[생물 임용 노트]유전자 발현조절 - 3) 진핵 생물의 유전자 발현 : DNA 구조적 특징에 따른 조절

이질 염색질과 진정 염색질

용어 원문 정리 : 이질 염색질(heterochromatin), 진정 염색질(euchromatin)

• 기능적인 관점에서 대부분의 유전자는 진정 염색질에 존재한다. 반면, 이질 염색질에는 거의 존재하지 않는다. 이질 염색질이 전사 시스템의 접근이 힘든 상태로 응축되어 있기 때문이다. 
• DNaseⅠ의 고감수성 부위는 일반적으로 활발히 전사되는 유전자이다. 이 유전자들의 DNA는 풀려있는 상태이다. 이러한 민감도는 비히스톤 단백질인 HMG14/17에 의해 생긴다. 만일 이 단백질을 제거하는 경우 DNaseⅠ의 민감도는 사라진다.

솔 염색체와 다사 염색체

용어 원문 정리 : 솔 염색체(lampbrush chromosome), 다사 염색체(polytene chromosome)

• 양서류 난자의 염색체인 솔 염색체(램프 브러시 염색체)는 풀어진 loop 측면 고리에서 전사가 활발히 일어난다.
• 초파리의 다사 염색체(거대 염색체라고도 불림)인 경우 응축지역인 횡대(chromere) 보다는 풀어진 지역인 puff에서 전사가 활발히 일어난다. 

DNA 메틸화

CpG의 메틸화

• 포유류 유전체의 30억bp 중 GC 염기쌍은 40% 정도이다. 이중 2~7%는 메틸화되어 있다.
• GC 염기쌍이 고밀도 존재하는 곳을 CpG섬(CpG island)이라고 하며, 대부분 전사 시작 부위에 위치한다.
• 메틸화는 사이토신(C)에서 주로 일어나며(5'-mCpG-3' 또는 5'-GpCm-3' 형태), 이 경우 메틸화된 영역은 전사되지 못한다.
• CpG 섬의 메틸화 확인 방법은 5'-CCGG-3' 서열을 인식하는 HPaⅡ 처리 시 절단되지 않는 부위가 메틸화 부위이다. 

유전체 각인(genomic imprinting)

DNA 복제시 유전자 발현 상태는 딸세포에 그대로 전달이 가능하다.
유전자 불활성화에 관여하는 단백질들은 DNA 복제 시 딸세포의 DNA 가닥과 함께 일부가 전달된다. 이 결합된 DNA에는 다시 단백질들이 첨가되어 유전자 발현을 억제한다. 메틸화된 DNA도 마찬가지의 기작으로 전달되며, 부모의 어떤 쪽에서 대립유전자를 받는지에 따라 표현형이 달라지기도 한다. 이를 유전체 작인이라고 한다.
→ 각인 결과 특정 유전자의 대립 유전자 중 하나만 발현된다.
 
특정 유전자 발현을 조절하는 해당 유전자 주변의 하나 혹은 그 이상의 CpG 염기 서열의 메틸화에 의해서 유전체 각인이 이루어진다. 어버이 DNA 이중가닥이 복제되어 두 개의 딸 DNA 이중가닥 형성 시 한 가닥만 메틸화되어 있는 반 메틸화 상태가 된다. 이때 methylase에 의해 CpG 서열이 인식되어 딸세포의 DNA도 메틸화 시켜 유전자 발현이 일어나지 않게 유지시킬 수 있다.

(연구) 생쥐에서 Igf2 유전자의 메틸화와 유전체 각인

• Igf2는 생쥐 생장에 필수적인 단백질로 결손시 정상 크기의 절반만 성장한다.
• 이 유전자는 암컷에서 비메틸화 되어 있고, 수컷에서 메틸화되어 있다.
• 유전자 발현양상은 기존과 반대로 메틸화 상태가 발현된다.

<연구 결과>

	부계	모계	크기
Case1	정상 대립유전자 - 발현	정상 대립유전자 - 미발현	정상 크기
Case2	정상 대립유전자 - 발현	돌연변이 대립유전자 - 미발현	정상 크기
Case3	돌연변이 대립유전자 - 미발현	돌연변이 대립유전자 - 미발현	난쟁이 쥐

 
따라서 포유류는 유전체 각인 때문에 정자와 난자의 전핵이 모두 필요하다.

유전자 증폭

유전자 수의 증가를 통해 유전자 발현을 촉진한다. 주로 RNA 합성에 필요한 DNA의 주형의 수를 증가시키는 방식으로 일어난다.
 
Xnopus의 rRNA

• 5s rRNA - 24,000 copy가 존재하여 난모세포에서 특이적 활성을 갖는다.
• 18s rRNA, 28s rRNA - 800~1,000 copy가 존재하며 작은 환형 DNA를 만들어 회전환 복제로 유전자를 증폭시켜 인을 형성한다.
• 45s rRNA의 반복 서열 - Xenopus의 제1 난모세포의 제1 감수분열 전기 복사기에 염색체가 탈응축되어 염색체의 주축 측면으로 확장된 많은 고리가 만들어지며(램프 브러시 염색체), 여기서 rRNA 합성이 왕성하게 일어난다. 이때 chiasma가 관찰된다.

위유전자(pseudo gene)

• RNA가 역전사 후 DNA에 삽입된 형태이다. 프로모터 결핍으로 정상 기능은 없으며, poly-A-tail과 intron이 사라진 특징을 갖는다.
• 비가공 형태 - 유전자 복제에 돌연변이가 일어나 비기능적 유전자를 형성한다. exon-intron 구조와 프로모터 서열이 존재하지만 발현되지 않는다.
• 단일 위 유전자 - DNA의 유전자 손상후 증폭이 일어난 경우이다.

exon shuffling

exon 중 단백질의 구조 단위와 기능 단위를 암호화 하는 것이 있는데, 두 개 이상의 비대립 유전자에서 구조요소, 결합 요소, 촉매 자리 등에 대한 유전자 재조합에 의해 새롭게 조립되어 새로운 단백질을 만들 수 있는 유전자가 진화 과정에서 생성 시 나타난다.