히스톤 아세틸화와 메틸화에 의한 유전자 발현 조절

1. 히스톤 변형이란?

히스톤 변형(Histone modification)은 히스톤 단백질의 특정 아미노산 잔기에 화학적 작용기가 첨가되거나 제거되는 현상을 의미한다.

진핵생물의 DNA는 히스톤 단백질과 결합하여 뉴클레오솜(Nucleosome)을 형성하며, 여러 뉴클레오솜이 배열되어 염색질(Chromatin)을 구성한다.

염색질은 단순히 DNA를 압축하여 저장하는 구조가 아니라 유전자의 발현, DNA 복제 및 DNA 수선 과정을 조절하는 중요한 구조이다.

특히 히스톤의 아세틸화(Acetylation)와 메틸화(Methylation)는 유전자 발현 조절에 관여하는 대표적인 번역 후 변형(Post-translational modification, PTM)이다.

히스톤 변형은 DNA의 염기서열 자체를 변화시키지 않으면서 염색질의 구조와 단백질 결합 특성을 변화시킬 수 있다.

이러한 조절은 후성유전학(Epigenetics)의 중요한 연구 대상이다.

다만 모든 히스톤 변형이 세포분열을 거쳐 안정적으로 유전되는 것은 아니므로, 히스톤 변형과 후성유전적 유전을 완전히 동일한 개념으로 이해해서는 안 된다.

2. 히스톤 단백질과 뉴클레오솜의 구조

2.1 히스톤 단백질의 종류

뉴클레오솜을 구성하는 주요 히스톤 단백질은 H2A, H2B, H3, H4이다.

각 히스톤 단백질이 두 분자씩 모여 총 8개의 히스톤으로 이루어진 히스톤 팔량체(Histone octamer)를 형성한다.

히스톤 팔량체는 다음과 같이 구성된다.

• H2A : 2분자
• H2B : 2분자
• H3 : 2분자
• H4 : 2분자

히스톤 팔량체 주변에는 약 147 bp의 DNA가 약 1.7회 감겨 뉴클레오솜 핵심 입자를 형성한다.

히스톤 H1은 뉴클레오솜 사이의 연결 DNA와 결합하여 염색질의 고차 구조 형성에 관여한다.

2.2 히스톤과 DNA의 결합 원리

DNA의 인산 골격은 음전하를 띤다.

반면 히스톤에는 라이신(Lysine)과 아르지닌(Arginine)처럼 생리적 조건에서 양전하를 띠는 아미노산 잔기가 풍부하다.

따라서 DNA와 히스톤 사이에는 정전기적 인력이 작용한다.

이러한 상호작용은 DNA가 히스톤 주변에 안정적으로 결합하도록 돕는다.

히스톤의 화학적 변형은 이러한 상호작용이나 다른 단백질의 결합을 변화시켜 염색질의 기능을 조절할 수 있다.

2.3 히스톤 꼬리의 역할

히스톤 단백질에는 뉴클레오솜 바깥쪽으로 돌출된 아미노 말단 꼬리(N-terminal tail)가 존재한다.

히스톤 꼬리에는 라이신, 아르지닌, 세린, 트레오닌 등의 아미노산 잔기가 존재하며 다양한 화학적 변형이 일어날 수 있다.

대표적인 변형에는 다음과 같은 것들이 있다.

• 아세틸화(Acetylation)
• 메틸화(Methylation)
• 인산화(Phosphorylation)
• 유비퀴틴화(Ubiquitination)
• SUMO화(SUMOylation)

이러한 변형은 염색질의 구조, 전사인자의 접근성 및 DNA 관련 단백질의 모집을 조절한다.

히스톤 변형은 주로 히스톤 꼬리에서 연구되어 왔지만, 히스톤의 구형 중심부에서도 발생할 수 있다.

3. 히스톤 아세틸화의 원리

히스톤 아세틸화(Histone acetylation)는 히스톤의 라이신 잔기에 아세틸기(-COCH3)가 첨가되는 반응이다.

이 과정은 주로 히스톤 아세틸전이효소(Histone Acetyltransferase, HAT)에 의해 촉매된다.

