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다윈은 골턴의 실험의 타당성에 이의를 제기했으며, 네이처(Nature)에 발표된 기사에서 다음과 같이 이유를 밝혔다.
골턴의 실험 결과가 유포된 후, 범생설에 대한 인식은 곧바로 심각한 회의론으로, 심지어는 완전한 불신으로 바뀌었다.
바이스만.
아우구스트 바이스만의 아이디어는 1892년 저서 『생식질: 유전 이론』(Das Keimplasma: eine Theorie der Vererbung)에 제시되었는데, 유전 물질(그는 이를 생식질이라고 불렀다)과 신체의 나머지 부분(체세포)은 일방적인 관계를 가지고 있다는 것이었다. 즉, 생식질이 신체를 형성하지만, 신체는 생식질에 영향을 미치지 않는다. 자연 선택에 따라 집단에 참여하는 간접적인 경우를 제외하고는. 이 구분은 일반적으로 바이스만 장벽이라고 불린다. 만약 이것이 맞다면 다윈의 범생설은 틀렸고 라마르크 유전은 불가능하다는 것이 된다. 그의 쥐 실험, 즉 쥐의 꼬리를 자르고 여러 세대에 걸쳐 자손의 꼬리가 정상임을 보여주는 실험은 라마르크 유전의 비존재에 대한 증거로 제시되었지만, 피터 고티에는 바이스만 실험이 부상이 생식질에 영향을 미치지 않는다는 것만을 보여주었으며 라마르크적 사용 및 불용의 효과를 테스트하지 못했다고 주장했다. 바이스만은 다윈주의를 강력하고 독단적으로 옹호하고 신라마르크주의에 반대하여 다른 과학자들 사이에서 의견을 양극화시켰다. 이것은 반다윈주의 감정을 증가시켜 다윈주의의 일식에 기여했다.
범생설 이후.
다윈의 범생설 이론은 부모가 평생 동안 획득한 형질을 물려줄 수 있다는 용불용설적 전제 때문에 광범위하게 비판받았다. 반대로, 당시의 신라마르크주의자들은 범생설을 그들의 주장을 지지하는 증거로 삼았다. 이탈리아 식물학자 페데리코 델피노가 젬뉼의 자가 분열 능력이 그들의 본질적인 특성과 모순된다는 주장은 상당한 설득력을 얻었지만, 다윈은 이 비판을 일축하며 천연두와 성홍열의 입자성 병원균도 그러한 특성을 가지고 있는 것 같다고 언급했다. 라마르크주의는 아우구스트 바이스만의 1880년대 연구가 사용(예: 근육량을 늘리기 위해 역기를 드는 것) 및 불용(예: 게으름을 피우고 약해지는 것)으로 인한 변화가 유전되지 않는다는 것을 보여주면서 인기가 떨어졌다. 그러나 일부 과학자들은 골턴과 바이스만의 결과에도 불구하고 계속해서 지지 의견을 표명했다. 특히 1900년 칼 피어슨은 범생설이 "'혈액에서 젬뉼이 발견되지 않았다'는 진술에 의해 반증되지 않는 것은 원자설이 공기 중에서 원자가 발견되지 않았다는 사실에 의해 반증되지 않는 것과 같다"고 썼다. 마침내 1900년 멘델의 유전법칙 재발견으로 범생설은 완전히 폐기되었다. 줄리언 헉슬리는 이후 염색체 발견과 T. H. 모건의 연구 또한 범생설을 유지 불가능하게 만들었다고 언급했다.
다윈의 범생설 원리 중 일부는 표현형적 가소성의 유전적 측면과 관련이 있지만, 젬뉼이 독특한 유기 입자라는 주장은 단호하게 거부되었다. 그러나 1950년대부터 많은 연구 그룹들이 골턴의 실험을 다시 검토하면서 DNA 주입이나 수혈 후 토끼와 닭에서 유전적 특성이 실제로 발생할 수 있음을 발견했다. 이 유형의 연구는 1940년대 후반 소련에서 소피코프 등의 연구에서 시작되었고, 소련 과학자들이 더 발전시키는 동안 스위스 연구자들에 의해 나중에 입증되었다. 특히 이 연구는 트로핌 리센코의 사상과 일치했기 때문에 소련에서 지지를 받았다. 리센코는 리센코주의의 일부로 신라마르크주의 버전을 옹호했다. 획득형질의 유전성에 대한 추가 연구는 부분적으로 현대 후성유전학 분야로 발전했다. 다윈 자신도 "자유로운 젬뉼의 존재는 불필요한 가정"이라고 언급했다. 현대적 해석에 따르면, 젬뉼은 분자 수준에서 비멘델식으로 유전되는 DNA, RNA, 단백질, 프리온 및 기타 이동성 요소의 예지적인 혼합으로 간주될 수 있다. 류는 젬뉼이 몸 밖에서 복제된다는 다윈의 아이디어가 예를 들어 PCR에서 사용되는 시험관 내 유전자 복제를 예측한다고 지적한다.
