히스톤의 cleavage - 후성유전학적인 조절 기작

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히스톤의 cleavage -

후성유전학적인 조절 기작

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분자세포생물학 뉴스레터

서론

뉴 클 레 오 솜 ( n u c l e o s o m e ) 은 진 핵 생 물 크 로 마 틴 (chromatin)의 기본적인 단위로 146 bp DNA와 각 두 개씩 의 H2A, H2B, H3, H4로 이루어진 히스톤 옥타머(octamer) 로 구성되어 있으며 진핵생물에서 유전적으로 보존되어져 있다. 뉴클레오솜 구성은 뉴클레오솜의 구조와 나아가 크로 마틴의 구조와 기능에 영향을 미치게 된다. 뉴클레오솜의 구 조는 다양한 방법들에 의해 개조될 수 있다. 대표적인 예로 히스톤에 다양한 효소들에 의해 acetylation, methylation, phosphorylation, ubiquitylation등 과 같은 다양한 단백질 번역후 변형들(post-translational modifications, PTMs) 이 일어나게 된다 (1). 이러한 변형이 일어난 히스톤들은 뉴 클레오솜의 구조에 영향을 끼쳐 전사인자들의 DNA로의 접 근성이 변화되게 되고 나아가 전사과정에 까지 영향을 미

칠 수 있다. 이러한 “epigenetic signature”는 다양한 생물 학적인 과정들에서 변화하게 되는데 이들 signature를 제 거시키는 첫번째 작용기전은 deacetylase, demethylase, phosphatase, deubiquitylase와 같은 히스톤 변형효소들에 의해 특정한 PTM을 선택적으로 제거하는 것이다 (2,3). 좀 더 극단적인 작용기전으로는 변형된 기존의 히스톤을 뉴클 레오솜에서 제거하고 새로운 히스톤 변이체들을 ATP 의존 적으로 삽입하는 것인데 이렇게 함으로써 기존의 모든 PTM 들과 결합 단백질들을 한꺼번에 제거할 수 있다 (4). 선택적 인 제거와 완전한 제거 사이의 중간적인 작용기전으로 히스 톤의 부분적인 제거가 있는데 히스톤의 core 부분은 영향을 주지 않고 이전에 존재하던 히스톤 꼬리의 PTM과 결합 단백 질들을 선택적으로 제거할 수 있다 (1,5). 히스톤 core부분 은 남아있으므로 뉴클레오솜의 구조는 유지되는 반면 히스 톤 꼬리가 제거됨에 따라 뉴클레오솜 내에서와 뉴클레오솜 김 경 환

충북대학교 생물학과

kyungkim@chungbuk.ac.kr

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최근 연구 소식 2016 | 5

사이의 결합들이 불안정화되고 결과적으로 DNA 접근성을 증가시키고 인자들의 결합을 촉진시킬 수 있다 (6-8). 따라 서 히스톤의 꼬리의 잘림 (cleavage)는 빠르면서도 극단적으 로 크로마틴의 구조와 기능을 직접적으로 혹은 간접적으로 변화시킨다.

히스톤의 proteolysis

크로마틴 구조의 변화는 히스톤의 교체나 효소에 의한 히 스톤 PTM의 선택적인 제거 이외에 히스톤 꼬리의 잘림에 의 해서도 유발되는데 이러한 cleavage는 세포주기, 발달과정, 바이러스 감염, 줄기세포분화, 노화, 정자형성 및 포자형성 등에서 관찰되었다 (9).

크로마틴내에서 protease의 존재는 1970년대에 처음 으로 발견되었다 (1). 그 중의 하나가 쥐의 크로마틴에서 alkaline and neutral protease의 발견이다 (10). 또한 Tetrahymena(섬모충류)의 micronucleus는 α, β, γ and δ H1-like form들을 포함하는데 이것들은 그들의 전구체 히 스톤들의 proteolytic clipping으로부터 유래된 것이었다 (11). 이어지는 연구에서, core 히스톤의 아미노 말단의 제 거가 Tetrahymena 에서 macronuclear development에 필요하다는 것이 제안되었다 (12). 바다 성게의 알 추출물 은 특정한 히스톤들에 대해서 특이적으로 protease 활성을 나타내었다 (13). 또한 송아지 흉선에서 히스톤에 특이적인 protease 활성이 나타났는데 전체 히스톤들을 기질로 사용 하였을때 H1(0), H3, H5의 cleavage를 유도하였다 (14).