3.1 아세틸화의 화학적 특징

라이신의 곁사슬에는 ε-아미노기가 존재한다.

생리적 조건에서 라이신의 ε-아미노기는 일반적으로 양전하를 띤다.

그러나 라이신에 아세틸기가 결합하면 ε-아미노기의 양전하가 중화된다.

그 결과 히스톤과 DNA 사이의 정전기적 상호작용이 약해질 수 있다.

이러한 변화는 뉴클레오솜 사이의 상호작용과 염색질의 압축 상태에 영향을 준다.

3.2 아세틸화와 염색질 구조 변화

히스톤의 아세틸화는 일반적으로 전사에 유리한 염색질 환경과 관련된다.

히스톤 라이신의 양전하가 중화되면 DNA와 히스톤 사이의 정전기적 인력이 감소할 수 있다.

또한 아세틸화된 히스톤은 특정 단백질의 결합 부위로 작용한다.

그 결과 염색질 재구성 복합체나 전사 관련 단백질이 모집되어 DNA의 접근성이 증가할 수 있다.

이러한 환경에서는 전사인자와 RNA 중합효소가 유전자 조절 영역에 접근하기 쉬워질 수 있다.

다만 아세틸화가 발생했다고 해서 모든 유전자가 반드시 활성화되는 것은 아니다.

유전자 발현은 아세틸화의 위치, 전사인자, 염색질 구조 및 다른 조절 기작의 영향을 함께 받는다.

4. 히스톤 아세틸화 효소의 종류와 기능

4.1 HAT의 기능

HAT는 아세틸-CoA(Acetyl-CoA)를 아세틸기 공여체로 사용하여 히스톤의 라이신 잔기에 아세틸기를 전달한다.

대표적인 HAT에는 다음과 같은 효소가 있다.

① p300/CBP

• 전사 활성화와 관련된 아세틸전이효소이다.
• 히스톤 H3의 특정 라이신 잔기를 아세틸화한다.
• 전사인자와 상호작용하여 유전자 발현을 조절한다.
• 활성 인핸서와 프로모터의 히스톤 아세틸화에 관여한다.

② GCN5/KAT2A

• 히스톤 H3의 아세틸화에 관여한다.
• SAGA 등의 전사 조절 복합체에서 작용할 수 있다.
• 전사 활성화와 염색질 조절에 기여한다.

③ TIP60/KAT5

• 히스톤 아세틸화에 관여한다.
• DNA 손상 반응과 DNA 수선 과정에도 참여한다.
• 염색질 구조 변화와 전사 조절에 관여한다.

4.2 HDAC의 기능

히스톤 탈아세틸화효소(Histone Deacetylase, HDAC)는 아세틸화된 라이신 잔기에서 아세틸기를 제거하는 효소이다.

아세틸기가 제거되면 라이신의 양전하가 회복될 수 있다.

이러한 변화는 DNA와 히스톤의 상호작용 및 염색질의 압축 상태에 영향을 줄 수 있다.

HDAC는 일반적으로 전사 억제와 관련되지만, 모든 HDAC의 작용이 유전자 발현 감소로 이어지는 것은 아니다.

일부 HDAC는 활성 유전자 영역에서도 작용하며, 전사 조절 복합체의 구성과 세포 환경에 따라 다양한 기능을 수행한다.

HDAC는 여러 계열로 분류되며, 대표적으로 아연 의존성 HDAC와 NAD+ 의존성 시르투인(Sirtuin) 계열이 있다.

5. 히스톤 아세틸화에 의한 전사 활성화 기작

히스톤 아세틸화가 유전자 발현을 촉진하는 대표적인 과정은 다음과 같다.

5.1 1단계: 전사인자의 결합

특정 신호에 의해 활성화된 전사인자가 DNA의 프로모터 또는 인핸서 영역에 결합한다.

전사인자는 다른 전사 조절 단백질과 상호작용하여 유전자 발현을 조절한다.

5.2 2단계: HAT의 모집

전사인자가 p300/CBP와 같은 HAT를 모집할 수 있다.