복제 기점(複製起點, origin of replication)은 유전체에서 복제가 시작되는 특정 서열이다. 세대 간 유전 물질의 전파는 각 딸세포가 염색체를 온전히 받도록 세포 분열 전에 반보존적 복제에 의한 DNA의 적시적이고 정확한 복제를 필요로 한다. 이는 원핵생물 및 진핵생물과 같은 살아있는 생물에서의 DNA 복제 또는 이중 가닥 RNA 바이러스와 같은 DNA 바이러스 또는 RNA 바이러스에서의 DNA 또는 RNA 복제를 포함할 수 있다. 딸 가닥의 합성은 복제 기점이라 불리는 이산적인 부위에서 시작되며, 모든 유전체 DNA가 복제될 때까지 양방향으로 진행된다. 이러한 사건들의 근본적인 특성에도 불구하고, 유기체는 복제 개시를 조절하는 놀랍도록 다양한 전략들을 진화시켜왔다. 특정 복제 기점 조직 구조 및 인식은 종마다 다르지만, 몇 가지 공통적인 특징은 공유된다.
DNA 복제의 주요 전제 조건은 유전적 변이의 축적을 방지하기 위해 세포 주기당 단 한 번, 매우 높은 충실도와 효율성으로 발생해야 한다는 것이다. 이는 세포 생존 및 개체의 생존력에 잠재적으로 해로운 결과를 초래할 수 있다. 불완전하거나, 오류가 있거나, 시기 부적절한 DNA 복제 사건은 돌연변이, 염색체 배수성 또는 이수성, 유전자 복제 수 변이를 일으킬 수 있으며, 이들 각각은 다시 암을 포함한 질병으로 이어질 수 있다. 전체 유전체의 완전하고 정확한 복제와 자손 세포로의 유전 정보의 올바른 흐름을 보장하기 위해, 모든 DNA 복제 사건은 세포 주기 신호와 밀접하게 조절될 뿐만 아니라 전사 및 DNA 수선과 같은 다른 세포 사건들과도 조율된다. 또한, 아데닌과 티민의 반복은 구아닌과 사이토신의 염기 쌓임 상호작용만큼 강하지 않기 때문에 분리하기가 더 쉬워서 모든 계통에서 기점 서열은 일반적으로 높은 AT 함량을 가진다.
DNA 복제는 여러 단계로 나뉜다. 개시 동안, 복제소라 불리는 복제 기구는 DNA 위에 양방향으로 조립된다. 이 조립 위치는 DNA 복제의 시작 부위 또는 복제 기점을 구성한다. 연장 단계에서, 복제소는 복제 포크와 함께 반대 방향으로 이동하며, DNA 나선을 풀고 부모 가닥을 주형으로 사용하여 상보적인 딸 DNA 가닥을 합성한다. 복제가 완료되면, 특정 종결 사건은 복제소의 해체를 유도한다. 세포 분열 전에 전체 유전체가 복제되는 한, 복제 시작 부위의 위치는 중요하지 않다고 생각할 수 있지만, 많은 유기체는 선호하는 유전체 영역을 기점으로 사용한다는 것이 밝혀졌다. 기점 위치를 조절할 필요성은 DNA 가닥 절단 및 DNA 손상을 피하기 위해 공유된 염색질 주형에 작용하는 다른 과정들과 DNA 복제를 조율해야 하는 필요성에서 발생할 가능성이 높다.
레플리콘 모델.
50년도 더 전에 프랑수아 자코브, 시드니 브레너, 그리고 쿠진은 대장균의 염색체 DNA 합성 조절을 설명하기 위해 레플리콘 가설을 제안했다. 이 모델은 확산성 전사작용 인자인 개시자가 시스작용 DNA 요소인 복제자와 상호작용하여 근처 기점에서의 복제 개시를 촉진한다고 가정한다. 복제자에 결합하면 개시자(종종 공동 로더 단백질의 도움을 받음)는 헬리케이스를 DNA에 로딩하고, 이는 추가 복제소 구성 요소의 모집과 전체 복제 기구의 조립을 유도한다. 따라서 복제자는 복제 개시 사건의 위치를 지정하고, 단일 기점 또는 개시 사건에서 복제되는 염색체 영역은 레플리콘으로 정의된다.
레플리콘 가설의 근본적인 특징은 DNA 복제 개시를 조절하기 위해 양성 조절에 의존한다는 점이며, 이는 세균 및 파지 시스템의 많은 실험적 관찰을 설명할 수 있다. 예를 들어, 숙주 세포에 도입될 때 기점 없는 염색체 외 DNA가 복제되지 않는 현상을 설명한다. 또한 대장균에서 특정 플라스미드가 동일한 분자 개시 기구에 대한 경쟁으로 인해 서로의 유전을 불안정하게 만드는 플라스미드 비호환성을 합리화한다. 대조적으로 음성 조절 모델(전사에 대한 레플리콘-작동자 모델과 유사)은 위에서 언급한 결과를 설명하지 못한다. 그럼에도 불구하고, 자코브, 브레너, 쿠진의 레플리콘 모델 제안 이후의 연구는 세균 및 진핵생물에서 양성 및 음성 조절 요소를 모두 포함하는 복제 조절의 많은 추가 층을 발견했으며, 이는 DNA 복제를 시간적, 공간적으로 제한하는 복잡성과 중요성을 강조한다.
