SMC 복합체: DNA에서 염색체까지

 류제경 / 델프트 공대

[목 차]

1. 서론
2. SMC 복합체들의 간단한 역사
3. SMC 복합체들의 architecture
 4. SMC 링에 DNA가 들어가고 나감
5. 생체 내(in vivo)에서의 SMC 복합체의 염색체 결합
  5.1 염색체를 따라 있는 loading 사이트들
  5.2 SMC 복합체의 loading 이후의 이동
6. 응축과 resolution에서의 condensin
   6.1 염색체 응축
  6.2 염색체 Resolution
 7. Cohesin 및 cohesion establishment
 8. 게놈 안정성(genome stability)에서의 SMC 복합체
9. 결론

[요약문]

SMC (Structural maintenance of chromosomes, 염색체 구조 유지) 복합체는 condensin, cohesin과 SMC5-SMC6 복합체를 포함하는데 이것들은 박테리아에서부터 사람에 이르기까지 모든 살아있는 생명체의 염색체를 구성하는 주요 요소들이다. ATP 가수분해를 통해서 동력원을 얻는 이러한 링 구조의 단백질 기계들은 위상적으로 DNA를 감싼다. 한 개 이상의 DNA 가닥을 가지고 있는 이 단백질들의 능력은 지나친 염색체의 활성을 조절한다. 이들 중 중요한 것은 염색체 응집과 자매염색분체(sister chromatid cohesion)들의 결합이다. 게다가, SMC 복합체들은 DNA 복구(DNA repair)에도 중요한 역할을 한다. 이들 보편적인 염색체 기계들의 기능과 조절에 대한 대한 최근 기작 통찰력은 염색체의 구조, 동역학과 기능을 제안하게 만듦으로 생물학의 기본적인 실체들 중 하나를 조명하게 했다.

1. 서론

 사람에서는 4 meter의 DNA가 micrometer 스케일의 세포 핵에 응축이 된다. 어떻게 DNA가 이렇게 작은 스케일의 구조로 만들어지는지는 생명 현상의 상징적인 요소인 염색체를 이해하는데 도움이 된다. 염색체는 DNA로만 이뤄진 것이 아니라, 염색체를 만들어내는 다양한 단백질들뿐만 아니라 유전자 발현과 게놈 유지라는 기능을 하게 한다. 이런 요소들 중 가장 중요한 기능을 하는 것이 SMC 복합체들이다. 염색체 응축, 자매염색분체의 결합, 그리고 DNA 보수(repair)에 대해 초점을 둘 것이다. 이 리뷰에서는 어떻게 eukaryotic SMC 복합체들이 chromosome에 역할을 하는지에 대한 최신 이해를 분석할 것이고, 기작을 이해하는 최신 진보된 연구를 소개하고자 한다. Chromosome 응축, 자매 chromatid 결합에 대해 초점을 두면서 DNA repair에 대해서도 좀 다루고자 한다.

•용어 설명

자매 염색분체 결합(Sister chromatid cohesion): S phase에서 DNA 복제되는데 이 때 생긴 DNA 두 짝이 서로 연결되어 있는 과정을 말한다. 자매염색분체 결합은 G2와 mitosis까지 지속된다. 이것이 짝으로 인지되고, mitotic spindle apparatus에 의해 정렬이 된다.

동원체(Centromere): 염색체와 microtubule 이 연결 되는 염색체의 자리이다. 동원체는 특별한 kinetochore (Microtubule과 동원체를 연결하는 큰 단백질 조립체) 위에 있는 chromatin으로 구성되어 있다.

Bi-orientation: 두 개의 자매 동원체들이 microtubule 이 연결되어 있는 상태에서 서로 다른 방향으로 보고 있는 상태를 의미한다. 이것은 spindle에서 나온 microtubule에 부착되어 있다.

Inner kinetochore: DNA와 접촉하는 kinetochore 부위인데, 이것은 microtubule에 연결되어 있는 outer ki-netochore과 반대이다.

Topoisomerase II: DNA의 두 strand를 일시적으로 동시에 자르는 효소이고 이것은 다른 DNA가 지나가려고 할 때 두 갭이 다시 합쳐지기 전에 일어난다.

Replication forks: DNA double helix가 풀리는 지점, 여기에 새 DNA가 합성이 되면서 chromosome을 복제한다.

2. SMC 복합체들의 간단한 역사

25년 전에 Niki, Hiraga와 그들의 동료들은 chromosome segregation에 작용하는 단백질 군을 새롭게 발견했다. 이것들의 돌연변이는 E. coli 에서 무핵 자손을 자주 만들어내는 것이었고, 이것이 최초로 gene encoding되어 SMC 단백질로 알려진 MukB이다. 염기 서열로 N-말단, C-말단 구형상의 ATPase 구역으로 예측이 되었고, 이것은 길게 늘어진 coiled-coil로 분리되었다고 예측이 되었는데 이것은 MukB 단백질의 전자현미경 이미지로 증명이 되었다. 그 이후에는 budding yeast에서 ‘stability of minichromosomes’ 이라는 SMC1 gene이 클로닝이 되었고, 이것으로 Smc1 단백질이 발견되었다. 그리고 다양한 생명체에서 비슷한 단백질들이 발견되었다. Fission yeast에서는 cut3+와 cut14+가 발견이 되었는데, 이들의 mutation(돌연변이)들은 염색체 응축과 분열과정의 결함을 가지고 있다.

비슷한 시기 Xenopus chromosome에 결합된 단백질인 XCAPC(Smc2로 여겨짐)와 XCAPE(Smc4로 알려짐)이 발견되었다. 그리고, 이 단백질들은 egg extract assay를 통해 chromosome condensation 역할에 필요하다는 것을 알게 되었다. 135 kDA의 chicken cell 염색체의 중요한 구성요소인 염색체 scaffold 단백질 ScII(SMC2로 알려짐)은 XCAPE의 상동유전자임이 밝혀졌다. 게다가 budding yeast gene이면서, XCAPE의 orthologue인 smc2 유전자의 돌연변이는 염색체에 응축의 defect를 일으켰다. 이것은 SMC으로 염색체 구조 유지(Structural Maintenance of Chromosomes)라고 부르게 되었다.

초기에는 염색체 구조에서 SMC 단백질들이 염색체 모양내는 것과 segregation을 넘어서는 양상을 가질 것이라고 보았다. Caenorhabditis elegans에서의 성염색체에서 dosage compensation 연구는 SMC 단백질의 gene enconding에서 ‘dumpy’ dpy-27 돌연변이를 발견하게 했다. 이것은 hermaphorodite XX 태아에서의 X 염색체에서부터의 gene expression을 downregulate하는 것을 저해하였다. 게다가, fission yeast에서 radiation sensitive 돌연변이로 알려진 rad 18은 Smc5와 Smc6로 알려진 SMC 단백질 서브 그룹들이 발견되었다.

