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SMC 복합체 기능의 통일적인 모델
SMC 복합체 기능의 통일적인 모델 저자 류제경 (델프트공과대학교, 네덜란드)
등록일 2019.04.02
자료번호 BRIC VIEW 2019-R07
조회 608  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
Structural Maintenance of Chromosome (SMC, 염색체의 구조 유지)이라는 단백질 군은 모든 생명체에서 유전체의 구조를 구성하는 아주 중요한 요소들이다. 어떻게 이렇게 큰 링 모양의 분자 기계가 ATP 가수분해를 이용해서 염색질의 위상을 변화시키는지는 여전히 염색체 생물학에서의 풀리지 않은 숙제이다. 최근 급부상하고 있는 개념은 SMC 단백질 복합체들이 유전자 발현, 염색체 분열 또는 DNA 손상 복구에서 DNA를 아주 큰 loop 구조를 만드는 데 중요한 역할을 할 것이라고 제안하고 있다. 여기에 생화학과 구조적인 특징을 분석을 해보고, 어떻게 이 단백질들이 DNA 룹을 형성하는지 알아보고, 다른 모터 단백질들과 핵산 translocase들과 비교를 하는지 리뷰하려고 한다. 또한 더 디테일한 scrunching model을 제안해보면서 이것이 어떻게 기존 데이터들과 잘 맞는지를 보여주려고 한다.
키워드: SMC 단백질, Loop 돌출 모델, Hinge 도메인, Head 도메인, Walking model, Scrunching model
분야: Molecular_Biology, Structural_Biology
본 자료는 Towards a Unified Model of SMC Complex Function. Current Biology, 28(21), R1266-R1281.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 무엇이 룹 돌출을 하게 하는가?
  1.1 외부 모터의 힘을 이용하는 모델
  1.2 모터 없이 작동하는 메커니즘
  1.3 SMC 단백질이 DNA 모터인 모델
2. SMC의 구조변화
  2.1 SMC 코일드 코일의 열고 닫힘 작용(coiled-coil gating)
  2.2 SMC ATPase head 도메인의 구조 변화
  2.3 SMC hinge 도메인의 구조변화
  2.4 SMC-클라이신 링의 열림과 닫힘
3. DNA 룹 돌출 기계로서의 SMC 복합체의 모델들
  3.1 연속적인 걷는 모델
  3.2 확장된 스크런칭 모델
4. 결론

요점

1. 어떻게 염색체가 정교하게 구성되고 분해가 되는지는 생물학의 중요한 문제 중의 하나이다.
2. SMC 단백질이 이 정교하게 구성하는 데에 가장 중요한 단백질 중의 하나이다.
3. SMC이 단백질은 DNA 룹(loop)을 만들어 냄으로 염색체를 응축시킨다고 알려져 있다.
4. DNA Loop extrusion(룹 돌출) 모델로 외부 모터에 의한 모델, 모터 없이 엔트로피 힘에 의한 확산에 의해서 작동된다는 모델, 그리고 SMC 자체가 DNA 모터인 모델이 있다.
5. SMC의 coiled-coil의 구조변화가 loop을 만드는 데 중요한 역할을 할 것이다.
6. SMC에 의한 룹 돌출 모델에는 두 가지가 있다. 하나는 걷는 모델(walking model)로 SMC가 마치 DNA 를 걸어가듯이 응축시킨다는 모델과 다른 하나는 스크런칭 모델(Scrunching model)로 반복적인 두 부분의 SMC의 붙고 떨어짐을 통해서 DNA의 loop이 만들어진다는 모델이다.


1. 무엇이 룹 돌출을 하게 하는가?

1.1 외부 모터의 힘을 이용하는 모델

SMC가 관여하는 Loop extrusion(룹 돌출)의 모델 중 가장 중요한 것은 에너지의 원천이 무엇인가이다. ATPase 도메인을 가지고 있다는 것 이외에 어떻게 이 ATP 가수분해가 SMC 단백질의 모터 액션을 만들어 내는지에 대한 근거는 거의 없다. 게다가 ATP 가수분해 속도는 0.1 ~ 2 ATP/sec로 아주 느리다. 이것을 다른 DNA 모터 단백질과 비교하면 현격하게 느린 것이다. 다른 단백질들은 ~ 수천 ATP molecules/sec 정도 된다. 이런 아주 낮은 ATPase activity는 어떻게 SMC의 ATP 가수분해가 아주 재빠른 룹 돌출을 만들어 내는지를 상상하기 쉽지 않다. 이 룹 돌출은 최근에 Hi C 실험 결과에 기반한 것이다. 특별히 bacteria에서의 SMC 단백질들은 초당 수백 base pair를 움직인다. 그래서 외부 DNA 모터 단백질이 DNA를 SMC 단백질 링을 통과하면서 움직인다고 생각하게 된 것이다.