유전적 실체로서의 복제자 개념은 원핵생물에서 복제자 DNA 서열 및 개시자 단백질을 식별하는 데 매우 유용하다는 것이 입증되었으며, 생명의 영역 간에 복제자의 조직 및 복잡성이 상당히 다르기는 하지만 진핵생물에서도 어느 정도 마찬가지이다. 세균 유전체는 일반적으로 합의된 DNA 서열 요소에 의해 지정되며 전체 염색체의 복제를 제어하는 단일 복제자를 포함하는 반면, 출아 효모를 제외한 대부분의 진핵 복제자는 DNA 서열 수준에서 정의되지 않는다. 대신, 국부적인 DNA 구조 및 염색질 신호에 의해 조합적으로 지정되는 것으로 보인다. 진핵생물 염색체는 세균 염색체보다 훨씬 커서, 전체 유전체의 적시 복제를 보장하기 위해 많은 기점에서 동시에 DNA 합성을 시작해야 한다. 또한, 주어진 세포 주기에서 복제를 시작하기 위해 활성화되는 것보다 훨씬 많은 복제 헬리케이스가 로딩된다. 복제자의 맥락 중심 정의와 기점 선택은 DNA 복제 프로그램의 유연성을 허용하는 진핵 시스템의 완화된 레플리콘 모델을 시사한다. 복제자와 기점은 염색체상에서 물리적으로 떨어져 있을 수 있지만, 종종 공동으로 위치하거나 밀접하게 인접해 있다. 따라서 간단히 이 검토에서는 두 요소를 '기점'으로 지칭한다. 종합적으로, 다양한 유기체에서 기점 서열의 발견 및 분리는 복제 개시의 기계론적 이해를 얻는 데 중요한 이정표가 된다. 또한, 이러한 성과는 세균, 효모 및 포유류 세포에서 증식할 수 있는 셔틀 벡터 개발에 심오한 생명공학적 함의를 가졌다.
대부분의 세균 염색체는 원형이며 단일 염색체 복제 기점(oriC)을 포함한다. 세균의 oriC 영역은 크기(250 bp에서 2 kbp까지), 서열, 조직이 놀랍도록 다양하지만, 일반적으로 복제 개시를 유도하는 능력은 세균 개시자, 즉 DnaA라는 단백질에 의한 합의 DNA 요소의 서열 특이적 판독에 의존한다. 세균의 기점은 연속적이거나 이분적이며, 기점 활성을 조절하는 세 가지 기능적 요소, 즉 DnaA에 의해 특이적으로 인식되는 보존된 DNA 반복 서열(DnaA-box라 불림), AT가 풍부한 DNA 풀림 요소 (DUE), 그리고 복제 개시를 조절하는 데 도움이 되는 단백질의 결합 부위를 포함한다. DnaA의 이중 가닥(ds) DnaA-box 영역과 DUE의 단일 가닥(ss) DNA 모두와의 상호작용은 기점 활성화에 중요하며, 개시자 단백질의 서로 다른 도메인에 의해 매개된다. 각각 헬릭스-턴-헬릭스 (HTH) DNA 결합 요소와 다양한 세포 활동과 관련된 AAA+ 도메인이다. 세균 왕국 전반에 걸쳐 기점 관련 DnaA-box의 서열, 수, 배열은 다양하지만, 주어진 종에서의 특정 위치와 간격은 oriC 기능과 생산적인 개시 복합체 형성에 중요하다.
세균 중 대장균은 복제 기점의 조직, 인식 및 활성화 메커니즘을 연구하는 데 특히 강력한 모델 시스템이다. 대장균 oriC는 DnaA에 대한 친화성과 보조 인자 ATP에 대한 의존성이 다른 네 가지 유형의 개시자 결합 요소를 포함하는 약 ~260 bp 영역으로 구성된다. DnaA-box R1, R2, R4는 개시자의 뉴클레오타이드 결합 상태와 관계없이 DnaA의 HTH 도메인에 의해 결합되는 고친화성 부위를 구성한다. 대조적으로 R-부위 사이에 산재된 I, τ, C-부위는 저친화성 DnaA-box이며 ATP 결합 DnaA와 우선적으로 결합하지만, 특정 조건에서는 ADP-DnaA가 ATP-DnaA를 대체할 수 있다. HTH 도메인이 고친화성 및 저친화성 DnaA 인식 요소에 결합하면 ATP 의존적인 DnaA의 AAA+ 모듈의 고차 올리고머화가 촉진되어 DNA를 외부 표면에 감싸는 오른손잡이 필라멘트를 형성하고, 이로 인해 인접한 AT-풍부 DUE의 용융을 용이하게 하는 초나선 비틀림이 생성된다. DNA 가닥 분리는 근위 DUE 영역에 있는 삼중 반복 서열인 DnaA-삼합체와 DnaA의 AAA+ ATP가수분해효소 도메인과의 직접적인 상호작용에 의해 추가적으로 도움을 받는다. 개시자 필라멘트에 의한 단일 가닥 삼뉴클레오타이드 세그먼트의 결합은 DNA를 늘이고 재결합을 방지함으로써 개시 거품을 안정화시킨다. DnaA-삼합체 기점 요소는 많은 세균 종에서 보존되어 있어 기점 기능에 중요한 요소임을 나타낸다. 용융 후, DUE는 대장균 복제 헬리케이스 DnaB의 진입 부위를 제공하며, 이 DnaB는 로더 단백질 DnaC에 의해 각 단일 DNA 가닥에 로딩된다.