또 다른 SMC 단백질을 이해하는 중요한 스텝은 이 단백질이 중요한 3개의 multi-subunit 단백질 복합체를 eukaryotes에서 형성한다는 것이다. XCAPC와 XCAPE(Smc4와 Smc2로 알려진) 서브유닛들은 5개의 subunit으로 이루어진 condensin 복합체의 부속품들이다. 비슷하게 자매 chromatid cohesion을 매개하는 단백질을 찾는 연구는 cohesin 복합체를 발견하게 했다. 이것은 Smc1와 Smc3 서브유닛들이다. Smc5와 Smc6 서브유닛들은 multi-subunit DNA repair complex의 기반을 마련한다. 이 세가지 단백질들이 eukaryotic life에 중요하지만 이들은 약간의 overlapping되는 역할이 있다. 예를 들어 cohesin은 chromosome condensation에 관여하지만, cohesin과 condensin은 DNA repair에 역할을 한다.

Cohesin 복합체들이 자매 chromatid 결합에 관여한다는 발견은 SMC 복합체들이 eukaryotic 염색체 segregation에 중요한 역할을 한다는 것을 보여줬다. 자매 chromatid들은 S phase에서 DNA 복제 기간 동안에 생성이 된다. 그리고 mitosis까지 묶여 있는 상태가 된다. 이것은 자매 chromatid 들이 pairwise로 붙게 하고, micotic spindle에 의해서 tension을 받게 되어서 정렬을 하게 된다. 이 cohesin의 Scc1 (sister chromatid cohesion 1) 서브유닛은 단백질에 의해서 잘리게 되고, 이것이 cohesin을 염색체에서 분리시켜 anaphas로 만든다. 이것은 다른 부수적인 역할들과 함께 cell cycle에서 SMC 단백질들이 중요한 역할을 하게 만든다.

3. SMC 복합체들의 architecture

 SMC 복합체들은 ring 형태의 구조로 되어 있다(그림 1a). 이 링 구조는 두 개의 SMC subunits의 길게 뻗어진 coiled-coil로 이루어져 있고, 이 coiled-coil은 coiled-coil 불연속성 때문에 아주 유연하다. 이 coiled-coil 부분은 한 쪽 끝에 안정적으로 dimerization된 hinge로 알려진 interface로 연결되어 있다. 다른 쪽 끝은 ATP-binding cassette (ABC) family ATPase 도메인으로 되어 있다. 이 것의 dimerization은 ATP가 있을 때 이뤄지고, 두 개의 head 사이에서 샌드위치로 된다. 이 헤드들은 Kleisin subunit과 ATP에 의해 dimer가 된다. SMC dimer는 대체로 대칭적인 반면, kleisin은 SMC 헤드와 비대칭적인 접촉을 만든다. Kleisin의 N 말단 부분은 SMC head 도메인에 근접한 coiled coil 형태의 나선형 다발을 형성한다. Kleisin의 C 발단은 반대 헤드의 바닥 부분에 붙어 있게 된다(그림 1b). α-suprahelical Heat repeat은 kleisin 근처에 조립된다.

Ring 구조를 갖는 cohesin 복합체는 DNA를 위상적으로 감싸면서 DNA에 결합한다. 여기서 위상적으로 감싼다는 것은 cohesin ring이 열리고 DNA를 cohesin ring 안에 넣고, cohesin ring이 닫힘으로 cohesin ring 안에 DNA 가닥이 들어가게 한다는 것을 말한다. 이 모델은 SMC 복합체의 기능을 연구하는데 주요 원리가 되었다. In vivo에서는 cohesin이 minichromosome을 위상적으로 감싼다는 것과 in vitro에서 ATP 가수분해 의존된 DNA에 loading이 위상적이라는 것에 대한 강력한 증거가 있다. 이와 비슷하게 in vivo에서 condensin과 Smc5-Smc6 복합체도 위상적으로 minichromosome과 연결되어 있다. 반면 박테리아 SMC 복합체들은 원형 형태의 박테리아 염색체를 위상적으로 감싼다. 이런 위상적인 entrapment는 SMC 복합체 기능의 결정적이라고 간주된다. 이 온전한 cohesin의 링 구조는 자매염색분체의 결합에 필요하나 anaphase에서의 Scc1의 분열은 그 링을 열게 한다. 비슷하게 budding yeast에서 염색체 분열시 필수적인 기능을 위해 위상적으로 손상되지 않은 condensin이 필요하다. 위상적인 DNA에 결합하는 것은 어떻게 SMC 복합체가 염색체에 작동하는지에 대한 훌륭한 설명 가능성을 제공한다. 이것은 위상적으로 감싸는 현상 외의 다른 가능성으로 작동되는 것을 배척하지는 않는다.

그림 1. SMC 단백질 복합체. a. ATP 가 붙어 있는 cohesin 사합체 모델. 이것은 Protein Dat Bank (PDB) IDs 1GXL, 1W1W, 4PK7, 과 4UX3 로 만들어졌다. b. 진핵생물의 SMC 복합체와 이것의 서브유닛들의 도표. 이 이름들은 budding yeast 에서 이용되는 것이다. fission yeast 와 척추동물의 이름들은 괄호 표에 있다. Brn1, Barren homologue 1; Mms21, metyl methanesulfonate sensitivity; Nse, non-SMC element; Wapl, Wings apart-like protein homologue; Ycg1, yeast cap G 1; Ycs4, yeast condensing subunit 4. *Smc1 은 kleisin C 말단 부분과 상호작용하고 Smc3 는 kleisin 의 N 말단 부분과 상호작용한다. ‡condensin II 복합체의 다른 subunit 을 나타낸다. §SA1 또는 SA2 와 PDS5A 또는 PDS5B 는 다양한 cohesin 동형단백질에서 발견된다. ∥Sororin 은 후생동물 cohesin 에서 발견이 된다. Reprinted with permission from Nature publishing group images in a and b.

• 원핵생물 SMC 복합체

E. coli 에서는 1.2mm의 원형 링의 원주를 가지는 chromosome이 수 마이크로 미터 사이즈의 공간에 저장이 되어 있다. 박테리아 SMC 복합체는 전체적으로 진핵생물의 그것들과 비슷한 구조를 가지고 있다. 그들은 박테리아 염색체를 응축시키고, 세포 분열 전에 자매 염색체 resolution을 촉진시킨다. 박테리아 SMC 복합체들은 Smc5-Smc6 복합체와 비슷한 구조를 가지고 있다. 세 개까지의 다른 SMC 복합체들이 개별 박테리아 종들에서 발견이 되었다. SMC-ScpA-ScpB, MukBEF와 MksBEF 복합체들이다. 이 세 복합체들은 구조적으로 연관이 있는 것 같다. 적어도 처음 본 바에 따르면 그들은 redundant하게 chromosome segregation의 역할을 하는 것 같다. 부수적인 역할은 박테리아 DNA 복구나 전사 조절하는 부분이 있다. 아직 이 부분은 더 규명되어야 하는 부분이기도 하다. 특히 MksB 복합체의 coiled-coil 부분은 MukB나 진핵생물의 SMC 복합체에 비해 아주 짧다. 많은 SMC 단백질들의 coiled coil 길이가 명확하게 보존되어 있다는 것에 불구하고, 이 역할은 이 길이에 의존되지 않을 것 같기도 하다. 아직 원핵생물의 SMC 복합체에 배울 내용이 많다.