Cohesin 단백질이 budding 효모와 mouse의 embryonic fibroblast에서 Wapl과 CTCF 둘 다 없을 때, convergent 유전자 전사에 몰려 있다는 것은 RNA 합성효소가 cohesin을 염색질 섬유로 밀 것이라는 가설을 가지게 했다. 이 시나리오에 의하면 cohesin은 DNA 이중 나선에서 DNA에 위상적으로 결합된 상태에서 미끌어질 것이라 생각할 수 있다. 이것은 원형 미니염색체가 직선화될 때 cohesin이 떨어져 나가는 현상을 설명할 수 있게 된다. 그리고 salt-resistant cohesin 단백질이 단분자 실험에서 무작위적인 확산으로도 관찰이 된다. 이때 0.2 ~ 3.8 μm2/s의 확산이 관찰되었다. 그리고 salt 농도가 높아질 때 이것의 확산 속도가 증가됨을 확인할 수 있었다. 이것은 아마 cohesin이 DNA와 정전기적 상호작용을 할 것이라는 것을 생각하게 한다. 또한 이것을 감싸듯 결합한 것이라 보인다. 반면 11 nm 사이즈의 뉴클레오좀을 cohesin은 통과한다. 물론 확산 속도는 줄어들게 된다. 그러나 20 nm 이상 되는 장벽은 통과시키지 못한다. 또한 박테리아 RNA 중합효소는 cohesin을 DNA 위에서 몇 kbp 이상을 움직이게 했다. 역시 다른 DNA 모터 단백질인 DNA 자리 옮긴 효소인 FtsK도 그런 적용을 만들었다. 그래서 외부 모터, 로드 블락과 cohesin 링의 결합된 효과는 DNA 위에서 확산되고, 이것은 모터가 미리 형성된 룹 안에 있다면, DNA loop을 만들어 내는 효과를 만들 것이다.

그러나, mouse zygotes에서, 전사가 일어나기 전과 초파리 배아에서 전사가 inhibitor(억제제)에 의해서 억제될 때 cohesin에 의한 새로운 TAD(위상적으로 결합된 도메인) 형성을 설명하기는 어렵다. cohesin을 없애고, 다시 인덕션시켰을 때 또는 B 세포 활성화에서도 역시 전사의 억제는 TAD 형성에 아무런 영향을 주지 않았고, 또 cohesin의 분포에도 영향을 주지 않았다. RNA 중합효소가 cohesin 링을 밀어낸다는 것은 어떻게 이 복합체가 염색질 섬유 위에서 움직이는지를 설명할 수 없다. 게다가 cohesin 링에 의해서 DNA가 잡힐 때, 이것이 위치 이동의 전 단계 같아 보이지는 않는다. 왜냐하면, 위상적 결합에 중요한 cohesin의 hinge 도메인과 ATP binding stites의 돌연변이는 동원체에서 30 kbp 떨어진 위치까지 이동하는데 변화를 주지 않았다. 그래서 cohesin을 작동시키는 힘이 외부 모터에 의해서 수동적으로 미끄러짐으로 생긴다는 모델은 쉽게 설명되지 않는다.

1.2 모터 없이 작동하는 메커니즘

최근 컴퓨터 시뮬레이션에서는 점차적으로 커지는 DNA loop은 SMC 단백질 복합체의 로딩과 확산으로 설명했다. 이 모델에서는 로딩 사이트에서 cohesin이 새로 영입됨으로 생기는 삼투압이 발생해서 랫쳇 기작이 생긴다고 제안했다. 이것 때문에 cohesin이 로딩 사이트에서부터 멀어지게 되고, 결국 경계를 짓는 요소인 CTCF가 부착된 DNA 영역까지 이동한다고 생각한다. 이 경계를 짓는 요소는 cohesin의 확산을 제약하게 한다. 만약 몇 개의 cohesin이 두 개의 DNA를 연결시켜준다면 결국 cohesin이 경계를 짓는 요소를 만날 때 DNA loop의 안정화되는 현상이 만들어지게 될 것이다. 아마 이러면 Hi C 결과를 설명할 수 있게 된다.