DnaA의 다양한 DNA 결합 활성은 생화학적으로 광범위하게 연구되었고 다양한 아포, ssDNA- 또는 dsDNA-결합 구조가 결정되었지만, 고차 DnaA-oriC 개시 어셈블리의 정확한 구조는 여전히 불분명하다. 필수 기점 요소의 조직과 DnaA 매개 oriC 용융을 설명하기 위해 두 가지 모델이 제안되었다. 2상 모델은 이중 가닥 DNA 결합 모드(조직화 복합체)에서 DUE의 단일 가닥 DNA 결합 모드(용융 복합체)로 전환되는 연속적인 DnaA 필라멘트를 가정한다. 대조적으로 루프백 모델에서는 DNA가 oriC에서 급격히 구부러져 개시자 필라멘트에 다시 접히므로 DnaA 단량체가 이중 및 단일 가닥 DNA 영역에 동시에 결합한다. 따라서 DnaA에 의해 oriC DNA가 정확히 어떻게 조직되는지를 밝히는 것은 향후 연구의 중요한 과제로 남아 있다. 개시 복합체 구조에 대한 통찰력은 기점 DNA가 어떻게 용융되는지뿐만 아니라, 풀린 DUE의 노출된 각 단일 DNA 가닥에 복제 헬리케이스가 어떻게 방향적으로 로딩되는지, 그리고 이러한 사건들이 개시자 및 특정 로더 단백질과의 헬리케이스 상호작용에 의해 어떻게 도움을 받는지를 설명하는 데 도움이 될 것이다.
고세균의 복제 기점은 세균의 oriC의 조직적 특징 중 일부를 공유하지만 전부는 아니다. 세균과 달리 고세균은 종종 염색체당 여러 기점(1개에서 4개 보고됨)에서 복제를 시작하지만, 고세균 기점에는 기점 기능을 조절하는 특수 서열 영역도 있다. 이러한 요소에는 DNA 서열 특이적 기점 인식 상자(ORB 또는 미니ORB)와 하나 또는 여러 ORB 영역에 의해 둘러싸인 AT가 풍부한 DUE가 모두 포함된다. ORB 요소는 수, 배열, 서열 면에서 다양한 고세균 종과 단일 종 내의 다른 기점 간에 상당한 다양성을 보인다. 개시자인 고세균의 Orc1/Cdc6는 ORB 영역에 결합하여 추가적인 복잡성을 유도한다. 고세균 유전체는 일반적으로 서로 다른 ORB 요소에 대한 친화도가 크게 다르며 기점 활성에 차등적으로 기여하는 Orc1/Cdc6의 여러 파라로그를 암호화한다. 예를 들어, 술폴로부스 솔파타리쿠스에서는 세 개의 염색체 기점(oriC1, oriC2, oriC3)이 매핑되었으며, 생화학적 연구는 이 부위에서 개시자들의 복잡한 결합 패턴을 밝혀냈다. oriC1의 동족 개시자는 여러 ORB와 결합하는 Orc1-1이다. oriC2와 oriC3은 Orc1-1과 Orc1-3 모두에 의해 결합된다. 반대로, 세 번째 파라로그인 Orc1-2는 세 기점 모두에서 풋프린트를 남기지만 복제 개시를 음성적으로 조절한다고 가정되었다. 또한, Orc1/Cdc6와 무관한 개시자인 WhiP 단백질도 모든 기점에 결합하며 밀접하게 관련된 Sulfolobus islandicus에서 oriC3의 기점 활성을 유도하는 것으로 나타났다. 고세균 기점은 종종 여러 인접한 ORB 요소를 포함하기 때문에 여러 Orc1/Cdc6 파라로그가 동시에 기점으로 모집되어 일부 경우에 올리고머화될 수 있지만, 세균 DnaA와 달리 고차 개시자 어셈블리의 형성은 고세균 영역에서 기점 기능의 일반적인 전제 조건은 아닌 것으로 보인다.
