사일런서

유전학에서 사일런서(silencer)는 억제자라고 불리는 전사 조절 인자를 결합할 수 있는 DNA 서열이다. DNA는 유전자를 포함하며 전령 RNA (mRNA)를 생산하기 위한 주형을 제공한다. 이 mRNA는 단백질로 번역된다. 억제자 단백질이 DNA의 사일런서 영역에 결합하면, RNA 중합효소는 DNA 서열을 RNA로 전사하는 것을 방해받는다. 전사가 차단되면 RNA가 단백질로 번역되는 것은 불가능하다. 따라서 사일런서는 유전자가 단백질로 발현되는 것을 방지한다.Pang B, van Weerd JH, Hamoen FL, Snyder MP. "Identification of non-coding silencer elements and their regulation of gene expression". Nature Reviews Molecular Cell Biology (2022) https://doi.org/10.1038/s41580-022-00549-9

DNA 의존성 효소인 RNA 중합효소는 뉴클레오타이드라고 불리는 DNA 서열을 3'에서 5' 방향으로 전사하며 상보적인 RNA는 5'에서 3' 방향으로 합성된다. RNA는 DNA와 유사하지만, 티민 대신 아데닌과 염기쌍을 형성하는 우라실을 포함한다. RNA에서 유전자 억제 및 발현 활동에 중요한 영역은 3' 비번역 영역이다. 이 영역은 RNA의 3' 말단에 위치하며 단백질로 번역되지 않지만 많은 조절 영역을 포함한다.

사일런서에 대해서는 아직 많이 알려져 있지 않지만, 과학자들은 더 많은 유형, 게놈 내 위치, 사일런서와 관련된 질병을 분류하기 위해 계속 연구하고 있다.Jayavelu ND, Jajodia A, Mishra A, Hawkins RD. "Candidate silencer elements for the human and mouse genomes". Nature communications11:1061 (2020) https://doi.org/10.1038/s41467-020-14853-5Pang, B., Snyder, M.P. "Systematic identification of silencers in human cells". Nat Genet 52, 254–263 (2020). https://doi.org/10.1038/s41588-020-0578-5

기능

게놈 내 위치


사일런서는 특정 유전자의 전사에 음성적인 영향을 유도하는 서열 특이적 요소이다. 사일런서 요소가 DNA에 위치할 수 있는 위치는 다양하다. 가장 일반적인 위치는 표적 유전자의 상류에서 발견되며, 유전자의 전사를 억제하는 데 도움이 된다. 이 거리는 유전자 상류 약 -20 bp에서 -2000 bp 사이로 크게 다를 수 있다. 특정 사일런서는 유전자 자체의 인트론 또는 엑손 내에 위치한 촉진유전자 하류에서 발견될 수 있다. 사일런서는 mRNA의 3' 비번역 영역 (3' UTR) 내에서도 발견되었다.

유형
현재 DNA에는 고전적 사일런서 요소와 비고전적 음성 조절 요소 (NRE)의 두 가지 주요 유형의 사일런서가 있다. 고전적 사일런서에서는 사일런서 요소에 의해 유전자가 능동적으로 억제되며, 주로 일반 전사 인자 (GTF) 조립을 방해함으로써 이루어진다. NRE는 유전자를 수동적으로 억제하며, 일반적으로 유전자 상류에 있는 다른 요소를 억제함으로써 이루어진다. NRE 중에는 특정 사일런서가 방향 의존적이라는 의미로, 결합 인자가 다른 서열에 대해 특정 방향으로 결합한다. 촉진유전자 의존적 사일런서는 위치 및 방향 의존적이지만 촉진유전자 특이적 인자도 사용해야 하므로 사일런서 요소로 이해된다. 최근에는 폴리콤 그룹 반응 요소 (PRE)가 발견되었는데, 이는 결합하는 단백질과 비코딩 전사의 존재에 따라 억제를 허용하고 억제할 수 있다.