4. SMC 링에 DNA가 들어가고 나감

SMC 복합체들은 염색체들과 결합과 분열을 반복하면서 유동적인 결합을 한다. 이것에 대한 예외 사항은 cohesin 분자들이 DNA 복제할 때 두 개의 자매염색분체를 잡는 것이다. 이것은 지속적으로 DNA를 안정화 시킨다. 이 두 가지 경우에서, 만약 SMC 복합체가 위상적으로 DNA에 결합을 한다면 DNA는 어떻게 이 ring에 들어가고 다시 나오게 될까? cohesin subunit의 개별적인 접점들을 봉인하는 단백질 engineering은 세포 안에서 cohesin ring에서 DNA가 들어가고 나가는 path를 알기 위해서 사용되었다. Smc1 또는 Smc3에 kleisin의 한쪽 끝을 공유결합으로 연결시키거나 한쪽 끝을 화학적으로 유도할 수 있는 dimerization interface를 다른 끝쪽으로 붙이면, 염색체에 cohesin loading을 막을 수가 없었다. 그와는 반대로 화학적인 crosslinking을 SMC hinge 에 삽입하면 cohesin loading을 막게 되었다. 이것은 DNA는 cohesin 링에 hinge를 통해서 들어가야만 한다는 것을 의미한다. 차례로 Smc3-kleisin 접촉 부위를 잠그면, cohesin이 염색체위에서 cohesin을 안정화 시킨다. 그래서 이 접촉 부위를 DNA exit gate의 후보가 되었다. 이런 실험들의 단점은 crosslink과 domain 삽입은 cohesin의 기능을 부수적인 접촉면을 닫게 하고, 리간드가 유도하는 dimerization이 분해를 상대적으로 빠른 분해 속도로 허용할 수 있다는 것이다.

Fission yeast cohesin 복합체를 이용하여 cohesin의 위상적인 DNA loading 실험을 in vitro에서 재구성하면 앞과 비슷한 loading과 unloading 과정에서의 DNA 출입에 대한 다른 모델이 나오게 된다(그림 2). 두 반응은 ATP 가수분해를 통해서 촉진되는데, 이는 ATPase 헤드가 풀어지는 것이 DNA 출입을 하는 반응이라는 것이다. Head가 분해되는 것은 DNA를 cohesin의 ring에 들어가게 하고 나가게 하는데 충분하지 않다. Head의 상호작용이 kleisin 때문에 강화되기 때문이다. DNA의 출입 과정 중 두 번째 스텝은 cohesin의 subunit인 Wap1 (Wings apart-like protein homologue)에 의해 촉진된다. 이 단백질은 kleisin N 말단을 Smc3(fission yeast에서는 Psm3로 알려져 있음)로부터 분해시킨다. 이것으로 kleisin gate가 열리게 된다. ATP가 붙어 있을 때에 즉, head의 상호작용이 있을 때에만 Wapl이 kleisin N 말단을 Psm3로부터 분리시킨다. 이것은 DNA가 두 연속적인 연결 gate를 통과하고, 이것이 cohesin의 출구와 입구역할을 동시에 한다고 제안한다.

그림 2. a. Cohesin ring으로의 DNA가 들어올 때는 cohesin ring의 접힘이 필요할 수 있다. 예를 들면, 두 개의 Smc3 head에 노출된 lysine residue(K로 표시됨)들이 DNA에 접촉이 된다. DNA 접촉은 ATP 가수분해를 일으키고, 이것은 DNA를 두 ATPase head 사이의 갭을 통과하게 한다. DNA가 cohesin ring에 들어가는 것을 마무리 하기 위해 wapl (Wings apart-like protein homologue)이 Ssc1의 N 말단이 Smc3로부터 떨어지는 것을 촉진시키기 전까지 이 ATPase head는 다시 ATP가 붙음으로 다시 맞물리게 된다. b. DNA가 나갈 때는 Ring 접힘이 요구되지 않는다. 그 이유는 DNA를 센서하는 Lysine residue들이 그 링 안에서 이미 접촉 가능하기 때문이다. a 와 비슷하게 ATPase head들의 연결과 링 밖에서의 Scc1-Smc3 게이트를 통해서 DNA를 같은 경로로 이동시킨다. (Reprinted with permission from Nature publishing group images in a and b.)

이 두 방향으로의 DNA 수송은 ATP 가수분해를 촉진시키는 Psm3 헤드 위에서 DNA를 센싱하는 Lys residues를 필요로 한다. 이 Lysine residue들은 cohesin ring 안쪽을 향하고, 깔끔하게 그것들을 위치시켜서 DNA가 나가기 시작하게 한다(그림 2b). DNA가 결합되어 있는 Rad50 DNA 복구 단백질의 ATPase head의 crystal 구조는 DNA가 나가는 것이 일어나는 동안, 어떻게 처음 접촉이 일어나는지를 보여준다. 어떻게 같은 lysine residue들이 DNA entry를 촉진시키는지는 좀 명확하지 않다. DNA는 상대적으로 뻣뻣하고, 동시적으로 그 DNA sensor가 바깥에서부터 닿을 수 있을 정도로 충분히 뾰족하게 구부러지지 않는다. 차라리, 그 유연한 cohesin ring은 residue들이 노출이 될 수 있도록 안팎이 뒤집히게 접힐 수 있을 것이다. 이런 구조 변화가 cohesin loader 복합체에 의해 촉진이 된다는 근거가 있다. 이 cohesin loader 복합체는 cohesin을 loading을 가능하게 하고, Scc2와 Scc4 subunit(fission yeast에서는 Mis4와 Ssl3)으로 구성되어 있다. 이 복합체는 cohesin과 cohesin 링 둘레에 여러 군데 접촉점이 있고, 이것들이 큰 구조변화를 가능하게 할 것 같다. DNA가 밖에서부터 한번 접혀진 cohesin 링 위에 있는 그 센서에 맞물리면, 같은 경로인 ATPase와 kleisin 게이트로 DNA가 들어서게 된다. 이 모델은 또한 이전 단백질 engineering 접근 방식으로 관찰되었던 것으로 설명이 가능하다. Kleisin 접촉 부분을 봉인하면 이것은 DNA의 exit를 막을 수는 있어도, ATPase gate를 통한 위상적인 DNA entry를 막지 못하게 된다.