HAT는 주변 뉴클레오솜의 히스톤 라이신 잔기를 아세틸화한다.

5.3 3단계: 히스톤 라이신의 양전하 중화

라이신에 아세틸기가 첨가되면 양전하가 중화된다.

이로 인해 히스톤과 DNA 또는 뉴클레오솜 사이의 상호작용이 변화할 수 있다.

5.4 4단계: 아세틸화 인식 단백질의 결합

아세틸화된 라이신은 브로모도메인(Bromodomain)을 가진 단백질에 의해 인식될 수 있다.

대표적인 브로모도메인 단백질에는 BRD4가 있다.

이러한 단백질은 전사 조절 인자나 염색질 조절 복합체를 모집하는 데 관여한다.

5.5 5단계: 전사 기구의 활성화

염색질 접근성이 증가하고 전사 관련 단백질이 모집되면 RNA 중합효소 II의 전사 개시 또는 신장이 촉진될 수 있다.

그 결과 해당 유전자의 RNA 합성이 증가할 수 있다.

즉, 히스톤 아세틸화는 정전기적 상호작용 변화와 아세틸화 인식 단백질의 모집이라는 두 가지 주요 방식으로 유전자 발현을 조절한다.

6. 히스톤 메틸화의 원리

히스톤 메틸화(Histone methylation)는 히스톤의 특정 라이신 또는 아르지닌 잔기에 메틸기(-CH3)가 첨가되는 반응이다.

히스톤 메틸화는 히스톤 메틸전이효소(Histone Methyltransferase, HMT)에 의해 촉매된다.

6.1 메틸화의 화학적 특징

히스톤 메틸전이효소는 주로 S-아데노실메티오닌(S-adenosylmethionine, SAM)을 메틸기 공여체로 이용한다.

메틸기가 전달된 후 SAM은 S-아데노실호모시스테인(S-adenosylhomocysteine, SAH)으로 전환된다.

히스톤의 라이신 잔기는 다음과 같은 메틸화 상태를 가질 수 있다.

• 단일 메틸화(Monomethylation, me1)
• 이중 메틸화(Dimethylation, me2)
• 삼중 메틸화(Trimethylation, me3)

아르지닌 잔기는 단일 메틸화 또는 이중 메틸화될 수 있으며, 이중 메틸화는 대칭형과 비대칭형으로 구분된다.

6.2 메틸화와 전하 변화

히스톤 아세틸화는 라이신의 양전하를 중화하지만, 라이신 메틸화는 일반적으로 양전하를 유지한다.

따라서 히스톤 메틸화는 아세틸화처럼 전하 중화만으로 염색질 구조를 설명하기 어렵다.

히스톤 메틸화는 주로 메틸화된 잔기를 인식하는 단백질의 결합을 변화시켜 유전자 발현을 조절한다.

특히 메틸화가 일어난 아미노산의 위치와 메틸화 정도에 따라 전사 활성화 또는 억제와 관련될 수 있다.

7. 히스톤 메틸화에 의한 유전자 발현 조절

히스톤 메틸화는 유전자 발현을 촉진하기도 하고 억제하기도 한다.

7.1 H3K4 메틸화

H3K4는 히스톤 H3의 네 번째 라이신 잔기를 의미한다.

H3K4me3는 해당 라이신에 세 개의 메틸기가 첨가된 상태이다.

H3K4me3는 일반적으로 활성 프로모터에서 풍부하게 관찰된다.

이러한 변형은 전사 관련 단백질의 결합과 활성 프로모터의 기능에 관여한다.

따라서 H3K4me3는 활성 유전자 프로모터의 대표적인 표지로 이용된다.

7.2 H3K9 메틸화

H3K9는 히스톤 H3의 아홉 번째 라이신 잔기이다.

H3K9me2와 H3K9me3는 일반적으로 전사 억제와 관련된다.

특히 H3K9me3는 이질염색질(Heterochromatin)에서 풍부하게 관찰되는 대표적인 히스톤 표지이다.