이런 모델들이 가상환경에서 cohesin 로딩과 확산의 열에너지로부터 발생된 energy에 의해서 룹 돌출이 생긴다고 생각해 볼 수 있다. 이것들은 정상(stead-state) 상태의 cohesin이 Scc2-Scc4 로더 복합체가 차지한 자리에 cohesin이 있을 것이라 생각해 볼 수 있다. 반면 이런 현상은 Chip-seq 결과에서 관찰이 되지는 않는다. 아마 인간 세포에서의 ATP를 없앴을 때 관찰이 되거나, ATP 가수분해가 효모세포에서 돌연변이 때문에 저해되었을 때 나타날 것이다. 따라서 ATP 가수분해는 cohesin을 로딩할 때 필요하거나, 로딩 사이트로부터 확산하게 하는데 또는 염색체를 능동적으로 움직이게 할 때 일어날 것이다. 하지만, 이런 삼투압에 의한 룹 돌출은 condensin 복합체에서는 쉽게 설명이 안 된다. 이 condensin은 게놈에서 아주 변화가 심한 위치에서 작동하는데, 이 위치는 삼투압으로 생각하기 쉽지 않기 때문이다.

1.3 SMC 단백질이 DNA 모터인 모델

아직까지의 데이터로는 SMC 단백질이 수동적으로 확산에 의해서 움직이며 룹을 만들어내는지, 또는 외부 모터에 의해서 수동적으로 움직이며 룹을 만들어내는지를 명확하게 받아들일 수 없다. 따라서, SMC 단백질의 로딩 이외의 ATPase activity가 작동하는지에 대해 생각해 볼 필요가 있다. 무엇보다, 최근 외부 모터 단백질 없이, 정제된 condensin 1, topisomerase II, histones과 3개의 다른 히스톤샤페론으로부터 염색체 같은 구조를 in vitro에 만들어 냈다는 것은 외부 모터 단백질이 아마도 필요 없다고 보여진다.

이 단백질이 SMC 모터라는 데에 대한 더 직접적인 근거들이 나타났는데, 그것은 Budding 효모 condensin이 ATP에 의존하여 람다DNA를 순차적으로 움직였다는 것으로 증명이 되었다. 이동 속도는 60 bp 정도가 되었고, 한번 움직이면, 방향이 돌거나 떨어지지 않고 수 kbp를 움직였다. 반면 ATP 결합 돌연변이를 도입해서 실험했을 경우, 이 움직임이 없어지는 것을 확인하였다. 여기에 DNA를 표면에 양쪽 끝에 부착하여 실험을 해서 작은 장력에서 실시간으로 DNA 룹이 형성되는 것을 관찰하였다. 이것 또한 ATP에 의존되는 성질이 있었고, 지속적으로 DNA 룹이 팽창되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이 룹 돌출 속도는 장력과 상관관계가 있었는데 장력이 높을 때는 초당 100 bp를 움직였지만, 장력이 낮은 경우네는 1.5 kbp까지 움직이는 것을 확인할 수 있었다. 이 장력 이 낮았을 때는 DNA slack이 있는 조건일 것이다. 그러면서 1 pN의 장력이 가해지면 DNA 모터는 정지가 되었다. 이는 자기 집게 실험에서도 확인이 되었다.

세포 안에서도 condensin이 DNA를 ATP에 의존해서 움직이는 것이 확인되었다. DNA 복제 시작 점인 ParS 근처에서 condensin이 로딩이 되었고, 원형 염색체의 양쪽 팔에서부터 zip up이 되는 형태로 구성되는 것을 관찰했다. 또한 실시간 Hi C와 Chip-seq 결과로 이 속도가 0.9 kbs/s 정도로 일정하게 유지되는 것을 확인했고, 이는 budding 효모 condensi의 룹 돌출 속도와 비슷한 속도였다. 또한 ATP 가수분해를 정지시킨 돌연변이를 사용했을 경우에는 이 SMC 단백질이 ParS에 계속 축적되는 것을 관찰했다. 또한, 전사 machinery를 억제시켰을 때, SMC는 두 개의 염색체 팔을 juxtaposition으로 zip up이 불가능함도 보여졌다. 이 결과는 수동적인 확산에 의해서 룹 돌출이 일어난다는 것이 불가능하다는 것을 이야기한다.