메커니즘
섬네일|DNA 사일런서 서열 영역과 진핵 전사 기계
고전적 사일런서의 경우 신호전달 경로는 비교적 간단하다. 억제가 활성이므로 사일런서 요소는 유전자 전사에 필요한 GTF의 조립을 표적으로 한다. 이러한 사일런서 요소는 주로 유전자 상류에 위치하며 짧은 거리에서 긴 거리까지 다양할 수 있다. 장거리 사일런서의 경우 DNA가 루프를 형성하여 사일런서를 촉진유전자에 더 가깝게 가져오고 방해 DNA를 루프 밖으로 내보내는 것이 관찰되었다. 사일런서는 또한 아데닌과 티민 (AT)이 풍부하고 DNA를 풀기 쉬워 전사를 시작할 공간을 제공하는 DNA의 헬리케이스 부위를 표적으로 한다. 헬리케이스 활성이 억제되면 전사가 억제된다. 이는 인간 갑상선 자극 호르몬-β 유전자 촉진유전자에서 흔히 볼 수 있다. NRE는 Yin-Yang 1 (YY1)에 NRE가 결합할 때와 같이 촉진유전자 영역에 굴곡을 유도하여 상호작용을 차단할 수 있으며, 조절 신호 또는 촉진유전자 영역을 측면에서 감쌀 수도 있다. 사일런서 영역이 인트론 내에 위치할 때 두 가지 유형의 억제가 있을 수 있다. 첫째, 스플라이스 부위의 물리적 차단이 있을 수 있다. 둘째, RNA 가공을 억제할 DNA의 굴곡이 있을 수 있다.

엑손 또는 비번역 영역에 위치하는 경우 사일런서는 주로 고전적이거나 위치 의존적일 것이다. 그러나 이러한 사일런서는 전사 이전에 활동을 수행할 수 있다. 대부분의 사일런서는 유기체에서 구성적으로 발현되며, 사일런서를 억제하거나 인핸서 영역을 활성화함으로써만 유전자의 활성화를 허용한다. 이에 대한 가장 좋은 예는 REST 유전자에 의해 생성되는 신경 제한적 사일런서 인자 (NRSF)이다. REST 유전자는 신경 조직의 국소화에 필수적인 신경 유전자의 전사를 억제하기 위해 NRSF를 생성한다. 사일런서가 REST를 억제하면 NRSF도 억제되어 신경 유전자의 전사가 가능해진다.

인핸서와의 유사성

유전자 상류에 위치한 또 다른 조절 요소는 인핸서이다. 인핸서는 유전자 발현에서 "켜짐" 스위치 역할을 하여 특정 유전자의 촉진유전자 영역을 활성화하는 반면, 사일런서는 "꺼짐" 스위치 역할을 한다. 이 두 조절 요소는 서로 반대 작용을 하지만, 두 서열 유형 모두 촉진유전자 영역에 매우 유사한 방식으로 영향을 미친다. 사일런서가 아직 충분히 식별되고 분석되지 않았기 때문에, 인핸서에 대한 광범위한 연구는 생물학자들이 사일런서의 메커니즘을 이해하는 데 도움을 주었다. 인핸서는 사일런서가 발견되는 많은 동일한 영역에서 발견될 수 있으며, 촉진유전자 상류로 수 킬로베이스 쌍 떨어진 곳이나 유전자의 인트론 내 하류에서도 발견될 수 있다. DNA 루프 형성도 인핸서가 촉진유전자와 인핸서의 근접성을 줄이기 위해 사용하는 모델 기능이다. 인핸서는 또한 전사 인자와 함께 작용하여 발현을 시작하며, 이는 억제자와 함께 작용하는 사일런서와 유사하다.

 원핵생물과 진핵생물에서 

원핵생물


대사 조절은 진핵생물과 원핵생물에서 몇 가지 차이가 있다. 원핵생물은 유전자 발현을 조절하기 위해 세포에서 생성되는 특정 효소의 수를 변화시키는데, 이는 느린 대사 조절이다. 또한 음성 되먹임 및 다른 자리 입체성 조절과 같은 메커니즘을 통해 효소 경로를 조절하는데, 이는 빠른 대사 조절이다. 원핵생물의 유전자는 유사한 기능에 따라 오페론이라는 단위로 그룹화되며, 이는 촉진유전자와 작동유전자로 구성된다. 작동유전자는 억제자의 결합 부위이며, 따라서 진핵생물 DNA의 사일런서 영역과 동일한 기능을 한다. 억제자 단백질이 작동유전자에 결합하면 RNA 중합효소는 촉진유전자에 결합하여 오페론의 전사를 시작할 수 없다.

