원핵생물, 진핵생물의 DNA구조의 개요, 히스톤 단백질, 뉴클레오솜

단세포 박테리아라고 할지라도 만드는 데 필요한 모든 정보를 인코딩하기 위해서는 많은 양의 DNA가 필요하다. 그래서 우리 몸과 같은 다세포 유기체를 만들기 위해 정보를 인코딩하기 위해서는 훨씬 더 많은 DNA가 필요하다. 각각의 인간 세포는 약 2미터(마이크로)의 DNA를 포함하고 있지만 세포핵은 지름이 5~8마이크로미터로 굉장히 작다. 이렇게 작은 공간에 이 모든 재료를 집어넣는 것은 아주 미세한 실 40km(24마일)정도에 테니스 공정도 되는 공간에 접어서 넣으려고 하는 것과 같다고 할 수 있다.

진핵 세포에서 매우 긴 이중 가닥의 DNA 분자는 염색체로 분류된다. 이러한 DNA 분자는 핵 안에 쉽게 들어맞을 뿐만 아니라, 복제된 후에는 각 세포분열에서 두 개의 딸세포 사이에 쉽게 배분이 가능하다. DNA 포장이라고 부를 수 있는 이 복잡한 작업은 DNA를 결합하고 접는 전문 단백질에 의해 이루어지며, 점점 더 높은 수준의 조직을 제공한다. DNA가 얽히고설킨 이 관리하기 어려운 난장이 되는 것을 막는 일련의 코일과 루프를 생성한다. 하지만 여기서 봐야할 부분은, DNA는 관련된 모든 효소와 복제하고, 수리하고, 유전자의 발현을 통제하는 다른 단백질에 접근 가능한 상태로 유지되도록 하는 방식으로 압축된다.

박테리아는 전형적으로 하나의 원형 DNA 분자에 모든 유전자를 지니고 있다. 이 분자는 DNA를 응축하는 단백질과도 연관되어 있지만, 이 단백질들은 진핵 DNA를 포장하는 단백질과는 사뭇 다르다. 이 원핵생물 DNA를 박테리아 '염색체'라고 부르지만 원핵생물은 진핵생물 염색체와는 다른 구조를 가지고 있다. 하지만 원핵생물의 경우 어떻게 포장되고 응축되는지에 대해서는 알려져 있지 않다.

사람의 몸과 같은 진핵생물에서 핵의 DNA는 서로 다른 염색체들 사이에 분포한다. 예를 들어 인간의 핵에 있는 DNA에는 약 3.2 × 109 뉴클레오티드가 23 또는 24개의 다른 염색체 유형으로 분화되어 있다(남성은 Y 염색체 일부는 여성에게는 없는 여분의 염색체를 가지고 있다고 한다). 각각의 염색체는 관련 단백질과 연관된 엄청나게 긴 하나의 선형 DNA 분자로 구성되어 DNA의 미세한 실을 접어서 더 작은 구조로 포장된다. DNA와 단백질의 복합체를 크로마틴이라고 한다. DNA 포장에 관여하는 단백질 외에도, 염색체는 DNA 복제, DNA 수리, 유전자 발현에 관여하는 많은 다른 단백질들과도 관련되어 있다.

인간 세포는 각각 부체(아버지)로 부터 하나, 모체로부터 하나씩 받아서 각각의 염색체의 2개의 사본을 가지고 있다. 한 쌍의 모성 염색체와 부성 염색체를 동질 염색체(호몰로지)라고 한다. 유일하게 비혼성 염색체 쌍은 남성의 성 염색체인데, 여기서 Y 염색체는 아버지로부터, X 염색체는 어머니로부터 물려받는다. (여성은 각 부모로부터 하나의 X 염색체를 물려받으며 Y 염색체가 없다.).

염색체들은 각각 크기가 다를 뿐 아니라 다양한 기법으로 인간의 염색체를 서로 구별할 수 있다. 각 염색체는 다른 형광 염료에 결합된 특정 DNA 분자의 집합을 사용하여 다른 색을 "도색, 염색"할 수 있다. 이것은 DNA 혼합화라고 불리는 기술로 설명할 수 있다. 