비교적 다른 히스톤들에 비해 현재까지 H3 아미노말단과 H2A 카복시말단의 cleavage가 상세히 연구 되어져 왔기 때 문에 이들에 대해서 상세히 설명하고자 한다.

1. H2A cleavage

1976년 처음으로 송아지 흉선에서 크로마틴에 결합하 고 있는 protease를 분리하였는데 H2A에 특이적으로 작 용하였다 (15). Cleavage site는 H2A 카복시 말단에 있 는 Val114와 Leu115 사이로 밝혀졌다. 이어진 연구들에서 이 효소는 ‘H2A specific protease (H2Asp)’로 이름지어졌 다 (16, 17). 이 fragment은 몇몇 myeloid 와 lymphatic leukemia cell에서도 발견되었다 (18, 19). 흥미롭게도,

최근에는 retinoic acid에 의해 THP-1 promonocytes가 macrophage로 분화되는 과정에서 H2A V114 clipping이 수반되는 것이 관찰되었다 (20, 21). 또한 Deforce group에 서 chronic lymphatic leukemia B-cells에서 이 H2Asp가 neutrophil elastase라는 강한 증거를 제시하기도 했다 (21, 22). 최근에 두번째 H2A specific protease가 닭의 간에서 발견되었는데 H2AE91에서 잘리는 것이 밝혀졌다 (23).

2. H3 cleavage

Tetrahymena에서 세포주기에 의해 조절되는 H3의 nuclear cleavage가 발견되었다 (24). Foot-and-mouth disease virus는 host cell에서 소위 protease 3C (P3C)를 발현하는데 이것이 H3를 Leucine 20에서 자르는 것이 발견 되었다. 2008년에는 Allis group에서 아주 흥미로운 발표 되었는데 Cathepsin L이 핵안으로 이동하여 생쥐의 배아줄 기 분화과정에서 특정시기에만 H3를 자른다는 것이다 (25).

이 결과는 히스톤의 clipping이 생쥐의 배아줄기세포 분화에 후성유전학적으로 연관되어있다는 것을 보여준 최초의 연구 라고 할 수 있다. 저자들은 또한 잘린 H3가 또 다른 후성유 전학적인 매개체인 Cbx7과의 결합이 감소되는 것을 보여주 었다. 최근에는 senescence과정에서 H3.3가 Cathepsin L 에 의해 선택적으로 잘리는데 이러한 H3.3의 cleavage가 senescence의 중요한 조절자라는 것이 밝혀졌다 (26). 게다 가 아주 최근에 본연구자 그룹에서 matrix metalloprotease 9 (MMP-9)가 새로운 H3 아미노 말단 꼬리를 자르는 protease라는 것을 밝혔다 (27). MMP-9은 gelatinase로 세포외 기질 (ECM)을 자르는 대표적인 protease이지만, 파 골세포 분화과정에서 MMP-9 단백질이 핵안으로 이동하여 히스톤 H3의 K18과 Q19사이를 특이적으로 자름을 밝혔다.

또한, 히스톤 H3K18의 acetylation이 MMP-9에 의한 H3 절단능력을 향상시켰으며, 이러한 H3 cleavage는 파골세포 분화관련 유전자들의 발현을 촉진하여 효율적인 파골세포분 화를 유도하였다.

앞으로의 전망

히스톤의 꼬리는 뉴클레오솜의 구조에 중요한 역할을 한 다. 현재까지 히스톤 꼬리의 PTMs에 많은 연구가 진행되고

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있지만, 본 리뷰에서 언급한 protease에 의한 특정 히스톤 의 절단은 새로운 종류의 뉴클레오솜이 생성되는 것을 의미 하며 유전자 발현에 중요한 변화가 일어날 수 있음을 의미한 다. 이러한 것들을 감안한다면 히스톤의 proteolysis는 아주 중요한 요소임에 틀림없다. 하지만 그 중요성에 비해 연구가 많이 이루어지지 않았고 그나마 이루어졌던 연구도 체계적 이지 못 했던 것이 사실이다.

