Chapter 9. Transcriptional Regulation and Epigenetics

본 게시글은 학부 '세포생물학' 강의와 강의교재(The Cell : A Molecular Approach, Geoffrey M. Cooper)를 토대로 이해한 바를 정리하였습니다.

 

 

Contents

 

9.1 Gene Regulation in E.coli

• Explain how loactose regulates transcription of the lac operon
• Distinguish between positive and negative control
• Explain why repressors inhibit but activators stimulate transcription

 

9.2 Transcription Factors in Eukaryotes

• Compare and contrast promoters and enhancers
• Summarize the experimental approaches used to study the binding of transcription factors to DNA
• Describe how activators and repressors affect trancsription
• Explain how transcriptional elongation in controlled

9.3 Chromatin and Epigenetics

• Describe the effects of different histone modifications on transcription
• Summarize the action of chromatin remodeling factors
• Explain epigenetic inheritance based on histone modifications and on DNA methylation
• Describe the aaction of lncRNAs in gene repression and activation

 

 

 

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9.1 Gene Regulation in E.coli

 

The lac repressor

• Lactose는 Galactose와 Glucose로 분해되어 탄소원 및 에너지원으로 사용된다.
• β - galactosidase : Lactose를 분해
• Lactose permease : 락토오스 퍼미에이스, Lactose를 세포 내로 운반
• Transacetylase : 락토오스와 함께 Permease에 의해 세포로 유입되는 독성 Thiogalactoside를 비활성화

 

 

• Operon : 오페론, β - Galactosidase, permease, transacetylase를 암호화하는 유전자들은 하나의 단위로 발현
• 조절 인자
  • o 유전자(Operator) : 오페론 전사의 조절자
  • i 유전자 : 오페론 전사를 조절하는 단백질을 암호화
  • 억제자(Repressor) : i 유전자의 정상 산물로, Operator DNA에 결합해 전사를 차단

 

 

 

 

 

Positive control of transcription

E.coli는 포도당이 우선적으로 사용한다. 포도당이 존재할 때, 다른 에너지원(e.g. Lactose) 관련 효소를 발현하지 않는다.

Glucose와 Lactose가 모두 존재하는 경우, Lac Operon은 유도되지 않으며, 세균은 오직 포도당만 사용한다.

 

 

 

 

9.2 Transcription Factors in Eukaryotes

 

cis-acting regulatory sequences : promoters and enhancers

• 진핵생물 유전자의 발현은 Cis - acting regulatory sequences(Cis-작용 조절 서열)에 의해 조절된다.
• Cis - 작용 조절 서열에는 프로모터(Promoters)와 인핸서(Enhancers)가 있다.
• Cis-작용 조절 서열은 단백질 Thymidine kinase(티미딘 키나아제)를 암호화하는 단순 헤르페스 바이러스 유전자의 프로모터 연구를 통해 규명되었다.

 

 

Enhancer

• 포유류 세포에서 여러 유전자는 전사 시작 지점에서 수백 kb 떨어진 위치에 있는 조절 서열(Enhancer)에 의해 조절된다.
• 인핸서는 거리와 방향성에 관계없이 전사 활성에 영향을 미칠 수 있다.

 

 

 

 

 

DNA Loop

 

DNA Looping

• DNA Looping은 멀리 있는 Enhancer에 결합된 전사 인자가 프로모터의 Mediator나 일반 전사 인자와 상호작용할 수 있도록 한다.
• Cohesin : 두 가닥의 DNA를 감싸는 링 구조를 형성해 DNA loop를 활성화한다.

 

 

 

Transcription factor binding sites

 

 

Electorphoretic-Mobility Shift Assay - 전기영동 이동 변화 분석

• 프로모터나 인핸서 서열에서 전사 조절 단백질의 결합 부위를 밝히는 실험이다.
• 방사선 표지된 DNA 단편을 단백질과 혼합 후, 비변성 겔에서 진기영동을 수행한다.

 

 

 

 

 

Chromatin Immunoprecipitation, ChIP

 

 

Chromatin Immunoprecipitation - 크로마틴 면역침강법

• 세포 내에서 특정 전사 인자가 결합하는 DNA 영역을 확인

 

 

 

 

 

Transcriptional regulatory proteins

 

특정 DNA 서열에 결합하는 전사 인자(Transcription Factors)를 DNA 친화 크로마토그래피를 통해 분리한다.

