Epigenetics의 개념과 Chromatin structure, Histone modification

최근에 연구를 진행하다보니, Epigenetics에 대해서 더 충분히 이해할 필요가 있다고 느꼈습니다. 사실 ‘Epigenetics‘는 우리 말로는 ‘후성 유전학‘이라고 부르는데, 이 단어만 들어서는 도통 개념이 잘 와닿지가 않습니다. 그래서 이번 포스팅은 Epigenetics의 개념 이해를 위한 기본적인 Chromatin과 Histone의 구조, 그리고 modification 들에 대해서 정리해보고자 합니다.

 

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Epigenetics

‘Epi-‘라는 접두어는 보통 경계의 말단, 끄트머리를 의미 합니다. 그래서 전통적인 DNA 염기 서열의 변화에 따른 유전학 (Genetics)과 구분하기 위해서, Epigenetics는 ‘DNA 염기 서열의 변화 없이’ 나타나는 모든 유전학적 변화를 포괄하는 개념입니다. Epigenetics의 개념은 발생학(Development)과 깊은 관련이 있는데, 발생 과정에서 왜 동일한 DNA sequence를 가진 유전자들의 발현이 세포마다 서로 달라지고, 배 발생 형태가 갖추어 지는지에 대한 의문에서 출발했습니다. 이러한 의문은 같은 주형을 가지고도 유전자의 발현 스위치를 어떻게 On-Off 시키는지에 대한 연구를 통해서, 염색체 (Chromatin)의 구조와 이를 구성하는 히스톤 단백의 변화 (Histone modification)의 중요성을 밝혔고, 그래서 Epigenetics를 이루는 테마는 DNA methylation, 그리고 Histone modification에 따른 기능 변화가 주를 이룹니다.

 

Chromatin, Histone structure

Epigenetics를 제대로 이해하기 위해서는 DNA methylationHistone modification이 일어나는 장소인 염색질과 히스톤 단백의 구조를 정확히 알고 있는게 중요합니다. 세포의 핵 내 DNA는 실타래와 같은 염색질의 형태로 존재하는데, 이러한 유전 정보의 발현은 상당히 복잡한 과정을 통해서 상당히 정교하게 조절됩니다.

 

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히스톤 단백은 4개의 H2A, H2B, H3, H4의 Core 단백과 H1, H5의 Linker 단백으로 이루어져있습니다. Core 단백은 각각 2개씩, 총 8개의 octamer가 하나의 nucleosome bead를 구성합니다. ‘H3K4me3’와 같은 histone modification을 가르킬 때의 H3가 히스톤 단백의 core protein을 말합니다. 이러한 히스톤 단백의 주위를 DNA 시퀀스가 감고 있는데, 하나의 히스톤 단백의 주위를 약 145~147 bp의 DNA가 감싸고 있습니다.

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유전자가 발현되기 위해서는 DNA시퀀스와 히스톤 단백의 실타래가 풀려서, 발현 시키고자 하는 유전자의 시퀀스 주위로 다른 단백들이 공간적으로 접근할 수 있어야 합니다. 따라서 유전자 발현이 활발한 부위 (Euchromatin)는 Chromatin 실타래가 풀려서 성긴 구조를 이루고, 염색을 해도 희미하게 보이게 됩니다.  반대로 유전자 발현이 이루어지지 않을 때는, Chromatin도 매우 compact 하게 압축되어 있기 때문에, 세포를 염색했을 때 진하게 보이게 되며 이러한 부위를 ‘Heterochromatin‘ 영역이라고 부릅니다.

 

Histone modification

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Histone 단백의 잔기들은 다양한 modification이 가능한데, 위의 그림 B와 같이 Core Histone의 번호와, 아미노산 잔기의 위치에 따른 번호, 그리고 modifcation의 종류를 이용하여 나타냅니다. 대표적인 변화로는 Methylation, Acetylation, Phosphorylation 등이 포함되는데, MethylationAcetylation은 알칼리성 잔기인 Lysine (K)과 Arginine (R)에서, Phosphorylation은 -OH 잔기를 포함하는 Serine (S), Threonine (T), Tyrosine (Y) 잔기에서 일어납니다. 위 그림의 A는 이러한 잔기의 위치와 변화를 보여주고 있습니다.

Histone modification은 유전자의 발현을 촉진하거나, 억제하는 등 그 생물학적인 역할이 모두 다릅니다. 이러한 다양한 역할과 그 조합들로 인해서, 주변 환경과의 상호 작용 및 그에 따른 매우 정교한 조절이 가능해지게 됩니다. 다음 포스팅에서는 Histone modification의 종류와 그에 따른 생물학적인 기능을 정리해보고, 이번 포스팅은 여기서 마치도록 하겠습니다.

 

[References]

Felsenfeld, Gary. “A brief history of epigenetics.” Cold Spring Harbor perspectives in biology 6.1 (2014): a018200.

Cedar, Howard, and Yehudit Bergman. “Linking DNA methylation and histone modification: patterns and paradigms.” Nature Reviews Genetics 10.5 (2009): 295-304.

Prakash, Kirti, and David Fournier. “Evidence for the implication of the histone code in building the genome structure.” Biosystems 164 (2018): 49-59.

 

 

 

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