이것은 상호 보완적인 베이스 페어링을 이용한다. 한 염색체를 다른 염색체와 구별하는 더 전통적인 방법은 염색체에 특정 유형의 DNA 염료에 결합하는 염색체를 염색하는 것이다. 이러한 염료는 주로 A-T 뉴클레오티드 쌍이 풍부한 DNA와 G-C가 풍부한 DNA를 구별하며, 각각의 염색체 유형을 따라 예측 가능한 띠 패턴을 생성한다. 그래서 이러한 패턴은 각 염색체를 식별하고 번호를 매길 수 있다.

 

인간 염색체 46개의 전체 집합을 순서대로 표시하는 것을 인간 핵형(karyotype)이라고 한다. 염색체의 일부가 손실되거나 염색체 간에 전환되면 이러한 염색체 비정상적인 변화들이 감지될 수 있다. 세포유전학자들은 염색체 핵형을 분석하여 유전적 염색체 결함 및 특정 암과 연관된 염색체 이상을 검출할 수 있다.

염색체의 가장 중요한 기능은 유전자의 기능 단위인 유전자(Gene)를 옮기는 것이다. 유전자는 종종 특정 단백질이나 RNA 분자를 만드는 지침을 포함하는 DNA의 한 부분으로 정의된다. 유전자에 의해 암호화된 대부분의 RNA 분자는 이후 단백질을 생성하고 합성하는데 사용된다. 그러나 어떤 경우에는 RNA 분자가 최종 산물이기도 하다. 이러한 RNA 분자는 단백질과 같이 구조, 촉매, 유전자 조절 역할을 포함하여 세포 내에 다양한 기능을 가지고 그 기능을 수행하고 있다.
세포나 유기체의 모든 염색체에 의해 운반되는 총 유전 정보는 그 게놈을 구성한다.

 

일반적으로 유기체의 구조나 기능이 복잡할수록 게놈(Genome)은 더 커진다. 그러나 이 관계가 항상 정비례하는 것은 아니다. 예를 들어 인간의 게놈은 효모 S. 세레비시아에 비해 200배 크지만, 어떤 식물에 비해 30배 작고, 일부 아메바 종에 비해 최소 60배 작다. 게다가 염색체 위에 DNA가 어떻게 분포되는지도 종마다 다르다. 인간은 총 46개의 염색체(n=23) 가지고 있지만, 작은 사슴의 한 종은 7개밖에 되지 않는 반면, 어떤 잉어 종은 100개 이상의 염색체를 가지고 있다. 게놈 크기가 비슷한 밀접하게 연관된 종이라도 염색체의 숫자와 크기가 매우 다를 수 있다. 따라서 유전자 수는 종들의 복잡성과 대략적으로 관련이 있지만 유전자 번호, 염색체 번호, 전체 게놈 크기 사이의 관계는 결코 단순하지 않다.

기능성 염색체를 형성하기 위해서는 DNA 분자가 단순히 유전자를 운반하는 것 이상의 일을 해야 기능성 염색체라고 볼 수 있다. 예를 들면 복제될 수 있어야 하고, 복제된 복제본은 균등하게 그리고 안정적으로 이상없이 분리되어야 한다.
각 세포분할에 딸세포 두 개를 형성해야하며 감수분열 외에는 균등분열이 이루어져야한다.

염색체가 분열하는 그 중간의 과정은 광현미경으로 쉽게 구별할 수 없다. 왜냐하면 염색체는 세포핵에서 DNA의 길고 얇고 엉킨 실을 길게 뻗고 있기 때문이다. 우리는 이 확장된 상태의 염색체를 상간염색체라고 부른다. 모든 진핵생물에서 발견되는 전문화된 DNA 시퀀스는 DNA 복제가 중간 단계에서 효율적으로 이루어지도록 보장한다. 한 유형의 뉴클레오티드 시퀀스는 복제 원점으로 작용하며, 여기서 DNA 복제가 시작된다. 진핵 염색체는 긴 DNA 분자가 빠르게 복제되도록 하기 위해 많은 복제 원본을 포함하고 있다. 또 다른 DNA 염기서열은 염색체의 양쪽 끝에 말단소립(텔로미어-telomere)을 형성한다. 텔로미어는 염색체 끝을 복제하는 데 필요한 반복적인 뉴클레오티드 시퀀스를 포함한다. 그들은 또한 DNA 분자의 끝을 덮어서 세포에 의해 수리가 필요한 부서진 DNA로 잘못 인식되는 것을 막는다.