lac 오페론의 억제

원핵생물 E. coli의 락토스 오페론은 락토스를 분해하는 효소를 생산하는 유전자로 구성되어 있다. 이 오페론은 원핵생물 사일런서의 한 예이다. 이 오페론의 세 가지 기능 유전자는 lacZ, lacY, lacA이다. 억제자 유전자 lacI는 다른 자리 입체성 조절을 받는 억제자 단백질 LacI를 생산한다. 이 유전자들은 LacI에 결합하는 효과인자 분자 역할을 하는 세포 내 락토스의 존재에 의해 활성화된다. 억제자가 락토스에 결합하면 작동유전자에 결합하지 않아 RNA 중합효소가 촉진유전자에 결합하여 오페론의 전사를 시작할 수 있다. 억제자의 다른 자리 입체성 부위가 락토스에 결합하지 않으면, 활성 부위가 작동유전자에 결합하여 RNA 중합효소가 lac 오페론의 유전자를 전사하는 것을 방지한다.

진핵생물

진핵생물은 게놈이 훨씬 크기 때문에 원핵생물과 다른 유전자 조절 방법을 가지고 있다. 진핵생물 유기체의 모든 세포는 동일한 DNA를 가지고 있지만, 유전적 전능성이라는 현상을 통해 차등 유전자 발현을 통해 특수화된다. 그러나 세포가 적절한 기능을 위한 유전자를 발현하기 위해서는 유전자가 올바른 특성을 발현하도록 면밀하게 조절되어야 한다. 진핵생물의 유전자는 전사 조절, 전사 후 조절, 번역 조절, 번역 후 조절 수준에서 조절된다. 전사 수준에서 유전자 발현은 전사 속도를 변경함으로써 조절된다. 단백질을 암호화하는 유전자에는 폴리펩타이드를 암호화하는 엑손, 단백질 번역 전에 mRNA에서 제거되는 인트론, RNA 중합효소가 결합하는 전사 시작 부위, 그리고 촉진유전자가 포함된다.


TATA 상자의 억제

진핵생물 유전자는 상류 촉진유전자와 기초 촉진유전자라고도 불리는 핵심 촉진유전자를 포함한다. 일반적인 기초 촉진유전자는 TATA 상자로 알려진 TATAAAAAA 서열이다. TATA 상자는 TATA 상자에 결합하는 TATA 결합 단백질 (TBP)을 포함하는 전사 인자 II D (TFIID)와 TBP에 결합하는 13개의 다른 단백질을 포함하는 여러 다른 단백질과 복합체를 이룬다. TATA 상자 결합 단백질에는 DNA와 RNA 중합효소 모두에 결합하는 전사 인자 II B (TFIIB)도 포함된다.

진핵생물의 사일런서는 mRNA가 전사되지 않는 전사 수준에서 유전자 발현을 조절한다. 이러한 DNA 서열은 서열에 결합하는 전사 인자에 따라 사일런서 또는 인핸서 역할을 할 수 있으며, 이 서열의 결합은 TATA 상자와 같은 촉진유전자가 RNA 중합효소에 결합하는 것을 방지한다. 억제자 단백질은 DNA 서열에 결합하는 영역과 유전자의 촉진유전자에 조립된 전사 인자에 결합하는 영역을 가질 수 있으며, 이는 염색체 루프 형성 메커니즘을 생성할 수 있다. 루프는 사일런서를 촉진유전자와 가깝게 가져와 최적의 유전자 발현에 필요한 단백질 그룹이 함께 작동하도록 보장한다.


변이된 사일런서, 유전 질환 및 그 영향
유기체의 뉴클레오타이드 서열이 변경될 때 유전적 돌연변이가 발생한다. 이러한 돌연변이는 개체에서 관찰 가능한 표현형적 영향뿐만 아니라 표현형적으로 감지할 수 없는 변경으로 이어진다. 이러한 돌연변이의 원인은 복제 중 오류, 자발적 돌연변이, 화학적 및 물리적 돌연변이원 (UV 및 이온화 방사선, 열)일 수 있다. 게놈에 암호화된 사일런서는 이러한 변경에 취약하며, 많은 경우 심각한 표현형적 및 기능적 이상으로 이어질 수 있다. 일반적으로 사일런서 요소 또는 영역의 돌연변이는 사일런서 작용의 억제 또는 필요한 유전자의 지속적인 억제로 이어질 수 있다. 이는 원치 않는 표현형의 발현 또는 억제로 이어져 유기체의 특정 시스템의 정상적인 기능에 영향을 미칠 수 있다. 많은 사일런서 요소와 단백질 중에서 REST/NSRF는 발달의 신경학적 측면뿐만 아니라 다양한 영향을 미치는 중요한 사일런서 인자이다. 실제로 많은 경우 REST/NSRF는 RE-1/NRSE와 함께 작용하여 비신경 세포를 억제하고 영향을 미친다. 그 영향은 개구리 (Xenopus laevis)에서 인간에 이르기까지 표현형 및 발달에 수많은 영향을 미친다. Xenopus laevis에서 REST/NRSF 오작동 또는 손상은 발달 중 비정상적인 외배엽 패턴 형성 및 신경관, 뇌신경절, 눈 발달에 심각한 결과와 관련이 있다. 인간에서 REST/NSRF 사일런서 요소 결핍은 BDNF 전사 감소로 인해 헌팅턴병과 관련이 있다.

