후성 유전 핵심 ‘히스톤 단백질’의 작용 원리 밝혀졌다- 유전체 기능 조절 핵심 인자인 ‘히스톤 단백질’의 화학적 변성에 대한 작용 원리 규명

후성 유전 핵심 ‘히스톤 단백질’의 작용 원리 밝혀졌다- 유전체 기능 조절 핵심 인자인 ‘히스톤 단백질’의 화학적 변성에 대한 작용 원리 규명

등록일 2019-02-12

 

 

후성 유전 핵심 ‘히스톤 단백질’의 작용 원리 밝혀졌다
- 유전체 기능 조절 핵심 인자인 ‘히스톤 단백질’의 화학적 변성에 대한 작용 원리 규명
- 유전체의 비정상적인 변성 조절 및 제어를 통한 암 등의 난치질환 치료 기술 개발 기대

□ 국내연구진이 후성유전* 핵심인자인 히스톤 단백질**의 화학적 변성을 조절하는 신규 작용 원리를 규명하였다. 향후 이러한 작용원리를 기반으로 히스톤 단백질의 변성을 표적으로 하는 후성유전을 제어하는 물질 및 기술 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
    * 후성유전 :  DNA의 염기서열이 변화 없이 나타나는 유전자 기능의 변화가 후대에 유전되는 것을 말한다.
   ** 히스톤 단백질 : 세포내의 핵 내부는 염기성 단백질의 종류인 히스톤과 DNA 등으로 구성되어 있다. 이중 히스톤 단백질은 DNA를 감싸는 실패 역할을 하면서 유전자 발현의 조절에 중요하게 작용하는 단백질이다. 히스톤 꼬리의 화학적 변성에 따라서 각기 다른 단백질의 생산을 유도하기 때문에, DNA의 복제에 매우 중요한 역할을 한다. 

 ㅇ 한국생명공학연구원(이하 생명연) 유전체맞춤의료연구단의 김정애 박사팀과 한국과학기술원의 김재훈 교수팀(교신저자: 김정애 박사/김재훈 교수)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업(김정애) 및 삼성전자 미래기술육성재단의 기초과학 지원사업(김재훈)의 지원으로 수행되었고, 생물학 분야의 세계적 저널인 핵산지(Nucleic Acids Research, IF 11.561) 11월 30일자 판에 ‘Breakthrough Article’로 선정, 게재되었다.
     (논문명 : Crosstalk among Set1 complex subunits involved in H2B ubiquitylation-dependent H3K4 methylation)

□ 후성유전을 결정하는 대표적 인자인 크로마틴* 구성 히스톤 단백질의 화학적 변성은 세포 분화와 개체 발생 및 다양한 인간 질환의 진행과 밀접한 관련성이 있다.
    * 크로마틴(Chromatin) : DNA와 4종의 히스톤 단백질(H2A, H2B, H3, H4)로 이루어진 핵산단백질 복합체인 뉴클레오솜(Nucleosome)으로 구성된 거대분자 복합체로써 원핵생물 내 유전체의 생리적인 상태

<크로마틴을 구성하는 DNA와 히스톤 단백질의 모식도>

 ㅇ 특히, 크로마틴을 구성하는 4개 대표 히스톤 단백질(H2A, H2B, H3, H4) 중 히스톤 H3의 효소에 의한 촉매반응(메틸화)은 유전체의 발현, 유전체 안정성 유지 및 재조합 조절 등과 같은 핵심적인 유전체 기능 조절에 깊이 관여함이 알려져 있다.

 ㅇ 히스톤 H3의 비정상적인 변성은 질환 관련 유전자의 발현 이상을 일으켜서 암과 같은 난치성 질환을 유발하거나, 항암치료 저항성을 야기하는 등의 악성 진행을 촉진할 수 있다.

 ㅇ 이에 DNA 편집과 같은 유전체의 안정성에 영향을 미치는 방식과 다르게 비정상적인 변성을 원래의 상태로 되돌릴 수 있는 기술 개발이 주목을 받고 있다. 이러한 연구의 일환으로 히스톤 단백질의 화학적 변성을 조절하는 연구가 많은 관심을 받고 있다. 이는 비정상적인 단백질의 생산을 제어하여 세포 분화 및 암을 포함한 난치성 질환을 치료하는 원천기술로 이어질 것으로 기대된다.

□ 연구팀은 세포로부터 직접 분리한 히스톤 단백질 H3의 촉매반응(메틸화)을 조절하는 효소와, 생화학적으로 순수하게 재구성한 크로마틴을 이용하여 세포 내에서 일어나는 히스톤 단백질 변성을 시험관 내에서 재현하고, 이의 분석을 통해 히스톤 단백질의 작용원리를 규명하였다. 연구에 사용된 크로마틴을 이용한 시험관 내 히스톤 단백질 변성 반응 유도는 기술적 어려움으로 인해 세계적으로도 구현 가능한 실험실이 소수에 불과하다.

 ㅇ 연구팀은 실험을 통해 히스톤 H3의 촉매반응(메틸화)이 효소의 구조적인 변성에 의한 것이라는 분자적인 원리를 밝힘으로써 이를 유도하거나 억제하는 물질의 개발을 통해 히스톤 단백질의 변성을 조절할 수 있는 가능성을 확인하였다.