그 DNA가 다른 SMC 복합체들에서 들어오고 나오는 것은 매우 비슷한 과정을 가진다. 접힘 구조를 통해서 DNA가 들어오는 것이 촉진되는 것은 원자힘 현미경(atomic force micros, AFM)에서 fission yeast의 cohesin SMC dimer과 condesin 복합체에서 보여졌다. Cohesin head와 SMC hinge와 결합된 Subunit들의 가까운 거리는 살아있는 budding yeast에서 FRET (fluorescence resonance energy transfer)로 관찰되었다. 반면, Smc5-Smc6 복합체의 Nse5 (non-SMC element 5)와 Nse6 subunit들은 헤드와 hinge 모두에 붙는다고 보고되었다. 같은 모델은 prokaryotic SMC 복합체에 이용될 수 있다. 이 모델의 중요한 점은 DNA가 SMC ring으로부터 가둬지는 것이 두 번째 DNA가 들어오는 것을 막지 못한다는 것이다. 사실, 그 물림 게이트 기작은 두 번째 DNA가 들어오는 동안 첫 번째 DNA를 놓치지 않는다는 것을 확실하게 한다. 어떻게 SMC 복합체가 한 개 이상의 DNA 분자를 연결하는지를 이해하는 중요성은 DNA 연결(linkage)을 in vitro로 연구하는데 영감을 준다. 앞으로 SMC 복합체가 한 개 이상의 DNA 가닥을 잡는지 아닌지와 어떻게 그렇게 하는지를 연구하기 위해 실험방법을 고안하는 것이 중요해질 것이다.

5. 생체 내(in vivo)에서의 SMC 복합체의 염색체 결합

SMC 복합체들이 염색체에 어떻게 역할을 하는지에 대한 이해는 게놈에 붙는 패턴을 분석함으로 나올 수 있다

5.1 염색체를 따라 있는 loading 사이트들

 모든 SMC 복합체들은 동원체 근처에 밀집되어 있다. 그리고 염색체 팔에는 산발적으로 분포되어 있다. Cohesin의 동원체에 밀집되어 있는 것은 딸 chromatid 쌍을 bi-orientation으로 만드는데 중요하며, mitotic spindle의 당기는 힘을 서로 팽팽하게 유지시키면서 서로 당겨준다. Condensin이 동원체에 밀집되어 있는 것은 동원체 chromatin의 microtubule 부착 부분의 물리적인 안정감을 유사분열에서 주기 위함이다. 그럼 무엇이 이 단백질들의 loading site를 결정할까? Budding yeast의 경우에는, 안 쪽의 kinetochore COMA 복합체와 Cdc7-Dbf4 kinase가 cohesin이 동원체에 집중되도록 직접적으로나 간접적으로나 cohesin loader인 Scc2-Scc4를 동원하게 한다. 그럼 어떻게 이 loader는 cohesin을 다른 염색체에 비해 이 중심부에 loading이 되도록 촉진시키는가? 이 같은 loader가 condensin과 SMC5/6 복합체를 loading 하는데 관여하는지는 아직 모른다. Budding yeast에서 Condensin이 중심립에 모여있는 것은 중십립 보호제인 shugoshin에 의해서 촉진이 된다. 이 기작도 아직 모른다.

Cohesin 또는 condensin의 loading은 리보좀 단백질과 t-RNA 유전자 같은 아주 많이 발현되는 유전자의 promoter에서 일어난다. Budding yeast의 경우에는 RSC (remodels the structure of chromatin) 복합체가 Scc2-Scc4 복합체에 붙는 것이 중요하다. Scc4가 더 중요할 것으로 보이는데 이것은 chromatin을 Scc2-Scc4 복합체에 붙게 하는데, in vitro에서는 순수 DNA에 loading 하려고 할 때에는 필요가 없다. Scc4 서브유닛은 cohesin loader의 chromatin 어댑터로 보여지고, 반면 Scc2는 직접 cohesin과 접촉해서 loading을 되게 한다. 척추동물에는 다양한 cohesin의 동형단백질들이 있다. 이것들은 SCC3 서브유닛의 paralogue인 SA1 또는 SA2와 자매 chromatid 결합 단백질 PDS5 homologue A (PDS5A) 또는 PDS5B를 가지고 있다. 반면 SA1이 있는 cohesin은 텔로미어 주변에 많이 있고, SA2를 포함하는 cohesin은 좀 더 중심립에 모여 있다. PDS5B가 들어 있는 cohesin은 중심립에 특이적인 기능을 가진다. 이렇게 다른 cohesin 복합체가 다른 위치를 정하는 기작은 아직 잘 이해되지 않았다.

Condensin을 장착시키는 사이트는, budding yeast, fission yeast와 C. elegans에서 대부분의 경우에, cohesin의 장착하는 곳과 비슷한 것처럼 보인다. Condensin과 cohesin loader의 직접적인 단백질 상호작용이 관찰되지 않았어도, budding yeast에서 cohesin loader는 condensin 장착을 촉진시킨다. Condensin과 TFIIIC 전사 인자 복합체와의 상호작용은 budding yeast condensin이 tRNA 유전자를 타겟팅하게 하고, condensin과 monopolin 복합체의 상호작용은 이 condensin이 리보솜 DNA (rDNA)를 타겟팅하게 한다. Fission yeast의 condensin이 TFIIIC과 TATA-box에 붙는 단백질(TBP)과 상호작용은 하는 것은 이 생물에서 condensin 장착에 공헌한다. 닭과 인간의 condensin I 복합체들은 많이 발현되는 유전자의 promoter에서 많이 발견이 된다. 어떻게 condensin이 이런 promoter들에 발탁이 되는지, 특히 유사분열에서 언제 전사가 중지되고, 어떻게 척추동물에서의 다른 condensin 1와 condensin 2 복합체가 다른 pattern을 나타내는지는 아직도 잘 모른다. 열린 promoter는 free DNA를 SMC 복합체 부착틀로 간주한다. Budding yeast가 아닌 다른 생물에서도, RSC 복합체 또는 프로모터 nucleosome을 제거하는 다른 chromatin 리모델러가 cohesin 또는 condensin loading 위치를 지정하는데 역할을 하는지는 더 조사해야 한다. SMC 복합체의 리보솜 단백질과 tRNA 유전자에 붙는 것은 박테리아에서도 발견이 되었는데 이것은 SMC 복합체의 부착 사이트를 결정하는 기작이 기본적으로 보존되어 있음을 제안한다.

5.2 SMC 복합체의 loading 이후의 이동

 핵심 중심립에서 SMC 복합체가 loading된 다음에, budding yeast cohesin은 그 loading 사이트에서 앞으로 계속 머물러 수렴 전사 종결(convergent tranional termination) 위치로 이동하는 것처럼 보인다. 전사 활성 이후 유전자를 따라 sliding하고 있는 cohesin의 중간 상태를 관찰하기 때문에 cohesin이 chromatin을 따라 위상적인 접촉이 있는 상태에서 미끄러지듯이 움직인다고 해석하고 있다. Fission yeast cohesin은 이 시나리오와 일치된 분포를 보인다. Cohesin loader 사이트에서 약간의 cohesin이 관찰이 되고, 대부분은 수렴 전사 종결자에서 발견이 된다. 이 상황은 Drosophila melanogaster에서는 다르게 관찰이 된다. Cohesin과 이것의 loader 둘 다 모두 활성화된 유전자 promoter와 전사되는 유전자를 따라 발견이 된다. 이것은 loader와 cohesin이 loading과 상당하게 움직일 때 더 효모보다 파리에서 긴밀하게 연결되어 있다는 것을 보이는 것이다.