H3K9me3는 HP1(Heterochromatin Protein 1)과 같은 단백질의 결합을 촉진할 수 있다.

HP1은 염색질의 고차 구조 형성과 전사 억제에 관여한다.

7.3 H3K27 메틸화

H3K27은 히스톤 H3의 스물일곱 번째 라이신 잔기이다.

H3K27me3는 대표적인 전사 억제 관련 히스톤 표지이다.

이 변형은 주로 PRC2(Polycomb Repressive Complex 2)에 의해 형성된다.

PRC2의 촉매 소단위체인 EZH2 또는 EZH1은 H3K27의 메틸화를 촉매한다.

H3K27me3는 Polycomb 관련 단백질 복합체의 작용과 연결되어 특정 유전자의 발현 억제에 관여한다.

특히 발생과 분화 과정에서 세포의 정체성을 조절하는 유전자들의 발현 조절에 중요하다.

7.4 H3K36 메틸화

H3K36me3는 일반적으로 활발하게 전사되는 유전자의 유전자 몸체(Gene body)에서 관찰된다.

이 변형은 전사 신장 과정과 관련되며, 유전자 내부에서 부적절한 전사가 시작되는 현상을 억제하는 데 관여할 수 있다.

또한 RNA 가공 및 DNA 수선 과정과도 관련된다.

7.5 H3K79 메틸화

H3K79 메틸화는 히스톤 H3의 구형 중심부에 위치한 라이신 잔기에서 발생한다.

이 변형은 DOT1L과 같은 효소에 의해 촉매된다.

H3K79 메틸화는 전사 활성 상태와 관련되는 경우가 많으며, DNA 손상 반응과 염색질 기능에도 관여한다.

8. 히스톤 메틸화 효소와 탈메틸화 효소

8.1 히스톤 메틸전이효소

히스톤 메틸전이효소는 히스톤의 특정 아미노산 잔기에 메틸기를 첨가한다.

대표적인 효소에는 다음과 같은 것들이 있다.

① SETD1A 및 SETD1B

• H3K4 메틸화에 관여한다.
• 활성 프로모터의 히스톤 변형 조절에 기여한다.

② SUV39H1 및 SUV39H2

• H3K9 메틸화에 관여한다.
• 이질염색질 형성과 유전자 발현 억제에 기여한다.

③ EZH1 및 EZH2

• PRC2의 촉매 소단위체이다.
• H3K27 메틸화를 촉매한다.
• 발생과 세포 분화에 필요한 유전자 발현 억제에 관여한다.

④ SETD2

• H3K36의 삼중 메틸화에 관여한다.
• 전사 신장 및 유전체 안정성 유지와 관련된다.

8.2 히스톤 탈메틸화효소

히스톤 탈메틸화효소(Histone Demethylase, KDM)는 히스톤에 첨가된 메틸기를 제거한다.

대표적인 효소에는 다음과 같은 것들이 있다.

• LSD1/KDM1A : 특정 H3K4 또는 H3K9 메틸화 상태를 조절한다.
• KDM4 계열 : H3K9 및 H3K36의 메틸화 상태를 조절한다.
• KDM6A/UTX : H3K27 메틸화 제거에 관여한다.
• KDM6B/JMJD3 : H3K27 메틸화 제거에 관여한다.

이러한 효소들은 히스톤 메틸화 상태를 가역적으로 조절하여 유전자 발현의 변화에 기여한다.

9. 히스톤 아세틸화와 메틸화의 차이

구분	아세틸화	메틸화
첨가 작용기	아세틸기	메틸기
주요 대상	라이신	라이신, 아르지닌
작용기 공여체	아세틸-CoA	SAM
첨가 효소	HAT/KAT	HMT/KMT, PRMT
제거 효소	HDAC	KDM 등
라이신 전하	양전하 중화	일반적으로 양전하 유지
전사와의 관계	대체로 활성화와 관련	위치에 따라 활성화 또는 억제
주요 작용	정전기적 상호작용 변화, 단백질 모집	메틸화 인식 단백질 모집

히스톤 아세틸화는 일반적으로 전사 활성화와 관련되지만, 히스톤 메틸화는 변형이 발생한 위치와 메틸화 정도에 따라 서로 다른 기능을 수행한다.