또한, 진행 중인 연구에 따르면 NRSE는 ANP 유전자의 조절에 관여하며, ANP 유전자가 과발현되면 심실 비대로 이어질 수 있다. 폴리콤 그룹 (PcG) 복합체의 돌연변이도 유기체의 생리 시스템에서 상당한 변화를 보였다. 따라서 사일런서 요소와 서열의 변형은 파괴적이거나 눈에 띄지 않는 변화를 초래할 수 있다.


Xenopus laevis의 REST/NRSF
RE1/NRSE와 REST/NRSF의 영향은 신경 유전자의 억제 또는 침묵을 필요로 하는 비신경 세포에서 중요하다. 이러한 사일런서 요소는 신경 특이적 단백질을 유도하지 않는 유전자의 발현도 조절하며, 연구는 이들 인자가 세포 과정에 미치는 광범위한 영향을 보여주었다. Xenopus laevis에서 RE1/NRSE와 REST/NRSF의 기능 장애 또는 돌연변이는 신경관, 뇌신경절, 눈 발달에 상당한 영향을 미쳤다. 이 모든 변화는 Xenopus 발달 중 외배엽의 부적절한 패턴 형성으로 거슬러 올라갈 수 있다. 따라서 침묵 영역 RE1/NRSE 또는 사일런서 REST/NRSF 인자의 돌연변이 또는 변경은 신경 상피 영역의 적절한 분화 및 특수화를 방해하고 피부 또는 외배엽 형성을 방해할 수 있다. 이들 인자의 부족은 뼈 형성 단백질 (BMP) 생산 감소로 이어지며, 이는 신경능선의 불충분한 발달을 의미한다. 따라서 NRSE와 NRSF의 영향은 발달 중인 배아의 신경 발생 및 외배엽 패턴 형성의 초기 단계에 근본적으로 중요하다. 궁극적으로 이들 인자의 부적절한 기능은 Xenopus에서 비정상적인 신경관, 뇌신경절 및 눈 발달로 이어질 수 있다.

REST/NSRF와 헌팅턴병

헌팅턴병 (HD)은 유전성 신경퇴행성 질환으로, 개체의 중년기에 증상이 나타난다. 이 진행성 질환의 가장 눈에 띄는 증상은 인지 및 운동 장애, 행동 변화이다. 이러한 장애는 치매, 무도병으로 발전하고 결국 사망에 이를 수 있다. 분자 수준에서 HD는 헌팅틴 단백질 (Htt)의 돌연변이로 인해 발생한다. 더 구체적으로, 유전자의 5' 말단 근처에서 CAG 서열의 비정상적인 반복이 발생하며, 이는 단백질에서 독성 폴리글루타민 (polyQ) 구간의 발달로 이어진다. 변이된 Htt 단백질은 REST/NRSF의 작용을 억제함으로써 개체의 적절한 신경 기능에 영향을 미친다.