구조 연구는 고세균 Orc1/Cdc6가 ORB 요소를 인식하고 기점 DNA를 재형성하는 방법에 대한 통찰력을 제공했다. Orc1/Cdc6 파라로그는 두 개의 도메인 단백질이며, C-말단 날개-헬릭스 폴드와 융합된 AAA+ ATP가수분해효소 모듈로 구성된다. Orc1/Cdc6의 DNA 복합체 구조는 ORB 요소 내에 역방향 반복 서열이 있음에도 불구하고 ORB가 Orc1/Cdc6 단량체에 의해 결합된다는 것을 보여주었다. ATP가수분해효소 및 날개-헬릭스 영역 모두 DNA 이중체와 상호작용하지만, 역방향 ORB 반복 서열과는 비대칭적으로 접촉하여 Orc1/Cdc6를 반복 서열상에서 특정 방향으로 정렬한다. 흥미롭게도 DUE를 둘러싼 ORB 또는 미니ORB 요소는 종종 반대 극성을 가지며, 이는 Orc1/Cdc6의 AAA+ 덮개 하위 도메인과 날개-헬릭스 도메인이 DUE의 양쪽에 서로 마주 보는 방식으로 위치한다고 예측한다. Orc1/Cdc6의 두 영역 모두 미니염색체 유지(MCM) 복제 헬리케이스와 연관되어 있기 때문에, 이러한 ORB 요소와 Orc1/Cdc6의 특정 배열은 두 MCM 복합체를 DUE에 대칭적으로 로딩하는 데 중요할 가능성이 높다. 놀랍게도 ORB DNA 서열은 Orc1/Cdc6 결합의 방향성을 결정하지만, 개시자는 DNA와 상대적으로 적은 서열 특이적 접촉을 한다. 그러나 Orc1/Cdc6는 DNA를 심하게 풀고 구부리며, 이는 기점을 인식하기 위해 DNA 서열과 맥락 의존적 DNA 구조 특징의 혼합에 의존한다는 것을 시사한다. 특히, 결정 구조에서 Orc1/Cdc6 결합 시 왜곡된 DNA 이중체에서 염기쌍이 유지되는 반면, 생화학적 연구에서는 고세균 개시자가 세균 DnaA와 유사하게 DNA를 용융시킬 수 있는지에 대해 상반되는 결과가 나왔다. 고세균과 진핵 개시자 및 복제 헬리케이스의 진화적 친족 관계는 고세균 MCM이 이중 가닥 DNA에 로딩될 가능성이 높다는 것을 나타내지만(다음 섹션 참조), 고세균 시스템에서 기점 용융 및 헬리케이스 로딩의 시간적 순서와 기점 DNA 용융 메커니즘은 여전히 명확하게 확립되어야 한다. 마찬가지로 MCM 헬리케이스가 DNA에 정확히 어떻게 로딩되는지는 향후 연구에서 다루어져야 할 중요한 질문이다.
진핵생물의 기점 조직, 지정 및 활성화는 세균 또는 고세균 영역보다 더 복잡하며 원핵생물 복제 개시의 패러다임과 크게 다르다. S. cerevisiae의 12 Mbp에서 일부 식물의 100 Gbp 이상에 이르는 진핵 세포의 거대한 유전체 크기는 각 세포 주기 동안 모든 염색체의 DNA 복제를 완료하기 위해 수백 개(출아 효모)에서 수만 개(인간)의 기점에서 DNA 복제가 시작되어야 한다. S. cerevisiae 및 관련 Saccharomycotina 종을 제외하고, 진핵 기점은 합의된 DNA 서열 요소를 포함하지 않지만, 그 위치는 국부적 DNA 토폴로지, DNA 구조적 특징, 염색질 환경과 같은 맥락적 신호에 의해 영향을 받는다.
진핵생물의 기점 기능은 세포 주기의 후기 M 및 G1기 동안 복제 헬리케이스를 DNA에 로딩하는 데 보존된 개시자 단백질 복합체에 의존한다. 이 단계는 기점 허가로 알려져 있다. 세균의 헬리케이스와 대조적으로 진핵생물의 복제 헬리케이스는 비활성 이중 육량체 형태로 기점 이중 가닥 DNA에 로딩되며, 그 중 일부(포유류 세포에서는 10-20%)만이 주어진 S기 동안 활성화되는데, 이 사건들을 기점 발사라고 한다.
따라서 활성 진핵 기점의 위치는 적어도 두 가지 다른 수준에서 결정된다. 모든 잠재적 기점을 표시하기 위한 기점 허가와 복제 기구의 조립 및 DNA 합성 개시를 허용하는 부분 집합을 선택하기 위한 기점 발사이다. 추가적으로 허가된 기점은 백업 역할을 하며, 근처 복제 포크의 속도 저하 또는 정체 시에만 활성화되어 세포가 복제 스트레스를 겪을 때 DNA 복제가 완료될 수 있도록 보장한다. 스트레스가 없을 때, 추가 기점의 발사는 복제 관련 신호 전달 메커니즘에 의해 억제된다. 종합적으로, 허가된 기점의 과잉과 기점 허가 및 발사의 엄격한 세포 주기 제어는 과소복제 및 과다복제를 방지하고 진핵 유전체의 무결성을 유지하기 위한 두 가지 중요한 전략을 구현한다.