따라서 두 변형의 차이를 이해할 때에는 단순히 유전자 발현이 증가하거나 감소한다는 결과뿐 아니라 화학적 구조와 단백질 인식 기작을 함께 고려해야 한다.

10. 히스톤 코드 가설(Histone Code Hypothesis)

히스톤 코드 가설은 히스톤에 존재하는 여러 화학적 변형의 조합이 특정한 단백질에 의해 인식되어 염색질의 기능을 조절한다는 개념이다.

예를 들어 동일한 히스톤 단백질에도 아세틸화와 메틸화가 서로 다른 위치에서 동시에 발생할 수 있다.

이러한 변형의 조합은 단일 변형만 존재할 때와 다른 기능적 결과를 나타낼 수 있다.

히스톤 변형과 관련된 단백질은 크게 세 가지로 구분할 수 있다.

10.1 Writer

Writer는 히스톤에 화학적 변형을 첨가하는 효소이다.

대표적으로 HAT와 HMT가 있다.

10.2 Eraser

Eraser는 히스톤에 존재하는 화학적 변형을 제거하는 효소이다.

대표적으로 HDAC와 KDM이 있다.

10.3 Reader

Reader는 특정 히스톤 변형을 인식하여 결합하는 단백질이다.

대표적인 인식 도메인은 다음과 같다.

• Bromodomain : 아세틸화된 라이신을 인식한다.
• Chromodomain : 특정 메틸화 라이신을 인식한다.
• PHD finger : 단백질에 따라 특정 히스톤 메틸화 상태를 인식한다.

Reader 단백질은 전사 조절 인자나 염색질 재구성 복합체를 모집하여 히스톤 변형을 기능적 변화로 연결한다.

다만 히스톤 코드는 고정된 일대일 대응 관계가 아니다.

같은 히스톤 변형이라도 세포의 종류, 염색질 환경 및 다른 변형과의 조합에 따라 서로 다른 결과를 나타낼 수 있다.

11. 히스톤 변형과 진정염색질 및 이질염색질

11.1 진정염색질(Euchromatin)

진정염색질은 상대적으로 덜 응축된 염색질 상태이다.

일반적으로 전사 관련 단백질의 접근성이 높으며, 활성 유전자가 풍부하게 분포한다.

대표적인 히스톤 표지에는 다음과 같은 것들이 있다.

• H3K4me3 : 활성 프로모터와 관련
• H3K27ac : 활성 인핸서 및 프로모터와 관련
• H3K9ac : 전사 활성화와 관련

11.2 이질염색질(Heterochromatin)

이질염색질은 상대적으로 응축된 염색질 상태이다.

일반적으로 전사 활성이 낮고 반복 DNA 서열이 풍부한 영역에서 관찰될 수 있다.

대표적인 히스톤 표지에는 다음과 같은 것들이 있다.

• H3K9me3 : 구성적 이질염색질과 관련
• H3K27me3 : Polycomb 매개 전사 억제와 관련
• H4K20me3 : 일부 억제성 염색질 영역과 관련

다만 H3K27me3가 존재하는 모든 영역을 구성적 이질염색질로 분류하는 것은 적절하지 않다.

H3K27me3는 발생 과정에서 조절되는 가역적인 전사 억제 상태와도 밀접하게 관련된다.

12. 히스톤 변형과 DNA 메틸화의 관계

히스톤 변형과 DNA 메틸화는 모두 유전자 발현을 조절하는 중요한 후성유전학적 기작이다.

DNA 메틸화는 주로 DNA의 사이토신 염기에 메틸기가 첨가되는 반응이다.

반면 히스톤 메틸화는 히스톤 단백질의 라이신 또는 아르지닌 잔기에 메틸기가 첨가되는 반응이다.

두 기작은 서로 독립적으로 작용하기도 하지만 상호작용을 통해 유전자 발현을 조절하기도 한다.