2. SMC의 구조변화

2.1 SMC 코일드 코일의 열고 닫힘 작용(coiled-coil gating)

최초의 고해상도구조가 BsSMC에서 cross-linking된 결정 구조로 얻어졌는데, 이 결과로 막대기 모양의 SMC 팔 두 개가 정렬된 것이 확인되었다 (그림 1A). 또한 ATP에 의한 head 이합체화 과정을 위해서는 꽤 큰 돌아가는 구조변화가 ATPase head 도메인에 요구가 된다. 또한 이 도메인의 움직임도 요구가 된다. 이 때문에 coiled-coil은 기울어지게 되어서 열린 구조가 결정구조에서 관찰되었다.

SMC의 두 개의 상태가 관찰이 되었는데 ATP가 붙었을 때는, 두 coiled coil이 떨어지게 되었고, 이것은 hinge 연결 때문에 구부러진 구조를 만들었다. ATP 가수분해가 일어나면 구부러진 구조의 장력이 없어지기 때문에 곧아진 구조가 보인다. Head 도메인이 떨어지게 했고, 다시 막대기 모양으로 zip up 된다. 이런 막대기 모양은 원핵세포 또는 진핵세포의 SMC를 EM, AFM으로 찍었을 때, 그리고 이것은 cross-linking exp, crystal structure, small angle X ray scattering과 일치하였다. 이런 stiff 한 coiled coil은 mechanical energy를 스프링-loaded 된 것처럼 작동할 것이라 생각한다. 하지만, 이것은 EM 결과와 일치하지 않는다. EM에서는 bent 또는 kinked 된 coiled coil이 BsSMC, cohesin에서 관찰이 되었기 때문이다.

막대기 모양에서도 kink가 fission 효모 condensin에서도 관찰되었다. 이는 아마 deposition을 할 때 생기는 surface artifact 또는 drying artifact와 연관이 있을 것 같다. Straight/bent/kink conformation은 artifact일 수 있다. HS AFM에서는 아주 flexible 한 coiled-coil이 관찰이 되었고, 아주 dynamic하게 기존에 관찰이 되었던 state를 움직였다. 또한 hinge가 두 개의 head 도메인 아니면 하나의 head 도메인에 붙는 것을 관찰하였다. 딱딱한 막대기 모양은 아마도 open shape와 switch 가 되는 것 같다. 하지만, 단단한 링 구조와는 너무 다르게 flexible 한 것이 관찰이 되었다.

2.2 SMC ATPase head 도메인의 구조 변화

SMC arms의 빳빳한 구조와 늘어진 원형 coiled-coil 구조의 변화는 head 도메인의 구조변화와 연관이 있는 것 같다. 이게 ABC 생체막 transporter와 연관시켜서 이해를 하면 좋다. 이 transporter는 ATP 가수분해를 이용해서 작은 ligands를 생체막을 통과시키는 역할을 한다. 핵산 부착 도메인(NBDs)은 두 개의 sub 도메인으로 되어 있다. 하나는 RecA 비슷한 도메인이고, DNA와 RNA translocase에 있다. 이 도메인은 Walker A와 Walker B 도메인을 가지고 있고, ATP 가수분해와 ATP를 coordination 하는 데 중요한 역할을 한다. 두 번째 도메인은 helical sub 도메인인데 ABC signature motif (LSGGQ)와 Q-loop motif를 가지고 있다.

모든 ABC transporter에서는 2개의 ATPase sties가 두 개의 NBD의 이합체가 만들어지는 것으로 밝혀졌고, 이 이합체는 정반대의 방향을 향한다. 이 도메인의 ATP가 붙은 구조와 nucleotide free conformation의 switch가 중요한데, 이것이 ligand translocation의 이동의 중요한 역할을 하게 한다. 이 switch는 TMD에 붙어 있는 conserved 된 coupling helix를 통해서 에너지가 전달된다. SMC 단백질에는 이런 coupling helix에 대한 증거는 없다. Q-loop은 두 개의 ATPase sites의 mechanistic coupling에 필수 조건이다. 왜냐하면 이것의 location이 두 개의 도메인을 연결시키는 부분에 있고, 이 부분이 ATP 가수분해를 위해, ATP phosphodiester bond를 가수분해를 위한 nucleophilic water molecule을 위치시키는 데 중요하기 때문이다.

