킨 돌연변이를 사용했을 경우에는 이 SMC 단백질이 ParS에 계속 축적되는 것을 관찰했다. 또한, 전사 machinery를 억제시켰을 때, SMC는 두 개의 염색체 팔을 juxtaposition으로 zip up이 불가능함도 보여졌다. 이 결과는 수동적인 확산에 의해서 룹 돌출이 일어난다는 것이 불가능하다는 것을 이야기한다.

...................(계속)

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