인간 세포에서는, 많은 중요한 cohesin이 축척되는 곳이 전사 조절 CTCF와 일치하는 것을 보였다. 그리고 이 곳은 cohesin의 loading되는 곳과도 달랐다. 인간 cohesin이 promoter에서부터 CTCF가 붙어 있는 곳까지 움직이는지, 그리고 어떻게 움직이는지는 아직 알려지지 않았다. RNA 중합 효소 II가 cohesin의 움직임을 만들 가능성이 있다. 이것은 보통 분당 수 kb로 움직인다. 인간 유전자의 길이가 주어지고, cohesin이 염색체에 평균 머무는 시간을 보면, 대부분의 cohesin은 인간 유전자의 끝까지 가기에는 불가능할 것이라 보인다. 아세틸화된 cohesin은 염색체에 더 길게 머문다. 그리고 이것은 짧은 유전자의 3번 끝 말단에 축척이 되는 것이 관찰이 되었고, 이것은 전사되는 유전자를 따라 인간 유전자가 미끄러지듯 움직인다고 보여진다.

Condensin도 비슷하게 loading하는 곳에서부터 전사되는 방향으로 움직일 것 같다. 최근 fission yeast condensin의 초고해상도 map에서 관찰된, promoter 로딩 사이트와 발현되는 유전자 3 번 말단에 많이 분포된 모습을 보여주는 쌍봉 분포(bimodal distribution)가 이 가능성을 이야기하고 있다. 더 빠른 분해와 다시 로딩되는 속도는 condensin이 언제나 유전자의 끝까지 도달하지 않는다는 것을 이야기한다. 그리고 condensin은 로딩 사이트와 전사되는 곳에서 모두 관찰이 가능하다.

Budding과 fission yeast의 Smc5-Smc6 복합체의 분포는 cohesin을 따라간다. 이것은 염색체에 로딩되고, 분포하는 기작이 모든 SMC 복합체가 비슷한 것처럼 보여진다. Smc5-Smc6는 이것의 유일한 특징이 있다. Budding yeast에서는 이것은 DNA 복제 때 DNA 로딩이 되고, 이것의 정량적인 로딩은 염색체의 길이와 위상에 변화를 반영한다. 이것은 Smc5-Smc6 복합체의 로딩을 결정하는 기작이 중요한 연구주제임을 보이는 것이다. 이것과 함께, 위상적인 로딩과 염색체의 측면을 따라 움직이는 능력은 SMC 복합체의 공통 기작처럼 보인다. 이것은 SMC 링이 DNA를 안정적으로 감싸고, 중요한 구조 기능을 하며 이 일은 같은 시퀀스를 따라 일어나는 다른 염색체 활동을 방해하는 것 없이 일어난다.

6. 응축과 resolution에서의 Condensin

위상적으로 DNA fiber를 감싸고, 순서적으로 하나 이상의 DNA가 entrapment되면 이것으로 이미 알려진 SMC 복합체들의 기능을 설명할 수 있을까?

Cohesin 복합체는 가까운 binding site 들의 물리적인 상호작용을 촉진시킨다고 알려져 있다. 이것으로 DNA를 crosslinking 하는 능력을 보이는 SMC 복합체의 예가 되었다. Condensin binding sites의 핵 안의 clustering은 condensin에 의존되어 있고, 이것은 DNA crosslinker와 같은 역할을 한다고 제안된다. Condensin을 박테리아에서 사람 세포까지 inactivation을 시키면 anaphase에서 phenotype은 chromosome 응축이 실패되거나, 두 개의 sister chromatid를 resolve하지 못하게 된다. 이것은 chromosome bridge로도 이어진다.

6.1 염색체 응축

 교과서에서는 염색체 응축이 계층적인 coiling으로 이뤄졌다고 설명한다. 먼저는 DNA에 가서 nucleosome을 둘러싸고, 이 Nucleosome의 고차원 fiber로 되어 염색체를 구성하는 루프를 만들게 된다. Condensin은 이 모델에서는 단백질로 이루어진 염색체 scaffold를 형성함으로 DNA 루프들을 고정시킨다(그림 3a). 하지만, 어떻게 condensin이 이 scaffold를 만들어내는지에 대한 분자 설명은 아직 명확하지 않다. 또한, scaffold나 10 nm nucleosome fiber보다 큰 반복적인 구조는 염색체 구조에 대한 생물물리학과 초미세 구조연구에서는 아직 발견이 되지 않았다. 또한, nucleosome이 30 nm의 fiber로 배열된다는 한 때 인기 있었던 아이디어도 아직 증거가 발견되지는 않았다. 반면 condensin은 10 nm fiber로 보이는 교차 부분에서 발견이 되었다. 이것은 condensin이 자유롭게 확산되는 10 nm 염색질 섬유 사이의 확률적 가교 결합제(stochastic crosslinker)로 기능함으로써 염색체를 형성한다는 또 다른 모델을 이끌어 냈다. Nucleosome fiber에 대한 Brownian 동역학 시뮬레이션에서부터 condensin 접촉 부위 사이에서 확률적으로 쌍으로 작용하는 상호작용으로 제한된 상태에서의 budding yeast 염색체의 사이즈로부터 염색체의 행동을 시뮬레이션 했고, 이것은 세포 안에서의 budding yeast 염색체의 특징과 아주 잘 일치했다(그림 3b). 다양한 염색체 구성 요소들 사이에서 발생하는 수많은 상호작용에 대해 틀림없이 지나치게 단순화 시켰지만, 시뮬레이션은 간단한 가정이 염색체의 행동을 설명하는데 많은 도움이 됨을 보여준다. 그들은 염색체의 내부가 어떻게 보일지에 대한 준-분자적으로 얼핏 보게 한다. 더 큰 염색체가 비교적 단순한 모델들에 의해 이해될 수 있을지, 인간 염색체 모양을 갖기 위해 어떤 추가 조직 원리가 포함되어야 하는지를 보는 것은 흥미로울 것이다. 이 방향에서 가장 중요한 milestone은 척추 염색체 구조를 정제한 구성물로부터 재구성했다는 것이다. 이는 condensin이 histone 샤페론과 topoisomerase II가 제공하는 DNA 가닥 통과 활성이 X. laevis egg 추출물에서 정자 염색질에서 형성된 염색체와 유사함을 보여주었다.

그림 3. a. 염색질(chromatin) 체인의 도식 표현. 염색질들은 Stochastic하게 짝으로 이뤄진 condensin 결합 사이트들의 접촉 부분으로 제한되었다. b. Condensin이 염색체의 응축을 위해서 DNA loop을 밀어낸다는 모델.