박테리아 SMC 단백질의 nucleotide-free와 dimeric ATP-bound state는 helical sub 도메인의 rotation뿐만 아니라 Q-loop의 방향의 상당한 shift를 보여주었다. Q-loop의 이동은 SMC ATPase의 구조 변화 에너지를 전달하는데 중요한 것 같다. 이러면 coupling helix가 필요 없을지도 모른다. 또한 ATP binding이 RecA 같은 sub 도메인에서의 flexible R-loop의 구조를 재조정하는 것도 관찰이 되었다. 이 R-loop arginine은 SMC와 Rad50 단백질에서 conserved 되어 있다. 하지만, ABC transporter에서는 아니다.

2.3 SMC hinge 도메인의 구조변화

다양한 SMC 복합체의 hinge 도메인에서 적어도 2개의 분명히 다른 conformational 상태가 관찰되었다. 먼저는 ‘closed’ 구조인데, 두 개의 coiled coil의 구조가 가까이 접근한 형태로 되어 있는 구조이고, 다음은 ‘open’ 구조인데, coiled coil이 벌려진 구조이다. SAXS와 Protein-protein crosslinking 실험에서 관찰이 되었다. hinge torus를 보면 budding 효모와 human condensin에서 fission 효모 SMC 5/6 hinge 도메인에서 coiled coil axis에 비해 tilt 된 것을 관찰했다. SMC coiled coil이 rod shape 로 구성이 되었다 하더라도, hinge 도메인의 contact point는 적당한 flexibility를 가지는 것으로 보인다. 아마도 hinge 도메인에 DNA가 붙을 때, open conformation을 만들 것 같다. 이게 아마도 SMC의 ATPase 도메인에 의한 open state와 closed state의 switch와 관련이 있을 것이다. 이것이 아마도 coiled-coil gating model을 제어하는 binding site일 것 같다.

이 hinge의 (pseudo-)symmetric torus 구조는 crystal structure로 많이 관찰이 되었는데, 이 interface 두 개 중 하나는 분리가 되어 있음이 관찰되었다. 만약 이런 half-dissociated state가 액상에서 존재를 하게 된다면, 아마도 hinge torus의 중앙에 있는 conserved 되어 있는 아주 positive 전하를 띄고 있는 부분은 dsDNA와 상호작용하는데 중요한 기작을 할 것이다. 이런 DNA binding site는 아마도 DNA 룹 돌출 동안에 translocation mechanism으로 중요한 역할을 수행하게 될 것이다. 반면에 DNA가 한번 붙게 되면, 두 번째 hinge interface가 열리고, 동시적으로 첫 번째 interface가 다시 닫혀서 dsDNA를 SMC 링 안으로 topological entrapment를 하게 만들 것이다.

이 hinge channel 부분을 돌연변이 하는 경우, cohesin에서는 cohesin의 염색체 위에서 이동하는 양은 변함이 없는데, chromosomal DNA를 감싸는 cohesin의 양이 줄어들거나, sister chromatid cohesion이 줄어드는 것이 관찰되었는데, 이 현상이 hinge와 topological entrapment에 관여한다는 것을 보여주는 것 같다. 이 시나리오가 맞다면, SMC 단백질의 원래 기능은 핵산 위에서 translocation 하는 것일 수 있다. 어떻게 연속적인 SMC hinge 도메인의 열림과 닫힘이 조절되는지는 아직도 미스터리이다. 그러나 hinge interface의 disengagement는 아마도 SMC ATPase head 도메인에 의해 control 될 것 같다. Stiff rod의 coiled coil에 의해서 조절이 되는지 아니면, flexible coiled coil 때문에 생기는 head와 hinge의 interaction 때문에 조절이 될 수도 있다. 어떤 모델이든, 아직, BsSMC의 hinge 도메인을 Rad50의 zinc-hook dimerization 도메인으로 치환시켰을 때 SMC 기능이 B. subtilis에서 잃어버리지 않은 사실을 설명할 수 없다.