나이가 들수록 텔로미어의 길이는 짧아진다. 분열을 거듭할 수록 텔로미어가 사용되고 그 길이가 짧아지기 때문이다. 노화의 일련의 과정이다.

진핵 염색체에는 또한 중복 염색체가 M 단계 동안 분리될 수 있도록 하는 세 번째 유형의 특수 DNA 염기서열도 포함되어 있다. 세포 주기의 이 단계 동안, DNA는 점점 더 작은 구조를 채택하여, 결국 고도로 압축되거나 유사 염색체를 형성한다. 이것은 중복 염색체를 눈으로 쉽게 확인할수 있는 시기라고 할 수 있다. 염색체가 응축되면 각 염색체의 복사본이 각 딸세포에 분리될 수 있도록 하는 방법으로 체세포는 쌍으로 이루어진 스핀들을 각각의 중복 염색체에 붙인다. 

진핵 염색체를 형성하기 위해 DNA에 결합하는 단백질은 전통적으로 히스톤과 비히스톤 염색체 단백질이라는 두 가지 일반 종류로 나뉜다. 히스톤은 상당한 양(각 세포에 여러 가지 다른 유형의 6천만개 이상의 분자가 존재한다)이 존재하며, 염색체의 총 질량은 DNA 자체의 질량과 거의 같다. 핵 DNA를 가진 두 종류의 단백질 복합체를 크로마틴이라고 한다.

히스톤은 1974년에 발견된 크롬틴 포장의 첫 번째와 가장 근본적인 레벨인 뉴클레오솜을 담당한다. DNA를 이루고 있는 기본적인 단백질이라고 할 수 있다. 상간핵이 매우 부드럽게 열리고 그 내용물이 전자현미경으로 검사될 때, 대부분의 크롬틴은 직경이 약 30nm인 크로마틴 섬유의 형태를 띤다. 만약 이 크로마틴이 부분적으로 펴지게 하는 치료를 받게 되면, 전자현미경에서 관찰 했을 때 실에 꿰어진 구슬의 형태로 관찰할 수 있다. 여기서 실은 DNA이며, 각각의 구슬은 뉴클레오솜 코어 입자인데, 이 입자는 히스톤에서 형성된 단백질의 핵에 감겨 있는 DNA로 구성되어 있다.

 

뉴클레오솜 코어 입자의 구조는 먼저 그 펼쳐지는 크로마틴(cromatine)에 있는 "실에 꿰어진 구슬"을 뉴클레오티드(nucleotide)라고 하는 효소로 처리하여 뉴클레오티드 사이의 인광체 결합을 절단하여 DNA를 분해한 후 결정되었다.

단기간 소화를 한 후, 코어 입자 사이에 노출된 DNA, 즉 연결 DNA만 분해되어 코어 입자가 분리된다. 개별 뉴클레오솜 코어 입자는 8개의 히스톤 단백질(히스톤 H2A, H2B, H3, H4의 각각 2개의 분자)과 이 히스톤 옥타머 주위를 감는 147개의 긴 이중 가닥 DNA 쌍으로 구성되어 있다. 이 뉴클레오솜의 중심 코어분자의 고해상도 구조는 DNA를 타이트하게 감싸고 있고 1.7바퀴의 왼쪽방향 나선을 만들며 디스크 모양의 히스톤 옥타머의 분자적 구조의 비밀을 풀면서 1997년에 그 실마리가 풀린다.

 

참고: BIO/Alberts, Essential Cell Biology 4th edition