앞에서 설명한바와 같이 몇몇 새로운 히스톤의 protease 가 밝혀지고 있다. 하지만 그들의 후성유전학적인 관점에 서의 역할에 대해서는 자세히 알려지지 않은 것이 사실이 다. 흥미롭게도 최근에 히스톤의 proteolysis를 clipping 과 degradation으로 나누어 구별하는 것을 제안하는 리뷰 가 발표되었다 (5). 저자들은 100개의 reference에서 히스 톤의 proteolysis를 clipping과 degradation으로 나누어 구 분하고자 했다. 그들의 관찰에 따르면 이러한 두 가지는 같 은 효소에 의해 매개되기 때문에 실험적으로나 생물학적 으로나 구별하기 힘들다는 것이다. 첫번째 논문이 수십년 전에 나온후 proteolysis는 다양한 진핵생물들에서 발견되 고 있다. 그러나 연구들은 기초적인 결과들만을 보여주었 고 저자들은 종종 그것들이 degradation이거나 clipping인 지 조차 분명하게 구별하거나 결정하지 않은 것이 사실이 다. 하지만, 줄기세포 분화과정이나 세포의 senescence과 정에서 catehpsin L의 히스톤 H3절단에 대한 연구를 통해 protease들의 후성유전학적 유전자발현조절에 대한 중요성 이 제기되었을 뿐만 아니라 (25, 26), 또한 본 연구자의 그룹 에서 MMP-9이 새로운 히스톤 H3 절단 효소로서의 확인 및 파골세포분화과정에서의 중요조절인자라는 사실을 밝힘으로 써 히스톤의 절단은 유전자발현 조절 뿐만 아니라 MMP-9 의 과도한 히스톤절단으로 인한 골다공증과 같은 골질환에 관여할 것으로 예상된다 (27). 세포내에 존재하는 protease 의 종류는 매우 다양하다. 세포핵내에서의 protease의 히스 톤, 히스톤변형효소 및 전사인자들의 절단을 통한 유전자발 현의 조절 및 그로 인한 질환에 대한 연구는 매우 흥미로운 분야가 될 것으로 기대된다.

1. Azad and Tomar. Mol Biol Rep 41: 2717-2730 (2014) 2. Black et al. Mol Cell 48: 491-507 (2012)

3. Seto and Yoshida. Cold Spring Harb Perspect Biol 6: a018713 (2014) 4. Narlikar et al. Cell 154: 490-503 (2013)

5. Dhaenens et al. Bioessays 37: 70-79 (2014) 6. Allan et al. J Cell Biol 93: 285-297 (1982) 7. Andresen et al. PLoS One 8:e78587 (2013) 8. Nurse et al. Biophys J 104:1081-1088 (2013)

9. Mandal et al. Biochem Biophys Res Commun 421: 261-267 (2012) 10. Hagiwara et al. Biochim Biophys Acta 660(1): 73-82 (1981) 11. Allis et al. J cell Biol 99(5):1669-1677 (1984)

12. Lin et al. Genes Dev 5(9):1601-1610 (1991) 13. Suzuki et al. J Biochem 108(3):347-355 (1990)

14. Dyson and Walker. Int J Pept Protein Res 24(3): 201-207 (1984) 15. Eickbush et al. Cell 9:785-792 (1976)

16. Elia and Moudrianakis. J Biol Chem 263:9958-9964 (1988) 17. Wastson and Moudrianakis. Biochemistry 21: 248-256 (1982) 18. Pandazis et al. Int J Cancer 27: 585-592 (1981)

19. Rubin and Moudrianakis. Biochemistry 14: 1718-1726 (1975) 20. Minami et al. Int J Biochem Cell Biol 39: 171-180 (2007) 21. Gilbert et al. Int J Mol Sci 15: 9407-9421 (2014) 22. Dhaenens et al., Int J Biochem Cell Biol 51: 39-44 (2014) 23. Panda et al. Genes 512: 47-54 (2013)

24. Allis CD et al. Proc Natl Acad Sci USA 76: 4857-4861 (1979) 25. Duncan et l. Cell 135: 284-294 (2008)

26. Duarte et al. Nat Commun 5:5210 (2015) 27. Kim et al. Genes Dev 30:1-12 (2016)

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최근 연구 소식

참고문헌

김 경 환

1993 ~ 1997 부산대학교 약학대학, 약학사 1997 ~ 1999 부산대학교 약학대학, 약학석사

2005 ~ 2010 University of Southern California, Department of Biochemistry & Molecular Biology, 박사 2010 ~ 2015 University of Southern California, Norris

Comprehensive Cancer Center, 박사후 연구원 2015 ~ 현재 충북대학교 생명과학부 생물학전공, 조교수

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