2.4 SMC-클라이신 링의 열림과 닫힘

여전히 SMC hinge가 열리는지, SMC-클라이신 interface가 DNA의 entry로 열리는지는 아직 의견이 분분하다. 일반적으로 받아들여지는 가설은, 클라이신 subunit의 proteolytic cleavage가 SMC의 un 로딩에 영향을 미치고, Scc1 클라이신 subunit의 N terminal 부분이 Pds5와 Wapl에 의해서, Smc3의 vSMC coiled coil에서부터 떨어지는 것이 SMC의 gating에 중요하다고 생각하고 있다. 이 evidence는 Smc3와 Scc1의 fusion 또는 artificial dimerization에서부터 찾을 수 있다. 이들을 이용했을 때 cohesin dissociation이 줄어드는 것을 효모와 fly, human cultured cell에서 관찰이 되었다. 또한, 이 부분을 돌연변이를 시켰을 때, 효모와 human cell에서 cohesin의 염색체에서의 stable binding이 저해되고, sister chromatid cohesion도 저해가 되는 것을 확인했다.

Smc1 k-SMC ATPase head가 없을 때, Pds5에 의해서 Scc1이 Smc3 coiled coil의 분해가 되어서 cohesin이 release가 되는 것이 관찰되지 않았다. SMC ATPase의 돌연변이는 Pds5와 Wapl에 의한 DNA plasmid로부터의 cohesin unloading이 줄어들게 했다. 이는 ATPase cycle이 unloading에 중요하다는 것을 의미하고, 이것은 Scc1이 Smc3와 disengagement 되는 것에 영향을 줌을 이야기한다.

Smc1 ATPase head의 signature motif의 돌연변이(Smc3 ATPase head는 아님)는 mitotic prophase 동안에, cohesin이 염색체로부터 release가 강하게 줄어들게 했다. 이는 2개의 ATPase site가 링 열림에 다른 contribution을 하는 것을 보여주는 것이다. 또한 mechanistic level은 모른다.

ATP에 의해서 SMC head dimerization 과정 중에 생성되는 구조 변화로 인해 생긴 에너지는 Pds5, Wapl, Scc3의 Stiff mechanical linker에 의해 Scc1을 Scc3로부터 분리되게 만들 것이다. 여전히 어떻게 SMC 링의 열리고 닫히는 것이 DNA의 transport에 영향을 주는지는 모른다. Cohesin 링과 coordination 되는지도 잘 모른다. In vitro에서는 Pds5, Wapl과 Scc3가 DNA에 대한 affinity가 있다. 즉 이 단백질이 DNA의 움직임을 guide 할 수 있다. Rad50 crystal을 보면 정확하게 Smc3의 coiled coil에서의 DNA binding site가 일치했다. 이 부분은 Scc1의 N-terminal이 붙는 부분이다. 이것을 통해서 cohesin 링 안으로 DNA가 붙게 할 것이다.

Prokaryotic SMC complex와 cohesin의 entry or exit gates는 ATPase activity에 의존한다. E. coli에서 MukF 클라이신 subunit의 overexpression은 MukBEF를 bacterial 염색체로부터 분리시키게 했다. WHD subunit이 아마 클라이신-SMC의 상호작용을 조절할 것이다.

3. DNA 룹 돌출 기계로서의 SMC 복합체의 모델들

모델들을 설명하기 위해서, 먼저 서로 상반되는 모델들이 있다. 먼저는 Hi C 결과에서는 symmetric 룹 돌출을 보였는데, 단분자 실험에서는 asymmetric 룹 돌출이 관찰되었다. 이렇게 되면 DNA 두 region의 두 개의 복합체가 서로 반대 방향으로 loop을 만들 때 이 condensin 사이가 folded 되지 않는 경우가 발생하게 된다. 물론 이것은 condensin이 많이 분리되고 다시 반복해서 붙는다면 해결이 될 문제이다. Human condensin I 이 재빠른 turnover가 있는 것을 봐서는 설명이 가능할 것 같다. Ancho 링 때문에 unidirectional한 SMC의 움직임이 있다면 Hi C에서 stripe들이 관찰이 되어야 하는데, 실제로 그렇지 않았다. CTCF-binding site에서만 이 현상이 발견이 되었다. 아마도 general한 것 같지는 않다. Condensin이 random하게 로딩이 된다면 stripe은 없을 수 있을 것이다.