다른 방법으로는 완전히 배타적인 방식은 아니지만, 어떻게 condensin이 염색체를 형성하는지 메커니즘이 소개되어 왔다. In vitro에서 condensin이 DNA에 붙어서 DNA를 양의 방향으로 뒤틀리는 반응을 일으킨다. 이것은 꽤 멀리 떨어진 곳에서도 condensin이 DNA 루프를 응축시킬 수 있다. 이 비틀림을 매개로 하는 게놈 응축 모델은 비틀림을 신속히 해제하도록 설계된 풍부한 topoisomerase가 그 일을 하지 못하도록 방해해야 한다. 이 부분은 아직 불분명하다.

또 다른 인기 있는 모델은 루프 돌출(loop extrusion) 모델이다(그림 3b). 이 모델에서는 DNA 루프가 condensin을 통과한 다음에 더 링을 통과하여 루프가 확장된다. Condensin이 어떻게 DNA 를 밀어낼 수 있는 방법에 대한 분자 메커니즘은 알려지지 않았다. 하지만, 이 모델은 세균 염색체 팔을 따라 주요 condensin loading site로부터 연장되는 대칭 DNA 접촉으로부터 뒷받침이 된다. 하지만, loop extrusion은 이런 대칭 접촉들을 설명하는 유일한 방법은 아니다. 이 대칭 접촉들은 병렬 염색체 팔 부분의 산발적인 만남으로도 발생될 수도 있다. Fission yeast 염색체에 따른 condensin 패턴은 loading site로부터 단방향으로의 퍼짐을 설명하였다. 이것은 양방향의 pumping 기작을 설명하지 않는 것이다. 대신, 이 패턴은 condensin이 두 개의 접합 부위를 순차적으로 감쌀 때 처음 루프가 형성되는 것으로도 생각될 수 있다. 이것에 뒤이어, tranion-driven condensin sliding은 유전자의 방향에 따라 loop expansion으로 이어질 수 있다. 특히 인간 condensin II 복합체의 염색체 결합은 유사 분열에서 매우 안정하게 되며, 이는 순차적 루프 확장을 허용할 수 있다. 그러나 체세포가 유사 분열에 들어감에 따라 전사가 대부분 멈추고 전사 초기에는 염색체 응축이 분명히 일어난다. tranion-mediated loop expansion이 염색체 응축에 기여하는지 또는 염색체 도메인 구조를 interphase하는지 여부는 추가 조사를 위한 흥미로운 주제이다.

한 DNA 내의 루프 extrusion에 의한 염색체 응축의 이점은 인접한 염색체 사이의 헛된 접촉을 피하기보다는 응축이 한 번에 하나의 염색체를 압축하도록 보장한다는 것입니다. 반면에, condensin binding site 사이의 확률적인 pairwise 상호작용은 DNA 한 분자 내의 상호작용을 DNA 두 분자간의 상호작용으로부터 식별할 수 없다. Condensin은 실질적으로 한 분자 내에서의 특정 주기에서 상호작용하는 것으로 보여진다. 하지만, 확률적인 pairwise 상호작용 조차도 연속적인 DNA 가닥을 따라 분자 내의 접촉점을 두 염색체 사이의 상호작용보다 항상 선호한다. condensin이 매개하는 상호작용이 응축 과정 동안 동력을 유지하는 하면서, 모든 interchromosomal contact가 일시적으로 남아서 해결되는 동안, 이것은 염색체의 개별화가 이뤄지게 한다.

6.2 염색체 Resolution

 Condensin의 결함이 생길 때 자매염색분체가 유사분열 후기에서 분리된 모습이 안 보이게 된다. 이것을 염색체 다리(chromosome bridge)라고 한다. 이 후기에서 일어나는 염색체 다리는 딸 염색분체 결합을 계속하게 만드는 것 때문에 생기게 된다. DNA 복제의 종결되는 동안, replication fork에서 Topoisomerase의 불활성으로 자매염색분체는 필연적으로 계속해서 catenation(연결)된다. DNA 복제 종결 이후에 어디서, 얼마나 연결이 지속되어 있는지는 알려진 것이 없다. 원형 미니 염색체를 이용하여, DNA 복제 이후에 대부분의 DNA catenation은 재빠르게 없어지는 것 같다. 반면 어느 정도는 위상적인 연결이 지속되고, 이 resolution을 위해 condensin에 의존된다. 염색체 응축시, 염색체 팔 개별화는 DNA decatenation 과정의 방향성을 제공한다. 그러나 이로 DNA decatenation을 위한 condensin의 역할을 다 설명할 수는 없다. Budding yeast의 rDNA segregation을 위한 condensin의 필요는 외부 topoisomerase II를 발현시킴으로 극복된다. 하지만, endogeneous topoisomerase II를 과다 발현 시켰을 때는 극복이 되지 않았다. 이는 endogeneous topoisomerase II는 아주 강한 condensin에 대한 의존성을 보여주는 것이다. 박테리아 decatenation하는 topoisomerase IV와 박테리아 SMC 복합체의 직접 상호작용이 관찰이 되었고, 이것은 이 두 효소 사이의 협동 작용을 이해하는데 도움을 주었다. 그러나, 아직 진핵생물에서는 이런 상호작용이 발견이 되지 않아서, 어떻게 염색체 resolution을 condensin이 일으키는지는 아직도 의문이다. Condeinsin의 활성이 위상적인 접촉을 넘어서서 여기에 작동될 것이라고만 추측할 따름이다.

7. Cohesin 및 cohesion establishment

 G1 phase에서는 인간 cohesin은 condensing과 비슷하게 작용한다. 인접한 부착 부분들 사이를 맞물리게 한다. 이 결합은 아주 동적이다. Wapl 서브유닛이 이 복합체의 unloading과 reloading 사이클을 촉진시킨다. Wapl이 없는 경우에는 cohesin이 염색체에 붙고 떨어지는 속도가 느려진다. 그리고 condensin과 같은 양상이 더 증대된다. 이것은 버미첼리라고 불리는 벌레 모양의 염색체의 세포학적인 모양을 만들어낸다. 그 cohesin은 유사분열시기 염색체 응축에 공헌을 하고, Wapl에 의해 정교하게 조율이 된다. 이것은 S. cerevisiae 에서도 알려졌다.

Cohesin이 condensin과 다른 것은 염색분체 결합을 S phase 동안에 지속시키는 cohesin의 유일한 능력이다. 이 과정은 Smc3 ATPase head에 있는 Lys 레지듀들의 아세틸화가 필요하다. 그 아세틸화는 replication fork가 결합된 Eco1 (Estabilishment of cohesion 1) 아세틸효소에 의해 일어난다. 이게 DNA에 로딩이 된 다음에는 cohesin ATPase는 활성화된 채로 있다. 이것은 완전한 동적인 DNA 결합과 분열 사이클과 경쟁을 한다. 아세틸화는 DNA가 ATP 가수분해를 야기하는 것을 막게 함으로 cohesin 링을 잠근다. 이것은 이것은 어떻게 DNA 복제 동안 cohesin이 DNA 안정하게 붙어 있는지와 지속적인 자매염색분체 결합이 이뤄지는지에 대한 근거를 제시한다. 특별히, DNA를 센싱하는 Lys 레지듀는 DNA entry를 위해 비슷하게 필요하다. 이는 Smc3 아세틸화가 엄격한 시간, 공간 조절 하에서 일어나야함을 의미한다. 이 아세틸화는 두 자매염색분체를 가두기 위해 필요한 모든 ATP 가수분해 의존 DNA entry 반응을 마무리하는 것을 기다려야 한다. 하지만, 그 다음에는 한 자매분체가 링 밖으로 나가는 찬스를 가지기 전에 반드시 최대한 빨리 아세틸화가 일어나야 한다.