 

1. 칼럼(Column) 준비 : 특정 DNA 서열(e.g. GC box)을 Agarose 비드에 결합하여 컬럼에 채운다.
2. 단백질 혼합물 첨가 : 세포에서 추출한 단백질 혼합물을 컬럼에 통과시킨다 -> 컬럼에 고정된 DNA 서열에 특이적으로 결합하는 단백질(e.g. Sp1)은 컬럼에 결합하게 된다.
3. 비특이적 단백질 제거 : 결합하지 않은 단백질은 컬럼을 통과하여 제거
4. 고염 용출 : 고염 버퍼를 사용하여 DNA에 결합된 단백질(e.g. sp1)을 컬럼에서 용출하여 정제한다.
5. 정제된 단백질 확보 : 용출된 단백질(e.g. sp1)을 수집하여 분석한다.

 

Transcriptional Activators

 

전사 활성 인자(Transcriptional Activators) - e.g. Sp1

• 조절 DNA 서열에 결합해 전사를 촉진한다.
• 구조
  • DNA 결합 도메인 : 특정 DNA 서열에 결합
  • 활성화 도메인 : 다른 단백질과 상호작용하여 전사를 촉진한다.

 

 

 

Transcriptional Repressors

전사 억제 인자(Transcriptional Repressors)

• 다른 전사 인자의 DNA 결합을 방해하거나, 단백질 - 단백질 상호작용을 통해 전사를 억제한다.
• 능동적 억제자(Active Repressors) : 전사 억제 도메인을 포함한다.

 

 

 

 

 

Regulation of Elongation

전사 신장 조절(Regulation of Elongation)

• RNA polymerase II의 활성화 - TFIIH protein kinase가 CTD(탄소 말단 도메인)의 Serine 5를 인산화하게 되면 전사가 개시된다.
• 조절인자
  • NELF, DSIF : 전사 신장의 negative regulatory factors
  • P-TEFb : positive transcription-elongation factor-b, 전사 신장을 촉진하는 양성 인자(positive factors)

 

 

 

 

 

 

9.3 Chromatin and Epigenetics

 

Histone modifications

 

 

 

Nucleosome(뉴클레오솜) : Chromatin의 기본 구조 단위

147 염기쌍의 DNA가 Histone protein(H2A, H2B, H3, H4 각 2분자)과 Histone H1(1분자) 주변에 감겨있다.

Hinstone acetylation(히스톤 아세틸화)는 유전자 발현 조절에서 중요한 역할을 수행한다.

 

 

 

Histone Modification

그 외의 histone modification은 아래와 같다.

• Lysine(K) 및 Arginine(R) 잔기의 methylation
• Serine 잔기의 인산화
• 소형 펩타이드의 추가

 

 

 

 

Promotor & Enhancer

• Nucleosome이 없는 상태에서 전사 인자가 결합할 수 있도록 DNA가 접근이 가능하다.
• DNase 과민 부위로 나타난다.

 

 

 

 

 

 

Chromatin remodeling factors

Chromatin remodeling factors

• ATP 가수분해 에너지를 사용하여 DNA와 Histone 간의 접촉을 변화시키는 단백질 복합체이다.
• 뉴클레오솜의 배열이나 구조를 변경하여 전사 접근성을 조절한다.

 

Histones and epigenetic inheritance

• Histone Modification은 Epigenetic inheritance(후성유전적 유전)의 메커니즘을 제공한다.
• DNA 서열에 포함되지 않은 정보가 세포 분열동안 딸세포로 전달된다.

 

 

 

DNA methylation

DNA Methylation

• 진핵생물에서 전사 조절을 위한 또 다른 일반적 메커니즘

 

 

• Cytosine(C)이 Guanine(G) 앞에 있는 CpG 이합체에서 DNA가 methylation 일어난다.

 

 

 

Noncoding RNAs

Noncoding RNAs

• lncRNA(Long non-coding RNA)
  • Scaffold 역할을 하여, Chromatin을 수정하는 단백질과 복합체를 형성한다.
  • 이러한 복합체를 표적 부위로 모아 Chromatin 구조를 변경한다.
• Xist lncRNA : X 염색체 불활성화에 관여한다.