모델을 만들 때 chromatin fiber에서 nucleosome과 다른 DNA-bound protein들의 장벽들을 넘어 탈 수 있는 모델들을 생각해서 모델을 만들어 봤다.


SMC 이합체의 구조변화
그림 1. (A) SMC 이합체의 구조변화. ATP가 붙으면 O 형태로 되었다가 ATP가 가수분해되면서 I shape으로 바뀐다. 그리고 이 늘어진 팔이 꺾였다가 hinge와 head가 부착된 완전히 접힌 구조가 만들어진다. (B) 연속적인 걷는 모델. 두 개의 ATPase head domain이 연속적으로 붙었다 떨어짐을 반복하면서 loop을 만들어낸다. (C) ATP 가 붙으면서 I shape에서 O shape으로 SMC 단백질이 바뀌었다가 다시 접힌 구조로 만들어지면서 loop을 만들어낸다.


3.1 연속적인 걷는 모델(그림 1B)

두 개의 ATPase head 도메인이 각각에 DNA에 붙어서 ATP 가수분해를 이용하여, 하나는 contact된 채로 있고, 다른 하나는 떨어졌다가 다시 먼 DNA에 붙고, 또 이게 붙으면 다른 하나가 떨어져서 또 먼 곳에 DNA에 붙고 떨어짐으로 반복하면서 다른 모터 단백질처럼 작동된다는 모델이다. 이러면 step size가 SMC arm의 크기와 연관이 있거나 아니면 클라이신 도메인과 관련이 있게 된다. 하지만 아직까지 ATPase head 도메인이 DNA에 붙은 것은 관찰이 되지 않았다. 또한, 이 모델에서는 SMC 단백질이 bi directional하게 움직여야 하는데 단분자실험에서는 두 방향의 움직임이 관찰되지 않았다.

3.2 확장된 스크런칭 모델(그림 1C)

두 개의 서로 다른 DNA binding site가 DNA에 붙고 떨어짐을 반복함으로 loop이 만들어진다는 모델이다. 하나의 binding site는 SMC head 도메인에 있고, 다른 하나는 hinge 도메인에 있다고 생각된다. DNA가 disengaged된 head 도메인에 붙고, SMC arm은 juxtaposed coiled coil로 되어 있는 다음에 SMC가 수동적으로 folding이 되어서, head 도메인과 hinge 도메인이 붙게 된다. 그러면 DNA가 다시 head 도메인에 붙고, 떨어짐으로 다시 translocation cycle이 진행된다.

ATP 가수분해는 아마 coiled-coil 구조의 열림과 닫힘에 관련이 있을 것이라 생각한다. 또한 SMC coiled-coil arm의 stiffening 효과는 파워 스트로크를 만들어 낼 것이라 생각한다. 또한 아마도 부수적인 anchor site 때문에 지속적인 룹 돌출이 일어날 것이라 여겨진다. 이 모델은 condensin이 큰 nucleosome 같은 것도 룹 돌출할 수 있을 것이라 생각한다.

4. 결론

이제까지 SMC 단백질들의 총체적인 특징을 설명하는 데에는 여전히 많은 한계가 있었다. SMC 단백질들은 chromatinized DNA 위를 이동하고, 이동하면서 chromosome 구조를 만들어낸다. 이 단백질들은 chromosomal biology에 중요한 역할을 하고 있다. 이 논문에서는 어떻게 SMC 단백질들이 DNA-loop-extruding 효소로 작동하는지에 대한 기작을 이제까지의 연구들을 기반으로 다양한 모델들을 설명하였다. 무엇보다 가능한 transient DNA binding site를 살펴보면서, 모델들을 설명하고자 했다. 앞으로 더 남은 숙제는 이 loop extrusion을 시키는 enzyme들이 load blocker를 만났을 때 어떻게 행동하는지와 DNA의 topology가 바뀌었을 때 어떻게 행동하는지가 중요한 과제일 것이다.

또한 어떻게 이 SMC 단백질들이 histone과 상호작용을 하는지에 대한 것도 중요한 SMC 단백질들을 이해하는 데 도움을 줄 것이라 생각한다. 또한, 다른 SMC 단백질도 비슷하게 작동하는지도 중요한 과제일 것이다.

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류제경(2019). SMC 복합체 기능의 통일적인 모델. BRIC View 2019-R07. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3200 (Apr 02, 2019)
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