두 개의 자매 DNA 가닥들을 한 cohesin 링에 가두는 두 개의 상호 배타적인 방법을 상상해 볼 수 있다. 한 가능성은 replication fork가 cohesin ring을 지나가는 것이다. 이것은 복제 산물을 잡기에 효율적일 것이다. 이 경우에는 어떤 시간에서든 fork를 지나가기 전 또는 지나가는 도중에 아세틸화가 염색분체 결합을 만든다. 따라서 결합이 진행되는 동안 다른 새로운 DNA entry 반응이 필요하지 않다. 자매염색분체 결합이 DNA entry의 속도를 늦추는 cohesin ATPase 돌연변이에 그리 예민하게 반응하지 않는다는 사실과 Scc2-Scc4 cohesin가 DNA 복제하는 동안 더 이상 필수적이지 않다는 것은 이 가능성과 일치한다.

반대로, 만약 replication fork가 cohesin 링을 통과하지 못하면, condensin 비슷한 경향의 cohesin이 DNA 분자의 근접한 곳끼리 링크를 만들 수 있다. 사실, budding yeast condensin은 두 자매염색분체의 상호작용을 할 수 있게 한다. 그러나 이것은 아마 아주 동적이며, 안정적인 자매염색분체 결합을 제공할 수 없을 것이다. 자매 염색분체들은 replication fork에서부터 나왔기 때문에 서로 가깝기 때문에 cohesin 또는 condensin이 두 염색분체를 함께 포착할 수 있는 좋은 기회를 제공할 것이다. 이 경우에는, cohesin 아세틸화가 두 자매분체가 cohesin ring에 막 들어갔을 때 일어나서 한 쌍의 복제 생성물이 그 안에 고정되는 것이 중요하다. ESCO1에 의한 인간 SMC3 아세틸화가 ATP 가수 분해와 연관되어 있다는 관찰은 이것을 달성하는 메커니즘의 일부일 수 있다. 이 시나리오에서는, cohesin이 잠길 수 있는 condensin으로 생각할 수 있는데, 이것은 두 자매염색분체 결합을 replication fork 뒤에서 복제 산물을 확률적인 동시 포착하여 완성할 수 있다.

위의 두 시나리오 모두 염색분체 결합 형성에 중복으로 기여할 가능성은 인간 Eco1의 paralogue인 ESCO1과 ESCO2 분석에 의해 뒷받침 된다. 두 효소 모두 동등한 조건에서 자매염색분체 결합에 기여한다. ESCO1은 세포주기를 통해 cohesin과 직접 상호작용하고 DNA 복제와 독립적으로 G1처럼 초기 cohesin을 아세틸화한다. 일단 cohesin이 아세틸화된 후에 더 이상 새로운 DNA 가닥을 차지하지 않으면 G1에서 아세틸화된 cohesin이 자매염색분체 응집에 기여하는 유일한 방법은 고리를 통한 복제 분기 통과이다. 그러나 ESCO2는 복제 포크 바로 뒤에 있는 행동 방식과 일치하는 자매염색체 결합을 이루기 위해 복제 단백질을 증식시키는 세포 핵 항원(PCNA)과 상호 작용한다. Budding yeast에서는 Eco1의 강력한 과발현으로도 복제 포크 진행과 밀접한 관계가 있는 응집 아세틸화를 진행시킬 수 없다. Cohesin 아세틸화에 대한 시공간적 제어의 기초가 되는 메커니즘은 더 연구를 해야 한다.

Budding yeast Smc3 아세틸화가 DNA 복제 중에만 일어나는 모델은 S 단계 후에 자매염색분체 결합 형성이 가능해지는 상황과는 모순이 된다. DNA 손상에 대한 반응으로, G2/M 세포의 용해된 cohesin은 기존의 연결 고리를 강화하여 새로운 자매염색분체 결합체를 형성한다. Eco1의 과발현 또는 G2/M 시기의 Eco1 수준을 감소시키는 Eco1에 대한 Cdk phosphodegron의 파괴는 이 시점에서 추가적인 결합 형성을 허용하기에 충분하다. DNA 손상 반응 경로가 응집 형성에 기여하는 방법과 Smc3 이외의 cohesin 소단위(아마도 Scc1)가 이러한 조건에서 아세틸화 수용체인지 여부는 아직 중요한 질문이다.

척추 동물에서 S 단계의 SMC3 아세틸화는 추가적인 필수 cohesin 복합체 성분인 sororin을 끌어오려고 유도하며, sororin은 PDS5에 결합하기 위해 WAPL과 경쟁한다. SMC3 아세틸화는 sororin 동원에 필요하지만 S 시기에 아세틸화가 외부에서 발생하는 경우에는 sororin을 끌어 당기지 않는다. S 시기에서 얻은 sororin 도킹 부위의 분자 성질이 중요하다. 하나의 가능성은 replisome의 맥락에서 ESCO2가 두 DNA 감각 Lys 잔기 이외에 cohesin 잔기를 아세틸화시키는 것이다.

척추 동물에서 발생하는 또 다른 수수께끼는 세포가 유사 분열에 들어감에 따라 염색체에서 cohesin을 제거하는 것과 관련이 있다. cohesin의 상당 부분이 세포가 유사분열로 들어가기 전에 염색체에서 제거한다는 것은 전기 경로로 알려져 있다. 이것은 분리 효소(separase) 절단이 필요하지 않지만 sororin을 인산화시켜 cohesin과의 상호 작용을 불안정하게 하는 유사 분열 kinase에 의해 촉진된다. WAPL은 cohesin unloading을 촉진시킨다. cohesin의 prophase에서 없어지는 것은 성공적인 유사분열을 위해 중요하다. WAPL이 결여된 세포에서 염색체 분리 실패가 관찰이 되었다. 이는 아마도, 초기 cohesin 제거가 DNA catenation의 resolution을 촉진시킬 것이기 때문이다. Cohesin이 아세틸화된 상태의 전이 경로에 의해 염색체에서 방출되는 것으로 제안되었다. 이것은 아세틸화가 인간 세포에서 cohesin을 안정화시키기에 불충분함을 나타낸다. 인간 세포의 세포주기가 budding yeast의 세포주기보다 10배 이상 크기보다도 길기 때문에 아세틸화에 의해 폐쇄되는 ATPase head gate와 sororin의 조절하에 있는 SMC3-kleisin gate는 염색체에 응집을 확보하기 위해 잠겨있어야 한다. 전 초기 단계에서 centromeres의 sororin은 shugoshin-PP2A phosphatase complex에 의해 유사 분열 kinase로부터 보호되어 분리 효소가 활성화되어 cohesin을 분해하고 후기를 유발할 때까지 영역의 자매염색분체 결합을 보존한다.