S. cerevisiae에 대한 초기 연구는 진핵생물의 복제 기점이 원핵생물과 유사하게 DNA 서열 특이적 방식으로 인식될 수 있음을 나타냈다. 출아 효모에서 유전적 복제자를 찾은 결과, 염색체 외 DNA의 효율적인 DNA 복제 개시를 지원하는 자율 복제 서열(ARS)이 확인되었다. 이 ARS 영역은 길이가 약 100-200 bp이며, A, B1, B2 및 때로는 B3 요소들을 포함하는 다분할 조직을 보여주는데, 이들 요소들은 함께 기점 기능에 필수적이다. A 요소는 보존된 11 bp ARS 컨센서스 서열(ACS)을 포함하며, 이는 B1 요소와 함께 진핵 복제 개시자인 이종육량체 기점 인식 복합체 (ORC)의 주요 결합 부위를 구성한다. ORC 내에서 5개의 서브유닛은 보존된 AAA+ ATP가수분해효소 및 날개-헬릭스 폴드를 기반으로 하며, DNA를 둘러싸는 오량체 고리로 공동 조립된다. 출아 효모 ORC에서 ATP가수분해효소 및 날개-헬릭스 도메인의 DNA 결합 요소와 일부 ORC 서브유닛의 인접한 염기성 패치 영역은 ORC 고리의 중앙 구멍에 위치하여 ATP 의존적 방식으로 ACS의 DNA 서열 특이적 인식을 돕는다. 대조적으로 B2 및 B3 요소의 역할은 덜 명확하다. B2 영역은 서열상 ACS와 유사하며 특정 조건에서 두 번째 ORC 결합 부위 또는 복제 헬리케이스 코어의 결합 부위로 기능한다고 제안되었다. 반대로 B3 요소는 전사 인자 Abf1을 모집하지만, B3는 모든 출아 효모 기점에서 발견되지 않으며 Abf1 결합이 기점 기능에 엄격하게 필수적인 것으로 보이지는 않는다.
S. cerevisiae 또는 그 근연종 이외의 진핵생물에서의 기점 인식은 보존된 기점 DNA 요소의 서열 특이적 판독에 따르지 않는다. 진핵생물 종에서 일반적으로 특정 염색체 복제자 서열을 유전적으로 또는 개시자 결합 또는 복제 시작 부위의 유전체 전체 매핑을 통해 분리하려는 시도는 기점에서 명확한 합의 서열을 식별하는 데 실패했다. 따라서 출아 효모의 서열 특이적 DNA-개시자 상호작용은 진핵생물 영역 전반에 걸친 기점 지정을 위한 전형적인 모드라기보다는 이 시스템의 특화된 기점 인식 모드를 나타낸다. 그럼에도 불구하고 DNA 복제는 진핵생물 유전체 전체에 걸쳐 무작위로 분포되지 않은 이산적인 부위에서 시작되며, 이는 이러한 시스템에서 기점의 염색체 위치를 결정하는 다른 수단이 있음을 주장한다. 이러한 메커니즘에는 DNA 접근성, 뉴클레오타이드 서열 기울기(AT-풍부도와 CpG 섬 모두 기점과 관련됨), 뉴클레오솜 위치 지정, 후성유전학적 특징, DNA 토폴로지 및 특정 DNA 구조 특징(예: G4 모티프), 그리고 조절 단백질 및 전사 간섭 간의 복잡한 상호작용이 포함된다. 중요한 것은 기점 특성이 한 유기체 내의 다른 기점과 종마다 다를 뿐만 아니라, 발생 및 세포 분화 중에도 일부가 변할 수 있다는 것이다. 초파리 여포 세포의 코리온 유전자좌는 개시 사건의 공간적 및 발달적 조절의 잘 확립된 예시이다. 이 영역은 난자 형성 중 정의된 단계에서 DNA 복제 의존적 유전자 증폭을 겪으며, 코리온 기점의 적시적이고 특이적인 활성화에 의존하는데, 이는 다시 기점 특이적 시스 요소와 Myb 복합체, E2F1, E2F2를 포함한 여러 단백질 인자에 의해 조절된다. 후생동물 기점의 이러한 조합적 지정 및 다인성 조절은 진핵생물 전체에 걸쳐 복제 시작 부위의 위치를 결정하는 통합적 특징을 식별하는 것을 복잡하게 만들었다.