□ 공동연구책임자인 김정애 박사는 “동 연구성과는 유전체 기능 조절에 핵심적인 H3 메틸화라는 후성유전인자를 가역적(외부에 어떤 변화도 남기지 않고 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 변화)으로 조절할 수 있는 표적을 규명한 것”이라며,

 ㅇ “H3 메틸화 제어를 통해 줄기세포 분화나 암세포 분화 및 역분화를 통해 조절되는 다양한 질환 치료제 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

연   구   결   과   개   요

□ 연구배경
○ 히스톤 단백질 H3의 메틸화는 유전체 발현을 촉진, 억제하는 대표적인 후성유전인자이며 유전체 내 이의 비정상적인 분포는 병리학적인 세포 분화와 이에 기인한 인간 질환에서 빈번하게 확인되는 현상이다.
○ 유전체변이의 경우와 달리 히스톤 단백질의 화학적변성과 같은 후성유전학적변이는 가역적으로 조절이 가능하므로 유전체 기능을 조절할 수 있는 관련 기술 개발에 많은 관심이 모아지고 있다.
○ 히스톤 단백질의 H3는 라이신 4번의 메틸화와 라이신 27번의 메틸화가 대표적으로 밝혀져 있는데, 라이신 27번의 메틸화의 경우 효소 활성 저해제가 이미 개발되어 암 및 만성질환 치료제로써 활발한 전임상 연구가 진행되어오고 있다.
○ 반면, H3 라이신 4번 메틸화의 경우 이를 조절할 수 있는 효소가 복수로 존재하고(반면, 라이신 27번 메틸화의 경우 1종) 이들의 효소 활성 조절 단백질 구조가 매우 유사하여 효과적이고 선택적인 활성 저해제 개발이 상대적으로 미진하다.
○ 그럼에도 불구하고 유전체 기능 조절에 있어 H3 라이신 4번 메틸화의  중요성으로 인해 이의 분자적 기전을 세밀히 분석하여 이를 기반으로 가역적으로 제어할 수 있는 기술을 개발하는 것에 높은 관심이 지속되고 있다.
 

□ 연구내용
○ 연구팀은 실험실에서 생화학적인 방법으로 H3 메틸화 단백질 복합체를 분리하고 이의 생체내 기질인 크로마틴을 시험관 내에서 생산하여 H3 메틸화 조절이라는 후성유전학적 현상을 시험관 내에서 생화학적으로 재현하고 단백질 복합체 내의 구조적 변성에 의한 활성 조절 기전을 최초로 규명하였다.
○ 이 연구에서 연구팀은 H3 메틸화를 촉진하는 인자인 H2B 유비퀴틸화의 역할이 효소 단백질의 알로스테릭(allosteric) 조절자임을 확인하는 결과를 도출하였다.
□ 연구성과의 의미
▶ 후성유전조절의 신규 기전 규명 : 히스톤 단백질 H3 메틸화를 조절하는 신규 기전 규명
○ 본 연구의 히스톤 단백질 메틸화 복합체 구조 변성에 의한 활성조절 기전은 후성유전을 결정하는 다양한 크로마틴 구성인자의 역할에 대한 분자적 이해를 제공한다.
○ H3 메틸화 조절을 기반으로 후성유전 변성을 통해 유전체 발현을 포함한 유전체 기능을 제어하는 것은 줄기세포로부터 분화를 유도하거나 역분화를 유도하는 기술 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
○ 또한, H3 메틸화의 비정상적인 분포가 확인되는 암을 포함한 다양한 질환을 제어하기 위해 본 연구를 통해 확인된 분자기전을 표적할 수 있는 물질의 발굴 등과 같은 질환 치료 기술 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

그 림 설 명

그림 1. 크로마틴 기질을 이용한 시험관내 히스톤 H3 메틸화 효소 촉매 반응
     
     (A) 8개의 단위 단백질로 구성된 히스톤 H3 메틸화 효소 복합체의 분리, (B) 히스톤 단백질 H3 단독(왼쪽), 화학적변성 없는 크로마틴(가운데), 유비퀴틸화 H2B로 구성된 크로마틴(오른쪽) 기질과 분리한 H3 메틸화 효소 복합체를 이용한 시험관내 H3 라이신 4번 메틸화 반응 결과

그림 2. 히스톤 H3 메틸화 효소 단백질 복합체의 구조 변성에 의한 촉매 활성 조절 확인

         (A) 다양하게 돌연변이가 유입된 H3 메틸화 효소 단백질 복합체의 활성 요약,  (B) (C, D)의 실험에 사용된 돌연변이 H3 메틸화 효소 단백질 복합체, (C,D) 히스톤 H3 단백질 단독 (C), 혹은 H2B 유비퀴틸화 크로마틴 기질을 이용한 H3 라이신 4번 메틸화 반응, (D, E) H2B 유비퀴틸화를 요구하지 않는 돌연변이  H3 메틸화 단백질 복합체의 생화학적 반응

          
그림 3. H2B 유비퀴틸화에 의한 H3 메틸화 단백질 복합체 Set1C의 알로스테릭 활성조절 기전 모델

         (위) 크로마틴 기질 내의  H2B 유비퀴틸화를 인식하면 H3 메틸화 효소 단백질 복합체 내부의  구조적 변성이 유도되어 H3 메틸화 촉매활성을 가지게 됨; (아래) H3 메틸화 효소 단백질 복합체 구성인자 중 Spp1 단백질이 결여되면 크로마틴 기질의 H2B 유비퀴틸화를 인식할 수 없어 촉매 활성을 부여하는 구조적 변성이 일어날 수 없음

  

김정애 박사 이력사항

1. 인적사항

  o 소 속 : 한국생명공학연구원
           유전체맞춤의료전문연구단
 

2. 경력사항

  o 1999 – 2002 국가창의과제세포주기연구단 연구원
  o 2008 – 2012 Rockefeller University, USA 박사후연구원
  o 2012 – 현재 한국생명공학연구원 선임연구원
  o 2013 – 현재 과학기술연합대학원대학교 교수

3. 전문 분야 정보

  o 분자세포생물학
  o 후성유전학