8. 게놈 안정성(genome stability)에서의 SMC 복합체

Smc5-Smc6 복합체는 모든 진핵생물에서 제 3의 필수적인 SMC 복합체를 형성한다. 이것은 재조합에 의한 DNA 복구에서 중요한 부분을 담당하는데, 재조합 중간체의 분해를 촉진한다. 그러나 다른 재조합 단백질은 단순한 진핵생물의 생존에 필수적이므로 복합체의 진정한 본질적인 기능은 아직 이해가 안되었다. 최근의 연구는 G2나 유사 분열에서의 이 단백질 복합체의 필수적인 역할을 축소시켰다. 하나의 아이디어는 Smc5-Smc6 복합체가 없으면 재조합에 의한 후속적인 수리를 필요로 하는 후기 복제 동안 DNA lesion을 야기한다는 것이다. DNA 위상과 관련된 역할은 또 다른 실마리가 될 것이다.

Smc5-Smc6 복합체 외에도 cohesin과 condensin은 DNA lesion에도 반응한다. Cohesin과 Smc5-Smc6은 DNA 손상 반응의 일부로 이중 가닥 DNA 절단 부위에 축적된다. Cohesin은 homologous recombination에 의한 수선을 용이하게 하기 위해 DNA 손상 부위 주위에 자매염색분체 결합력을 강화시킨다. 기존에 있는 cohesin 결합 부위 근처에서 DNA 손상이 일어나는지 안일어나는지에 따라 DNA 손상 복원의 결과가 영향을 받는지 여부는 흥미로울 것이다. 또한, cohesin은 그 근접성을 유지하기 위해 끊어진 말단 사이의 링크를 설정할 수 있다. 핵에서 염색질의 빠른 움직임을 고려할 때, 손상된 DNA의 cohesin에 의한 말단들의 고정화가 되는 것이 DNA 복구를 위해 아주 중요하다.

Condensin은 다시 Smc5-Smc6 복합체와 함께 효모에서 정지된 DNA 복제 포크에 축적된다. Condensin은 복제 스트레스 이후 인체 세포에서 구조적 염색체 완전함을 유지하고 또한 분열 효모에서 자외선 손상 복구에 기여한다. DNA 단절시 cohesin과 유사하게 condensin은 정지된 복제 포크를 안정화시킬 수 있다. 하나의 가닥이 파손되어 표류하는 경우 복제 재시작이 훨씬 어려울 수 있다. SMC는 DNA가 끊어지거나 포크가 멈추는 곳에서 작용되어서, 부서진 뼈 주위에 발라진 깁스 같이 부서지기 쉬운 구조를 안정화시킬 수 있다.

9. 결론

SMC 복합체들의 defect들은 질병을 일으킬 수 있다. 앞으로 해결해야 하는 중요한 질문들은 어떻게 한 조각 이상의 DNA와 이 단백질들이 interaction을 할 수 있는지, 어떻게 이들의 interaction이 인간 염색체 형상을 만들어내는지 이다. 고해상도 구조 관찰과 이들의 양상을 단분자 레벨에서 관찰함과 동시에 생화학, 유전학, 게놈 접근법들은 앞으로 어떻게 염색체가 형상화 되는지 어떻게 염색체가 우리의 건강을 유지하게 하는지를 밝혀내는데 기여하게 될 것이다.

• SMC 복합체들과 사람 질병

SMC 복합체에 있는 defect과 이것들의 조절하는 인자들은 아주 많은 인간의 악성 종양들과 질병들과 관련이 있다. 많은 질병들이 SMC 복합체의 염색체 segregation과 gene 조절 능력과 연관이 있다고 생각되고 있다. 대부분 사람 종양은 염색체 불안정성으로 특징이 지어졌다. 이것은 악성종양을 일으킨다. 이것은 종종 SA2 cohesin 서브유닛의 loss of function 때문에 일어난다. SA2는 X 염색체에 encode 되어 있다. 그래서, 단일 돌연변이로도 X 염색체의 불활성화를 일으킬 수 있다.

더 미묘하게, cohesin의 subunits로 encode되어 있는 유전된 돌연변이들은 코넬리아 디란지 증후군(Cornelia de Lange syndrome, CdLS)으로 알려진 심각한 정신질환을 일으킨다. CdLS의 대부분의 경우에는 NIPBL의 돌연변이가 원인이 된다. 이 NIPBL는 cohesin loader 역할을 하는 Scc2의 상동 유전자이다. CdLS는 Coffin-Siris 증후군과 비슷한 임상적 유사성을 가지고 있다. 이 Coffin-Siris 신드롬은 인간 RSC (remodels the structure of chromatin) nucleosome 리모델링 복합체의 돌연변이와 관련이 깊다. 이것을 보면, nucleosome landscape이 전사 기작의 변화를 주어서 이 증상을 일으켰을 수 있다. 또는 cohesin이 관여하는 enhancer-promoter의 상호작용이 영향을 미쳤을 수도 있다. CHOPS (cognitive impairment and coarse facies, heart defects, obesity, pulmonary involvement, short stature and skeletal dysplasia) 증후군도 역시 CdLS의 특징을 가지고 있다. 그리고 이것은 AFF4 (AF4/FMR2 family member 4)의 돌연변이와도 관련이 깊다. 그리고 romoter가 중지시킨 RNA polymerase II의 전사 과정을 재시작하는 것을 촉진시킨다.

Roberts 증후군은 발달장애인데, ESCO2의 비활성화 때문에 발생이 된다. 이것은 자매 chromatid 결합 오류와 전사 오작동과 연관이 있다고 한다. Acetylation은 cohesin의 전사 조절 능력을 조율한다. CHLR1 (CHL1-related protein 1) helicase의 돌연변이는 Warsaw breakage 증후군을 일으킨다. 임상적인 특징은 소두(小頭)증과 발달 장애이다. CHLR1이 자매 chromatid 결합에 영향을 미치는지, replication fork progression 영향을 미치는지, 아니면 둘 다 동시에 미쳐서 질병에 영향을 주는지는 아직 모른다.

Condensin II의 조절을 담당하는 Microcephalin 1 (MCPH1)의 돌연변이는 소두증을 유발하는 주요 요소로 뇌의 크기가 줄어드는 것으로 특징지어진다. 이런 것들을 봤을 때 condensin 돌연변이가 또 다른 질병의 근원이 될 수 있을 것이라는 것은 별로 놀랄만한 사실이 아니다.

SMC5-SMC6 복합체의 서브유닛인 NSE2의 이형 접합체의 돌연변이는 원발성 난장이(primordial dwarfism)와 인슐린 저항을 일으킨다. NSE3의 돌연변이는 면역 결합, 폐 손상, 방사성 민감성을 일으키는 증상과 연관이 있다고 밝혀졌다. 이것이 어린 시절 폐렴으로 죽게 만들기도 한다.

출처 : 생물학연구정보센터(BRIC)  (바로가기)