복제 개시 및 기점 인식을 용이하게 하기 위해 다양한 종의 ORC 어셈블리는 개시자가 염색체 기점 또는 일반적으로 염색체에 표적화되는 것을 돕는다고 여겨지는 특수 보조 도메인을 진화시켰다. 예를 들어, S. pombe ORC의 ORC4 서브유닛은 AT가 풍부한 DNA에 우선적으로 결합하는 여러 AT-hook을 포함하는 반면, 후생동물(동물) ORC에서는 ORC6의 TFIIB 유사 도메인이 유사한 기능을 수행한다고 여겨진다. 후생동물 ORC1 단백질은 또한 H4K20me2-뉴클레오솜과 상호작용하는 브로모-인접 상동성(BAH) 도메인을 가지고 있다. 특히 포유류 세포에서 H4K20 메틸화는 효율적인 복제 개시에 필요하다고 보고되었으며, Orc1의 BAH 도메인은 염색체 및 엡스타인-바 바이러스 기점 의존적 복제와 ORC의 연관을 촉진한다. 따라서 두 관찰이 적어도 후생동물의 일부에서 기계적으로 연결되어 있다고 추측하는 것은 흥미롭지만, 이 가능성은 향후 연구에서 더 탐구되어야 한다. 특정 DNA 또는 후성유전학적 특징의 인식 외에도 ORC는 LRWD1, PHIP (또는 DCAF14), HMGA1a 등을 포함하여 개시자 모집을 돕는 여러 파트너 단백질과 직간접적으로 연관된다. 흥미롭게도 초파리 ORC는 출아 효모 ORC와 마찬가지로 DNA를 구부리며, 음성 초나선이 이 복합체의 DNA 결합을 강화한다고 보고되어 DNA 형태와 유연성이 후생동물 유전체 전체에 걸쳐 ORC 결합 부위의 위치에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. ORC의 DNA 결합 영역이 S. cerevisiae에서와 같이 특정 DNA 서열 대신 후생동물의 DNA 이중체 구조적 특성을 어떻게 판독하는지에 대한 분자적 이해는 DNA에 결합된 후생동물 개시자 어셈블리의 고해상도 구조 정보가 있을 때까지 기다려야 한다. 마찬가지로, 후생동물 시스템에서 다양한 후성유전학적 요인이 개시자 모집에 어떻게 기여하는지는 잘 정의되어 있지 않으며, 더 자세히 다루어야 할 중요한 질문이다.
기점으로 모집되면 ORC와 그 보조 인자인 Cdc6 및 Cdt1은 미니염색체 유지 2-7 (Mcm2-7) 복합체를 DNA에 배치하는 과정을 주도한다. 고세균 복제 헬리케이스 코어처럼 Mcm2-7은 기점을 허가하기 위해 머리-머리 이중 육량체 형태로 DNA에 로딩된다. S기에는 Dbf4 의존성 인산화효소(DDK) 및 사이클린 의존성 인산화효소 (CDK)가 여러 Mcm2-7 서브유닛과 추가 개시 인자를 인산화하여 헬리케이스 공동 활성자 Cdc45 및 GINS의 모집, DNA 용융, 그리고 최종적으로 허가된 기점 중 일부에서 양방향 복제소 조립을 촉진한다. 효모와 후생동물 모두에서 기점은 뉴클레오솜이 없거나 고갈되어 있는데, 이는 Mcm2-7 로딩에 결정적인 특성이며, 기점의 염색질 상태가 개시자 모집뿐만 아니라 헬리케이스 로딩도 조절한다는 것을 나타낸다. 허용적인 염색질 환경은 기점 활성화에 더욱 중요하며, 기점 효율성과 기점 발사 시기 조절에 관여하는 것으로 알려져 있다. 진정염색질 기점은 일반적으로 활성 염색질 표지를 포함하며, 일찍 복제되고, 억제 표지로 특징지어지는 늦게 복제되는 이질염색질 기점보다 더 효율적이다. 놀랍지 않게도, 여러 염색질 재형성 효소 및 염색질 변형 효소가 기점 및 특정 개시 인자와 연관되어 있음이 밝혀졌지만, 그 활동이 다양한 복제 개시 사건에 어떻게 영향을 미치는지는 대부분 불분명하다. 놀랍게도 시스 작용 "초기 복제 제어 요소"(ECRE)도 최근 복제 시기를 조절하고 포유류 세포에서 3D 유전체 구조에 영향을 미치는 데 도움이 되는 것으로 확인되었다. 3D 유전체 조직, 국부적 및 고차 염색질 구조, 복제 개시 간의 복잡한 상호작용을 조율하는 분자 및 생화학적 메커니즘을 이해하는 것은 추가 연구를 위한 흥미로운 주제이다.
후생동물의 복제 기점이 원핵생물 및 출아 효모에서 복제 시작 부위를 결정하는 DNA 서열 특이적 인식 패러다임에서 벗어난 이유는 무엇일까? 후생동물 기점이 초파리 및 포유류 세포의 프로모터 영역과 자주 공존하고, 기저 분자 기구의 충돌로 인한 복제-전사 충돌이 DNA 손상으로 이어질 수 있다는 관찰은 전사와 복제의 적절한 조율이 유전체 안정성 유지에 중요함을 시사한다. 최근 연구 결과는 또한 MCM2-7 로딩을 억제하거나 로딩된 MCM2-7을 염색체상에서 재배치함으로써 전사가 기점 위치에 영향을 미치는 데 더 직접적인 역할을 한다는 것을 지적한다. 서열 비의존적(그러나 반드시 무작위적이지는 않은) 개시자 DNA 결합은 헬리케이스 로딩 부위를 지정하는 데 추가적인 유연성을 허용하며, 전사 간섭 및 허가된 기점의 활성화 효율성 변동과 함께 기점 위치를 결정하고 발생 및 세포 운명 전환 중 DNA 복제 및 전사 프로그램의 공동 조절에 기여할 가능성이 높다. S. pombe에서의 개시 사건에 대한 전산 모델링과 후생동물에서의 세포 유형 특이적 및 발달 조절 기점의 식별은 이러한 개념과 일치한다. 그러나 단일 개체군 내의 다른 세포들 사이에서도 기점 선택에 상당한 유연성이 존재하지만, 기점 사용의 이질성을 유도하는 분자 메커니즘은 잘 정의되어 있지 않다. 후생동물 시스템에서 단일 세포의 기점을 매핑하고 이러한 개시 사건을 단일 세포 유전자 발현 및 염색질 상태와 상관시키는 것은 기점 선택이 순전히 확률적인지 또는 정의된 방식으로 제어되는지를 밝히는 데 중요할 것이다.