REST/NRSF는 조절 영역에 결합하여 신경 기능에 관련된 특정 단백질의 발현을 제어하는 중요한 사일런서 요소이다. 헌팅틴의 기계적 작용은 아직 완전히 이해되지 않았지만, HD 발병에서 Htt와 REST/NRSF 사이의 상관관계가 존재한다. 변이된 헌팅틴 단백질은 REST/NRSF에 부착하여 사일런서 요소의 작용을 억제하고 세포질에 붙잡아 둔다. 따라서 REST/NRSF는 핵으로 들어가지 못하고 21개 염기쌍 RE-1/NRSE 조절 요소에 결합할 수 없다. 많은 표적 유전자들이 신경 수용체, 신경전달물질, 시냅스 소포 단백질 및 채널 단백질의 적절한 발달에 관여하기 때문에 특정 표적 유전자의 적절한 억제는 근본적으로 중요하다. 이러한 단백질의 적절한 발달 부족은 헌팅턴병에서 보이는 신경 기능 장애를 유발할 수 있다. 비활성 REST/NRSF로 인한 억제 부족 외에도, 변이된 헌팅틴 단백질은 뇌유래신경영양인자 (BDNF) 유전자의 전사를 감소시킬 수도 있다. BDNF는 중추 신경계뿐만 아니라 말초 신경계에서도 뉴런의 생존과 발달에 영향을 미친다. 이러한 비정상적인 억제는 BDNF 촉진유전자 영역 내의 RE1/NRSE 영역이 REST/NRSF의 결합에 의해 활성화될 때 발생하며, 이는 BDNF 유전자의 전사 부족으로 이어진다. 따라서 BDNF 단백질의 비정상적인 억제는 헌팅턴병에 상당한 영향을 미친다.

포유류에서 REST/NRSF와 심실 비대에 대한 현재 연구

REST/NRSF는 RE1/NRSE와 함께 신경계 외부에서도 조절자 및 억제자로 작용한다. 현재 연구는 RE1/NRSE 활동과 심방 나트륨이뇨 펩타이드 (ANP) 유전자 발현 조절을 연결하고 있다. NRSE 조절 영역은 ANP 유전자의 3' 비번역 영역에 존재하며 적절한 발현의 매개체 역할을 한다. ANP 유전자에 의해 암호화되는 단백질은 배아 발달 중 심장 심근세포의 성숙 및 발달에 중요하다. 그러나 유아기 및 성인기 내내 ANP 발현은 심실에서 억제되거나 최소한으로 유지된다. 따라서 ANP 유전자의 비정상적인 유도는 심실 비대 및 심각한 심장 결과를 초래할 수 있다. 유전자의 억제를 유지하기 위해 NRSF (신경 제한적 사일런서 인자) 또는 REST는 ANP 유전자의 3' 비번역 영역에 있는 NRSE 영역에 결합한다. 또한 NRSF-NRSE 복합체는 mSin3이라는 전사 보조 억제자를 모집한다. 이는 해당 영역에서 히스톤 탈아세틸화효소의 활동과 유전자의 억제로 이어진다. 따라서 연구는 심실 심근세포에서 ANP 유전자 발현을 조절하는 REST/NRSF와 RE1/NRSE 사이의 상관관계를 밝혔다. NRSF 또는 NRSE 중 하나의 돌연변이는 억제 부족으로 인해 심실 심근세포의 원치 않는 발달로 이어질 수 있으며, 이는 심실 비대를 유발할 수 있다. 예를 들어, 좌심실 비대는 심실 질량 증가로 인한 심실 부정맥으로 인한 급사를 개인이 경험할 가능성을 증가시킨다. ANP 유전자에 대한 영향 외에도 NRSE 서열은 뇌 나트륨이뇨 펩타이드 BNP, 골격 α-액틴, Na, K – ATPase α3 서브유닛과 같은 다른 심장 배아 유전자를 조절한다. 따라서 포유류에서 NRSE와 NRSF의 조절 활동은 신경 기능 장애뿐만 아니라 신체의 다른 비신경 영역에서 생리적 및 표현형적 이상도 방지한다.

섬네일|급성 림프모구 백혈병 환자의 골수

 폴리콤 그룹 반응 요소 (PRE)의 돌연변이 

폴리콤 그룹 (PcG) 조절 복합체는 줄기세포의 후성유전학적 조절, 특히 조혈 줄기세포 조절에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 폴리콤 억제 복합체 1 (PRC 1)은 조혈 과정에 직접적으로 관여하며, 예를 들어 PcG 유전자 "Bmi1"과 함께 기능한다. 쥐를 대상으로 한 연구에 따르면 "Bmi1"에 돌연변이가 있는 유기체는 미토콘드리아 기능 결함을 보였으며, 조혈 세포의 자가 재생 능력도 저해되었다. 마찬가지로 PRC2 유전자의 돌연변이는 백혈병의 한 형태인 급성 림프모구 백혈병 (ALL)과 같은 혈액학적 질환과 관련이 있었다. 따라서 폴리콤 그룹 유전자와 단백질은 체내 조혈의 적절한 유지에 관여한다.

 각주 

 외부 링크 


분류:유전자 발현