예를 들어 H3K9 메틸화와 DNA 메틸화는 일부 유전체 영역에서 서로의 형성과 유지에 영향을 줄 수 있다.

또한 DNA 메틸화에 결합하는 단백질은 히스톤 탈아세틸화효소를 포함한 전사 억제 복합체를 모집할 수 있다.

그 결과 DNA 메틸화와 히스톤 변형이 함께 작용하여 안정적인 유전자 발현 억제 상태를 형성할 수 있다.

13. 히스톤 변형과 세포 분화

다세포 생물의 체세포는 대부분 동일한 유전체를 가지고 있지만, 세포의 종류에 따라 발현되는 유전자는 서로 다르다.

예를 들어 신경세포와 근육세포는 동일한 DNA 염기서열을 가지고 있어도 서로 다른 단백질을 합성하고 다른 기능을 수행한다.

이러한 차이는 세포 특이적인 전사인자와 후성유전학적 조절 기작에 의해 형성된다.

히스톤 아세틸화와 메틸화는 특정 유전자의 활성 또는 억제 상태를 조절하여 세포의 분화와 정체성 유지에 기여한다.

특히 발생 과정에서는 H3K4me3와 H3K27me3가 동일한 유전자 조절 영역에 함께 존재하는 이가성 염색질(Bivalent chromatin) 상태가 관찰될 수 있다.

이러한 상태는 일부 발생 조절 유전자가 활성화 또는 억제 방향으로 변화할 수 있는 조절 환경과 관련된다.

따라서 히스톤 변형은 세포 분화와 발생 과정에서 유전자 발현 프로그램을 형성하는 중요한 기작이다.

14. 히스톤 변형과 암 발생

히스톤 변형은 정상적인 세포 증식과 분화에 중요하며, 관련 조절 기작의 이상은 암 발생과 관련될 수 있다.

예를 들어 특정 암에서는 히스톤 메틸전이효소 EZH2의 활성 이상이 관찰된다.

EZH2의 과도한 활성은 일부 유전자 영역에서 H3K27 메틸화의 증가와 전사 억제에 기여할 수 있다.

또한 히스톤 아세틸화와 탈아세틸화의 불균형은 세포주기 조절, 세포 분화 및 세포 사멸 관련 유전자의 발현에 영향을 줄 수 있다.

이러한 특성 때문에 히스톤 변형 효소는 항암제 연구의 중요한 표적이다.

대표적인 치료 전략에는 HDAC 억제제와 EZH2 억제제가 있다.

다만 이러한 약물은 특정 유전자 하나만 선택적으로 조절하는 것이 아니며, 다양한 단백질과 유전자 발현 경로에 영향을 줄 수 있다.

따라서 약물의 효과는 암의 종류, 분자적 특징 및 치료 환경에 따라 달라진다.

15. 결론

히스톤 아세틸화와 메틸화는 DNA 염기서열을 변화시키지 않으면서 염색질의 구조와 유전자 발현을 조절하는 대표적인 히스톤 변형이다.

히스톤 아세틸화는 라이신의 양전하를 중화하고 아세틸화 인식 단백질의 결합을 촉진하여 일반적으로 전사 활성화에 유리한 환경을 형성한다.

반면 히스톤 메틸화는 메틸화가 일어난 아미노산의 위치와 메틸화 정도에 따라 전사 활성화 또는 억제와 관련된다.

H3K4me3는 활성 프로모터, H3K9me3는 이질염색질, H3K27me3는 Polycomb 매개 전사 억제와 관련된 대표적인 히스톤 표지이다.

이러한 변형은 Writer, Eraser, Reader 단백질의 상호작용을 통해 동적으로 조절된다.

또한 히스톤 변형은 세포 분화, 발생, DNA 손상 반응 및 암 발생과 밀접하게 관련된다.

결국 히스톤 아세틸화와 메틸화는 진핵생물이 동일한 유전체를 이용하면서도 세포의 종류와 환경에 따라 서로 다른 유전자 발현 양상을 형성할 수 있도록 하는 핵심적인 분자생물학적 조절 기작이라고 할 수 있다.

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