바이러스는 종종 단일 복제 기점을 가지고 있다.
다양한 단백질이 바이러스 복제에 관여한다고 기술되었다. 예를 들어, 폴리오마바이러스는 SV40 큰 T 항원이 존재할 경우 바이러스 복제 기점에 부착되는 숙주 DNA 중합효소를 활용한다.
DNA 복제는 유전적 유전에 필수적이지만, 모든 염색체가 유전자 복제 수를 유지하기 위해 온전히 복사되는 한, 정의된, 부위 특이적 복제 기점은 기술적으로 유전체 복제에 필수적인 요구 사항은 아니다. 예를 들어, 특정 박테리오파지와 바이러스는 전용 기점과 독립적으로 상동 재조합에 의해 DNA 복제를 시작할 수 있다. 마찬가지로 할로페락스 볼카니이 고세균은 내인성 기점이 삭제될 때 재조합 의존적 개시를 사용하여 유전체를 복제한다. 파열 유도 또는 전사 개시 복제를 통한 유사한 비정형 개시 사건이 대장균 및 S. cerevisiae에서 보고되었다. 그럼에도 불구하고, 이러한 예외적인 상황에서도 세포가 생존력을 유지할 수 있음에도 불구하고, 기점 의존적 개시는 생명의 다양한 영역에서 보편적으로 채택된 일반적인 전략이다.
또한 복제 개시의 상세한 연구는 제한된 수의 모델 시스템에 집중되었다. 광범위하게 연구된 균계와 후생동물은 모두 후편모생물 상군에 속하며, 진핵생물 영역의 진화적 지형 중 극히 일부만을 대표한다. 키네토플라스티드나 테트라하이메나와 같은 다른 진핵 모델 시스템에 대한 노력은 상대적으로 적었다. 놀랍게도 이러한 연구들은 효모와 후생동물에 비해 기점 특성과 개시자 구성 모두에서 흥미로운 차이점을 밝혀냈다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
분자유전학에서 3' 비번역 부위(three prime untranslated region, 3′-UTR)는 전령 RNA (mRNA)에서 번역 종결 코돈 바로 뒤에 오는 부분이다. 3'-UTR은 종종 전사 후 유전자 발현에 영향을 미치는 조절 부위를 포함한다.
유전자 발현 동안 mRNA 분자는 DNA 서열에서 전사된 후 나중에 번역되어 단백질이 된다. mRNA 분자의 여러 부위는 5' 캡, 5' 비번역 부위, 3' 비번역 부위 및 폴리(A) 꼬리를 포함하여 단백질로 번역되지 않는다. 3'-비번역 부위 내의 조절 부위는 폴리아데닐화, 번역 효율, 위치 및 mRNA 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 3'-UTR은 조절 단백질과 마이크로RNA (miRNA) 모두에 대한 결합 부위를 포함한다. miRNA는 3'-UTR 내의 특정 부위에 결합함으로써 번역을 억제하거나 전사체 분해를 직접적으로 유발하여 다양한 mRNA의 유전자 발현을 감소시킬 수 있다. 3'-UTR에는 또한 억제자 단백질에 결합하고 mRNA의 발현을 억제하는 침묵자 영역이 있다.
많은 3'-UTR에는 AU-풍부 요소 (ARE)도 포함되어 있다. 단백질은 ARE에 결합하여 국소적으로 전사체의 안정성 또는 분해 속도에 영향을 미치거나 번역 개시에 영향을 미친다. 또한, 3'-UTR에는 mRNA 전사체의 끝에 폴리(A) 꼬리라고 불리는 수백 개의 아데닌 잔기를 추가하도록 지시하는 AAUAAA 서열이 포함되어 있다. 폴리(A) 결합 단백질 (PABP)은 이 꼬리에 결합하여 mRNA 번역, 안정성 및 수출 조절에 기여한다. 예를 들어, 폴리(A) 꼬리에 결합된 PABP는 전사체의 5' 말단과 관련된 단백질과 상호작용하여 mRNA의 순환을 유발하여 번역을 촉진한다.
3'-UTR은 또한 단백질을 유인하여 mRNA를 세포골격과 연관시키거나, 세포핵으로 또는 세포핵에서 수송하거나, 다른 유형의 국소화를 수행하는 서열을 포함할 수 있다. 3'-UTR 내의 서열 외에도 길이 및 2차 구조를 포함한 이 영역의 물리적 특성은 번역 조절에 기여한다. 이러한 다양한 유전자 조절 메커니즘은 올바른 유전자가 적절한 시기에 올바른 세포에서 발현되도록 보장한다.