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장성민
장성민(Seongmin Jang) 저자 이메일 보기
KAIST
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Structural basis of recognition and destabilization of the histone H2B ubiquitinated nucleosome by the DOT1L histone H3 Lys79methyltransferase

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

Histone tail의 methylation, acetylation, ubiquitination, phosphorylation 등을 비롯한 화학적 변형이 유전자의 발현과 세포 대사에 영향을 준다는 것은 널리 알려진 사실이지만, 상대적으로 효소의 접근이 어려운 histone의 body site에서 일어나는 변형은 그 메커니즘에 대해 이해된 바가 적습니다. Histone H3의 79 Lysine에서 일어나는 methylation 역시 그 예 중 하나로, gene transcription activation, DNA damage response, cell cycle regulation 등의 다양한 생명 활동에 직접적으로 연관되어 있지만, 유동성이 적은 nucleosome body 중앙부의 lysine에 어떻게 methylase가 접근해 methylation을 일으키는지는 알려지지 않았습니다.

DOT1L은 현재 H3 79 Lysine을 methylation시킨다고 알려진 거의 유일한 enzyme이며, DOT1L의 과 활성화에 의한 H3 K79 over-methylation이 백혈병의 발병, 발달에 치명적이라고 알려지며 의학적으로도 관심을 받고 있는 단백질입니다. 또한 histone H2B의 C-terminal 120 Lysine ubiquitination이 DOT1L의 활성화에 중요하단 것이 알려지며 다른 epigenetic histone code와의 연관성이 주목 받고 있었습니다. 저희는 본 연구를 통해 DOT1L과 일반적인 nucleosome, 그리고 H2B가 ubiquitination된 변형 nucleosome의 복합체를 구성하고 그 구조를 초저온 전자현미경 (cryo-EM) 기술을 통해 규명했습니다. Sweden KTH/Karolinska Institutet의 Hans Hebert 교수님 연구실과의 협력이 큰 도움이 되었습니다.

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DOT1L의 catalytic site는 C-terminal의 hydrophobic patch를 ubiquitin에, double arginine loop를 nucleosome의 acidic patch에 마치 닻을 내리듯 결합하고 있었습니다. 그리고 N-terminal 방향으로는 nucleosome의 body를 횡으로 넓게 덮으며 catalytic channel을 목표 아미노산인 H3 79 Lysine에 접근시키고 있습니다. 이것은 마치 경첩 (hinge) 구조 같은 것인데, 일반 nucleosome과 ubiquitinated nucleosome의 구조를 비교했을 때 ubiquitin의 결합이 DOT1L을 회전시켜 catalytic site에 더 가깝게 위치시키는 것을 확인했습니다. 흥미로웠던 것은, 구조를 분석하면서 DOT1L이 기존에 알려진 methylase 기능뿐만 아니라 nucleosome 불안정화 기능을 가진 것을 확인한 점이었습니다.

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DOT1L이 결합한 nucleosome은 histone octamer를 감싸고 있는 DNA가 풀리며 그와 결합한 histone secondary structures들이 손실되는 등의 불안정화된 모습을 보였습니다. 실제 DNA detachment가 발생한다는 사실을 서울대학교 홍성철 교수님 연구실과의 single molecule FRET 실험을 통해 검증함으로써, DOT1L이 methylase로서의 catalytic activity 외에 nucleosome destabilization, 유전체 불안정화 기능을 가진다고 최초로 보고하였습니다. 이 기능은 DOT1L의 methylase activity와 깊게 연관된 H2B ubiquitination, H2A acidic patch interaction이 있을 때 강화된다는 것이 관찰되어, 마찬가지로 다른 histone과 cross-talk을 형성하고 있음을 확인하였습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

본 연구는 제가 소속된 KAIST 생명과학과의 송지준 교수님 연구실 주도 하에 진행되었습니다. 저희 에피제네틱스 구조생물학 실험실은 cryo-EM, X선 결정학 등의 기술들을 기본으로 histone modification enzyme, chromatin remodeler 등 다양한 chromatin modification enzyme들의 구조를 규명해오고 있습니다.

저희 연구실은 전문화된 단백질 정제 기술을 기반으로 enzyme protein들은 물론 생명체 내의 다양한 유전체: modified histone, dimer, tetramer, octamer, nucleosome, array 등을 대량으로 정제하는 기술을 보유하고 있습니다. 외부기관과의 협력으로 computational modelling, XL-MS, HDX-MS, SAXS 등 다양한 실험 방법을 적용해 다각도로 단백질 구조를 분석해오고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

지금도 그렇지만, 몇 년 전만 하더라도 cryo-EM은 한국에서는 정말 접하기 힘든 실험이었기 때문에, 실험을 위해 스웨덴을 비롯한 외국 기관을 방문해야만 하는 일이 잦았습니다. 의사소통의 문제나 타지 생활이 적응하기 힘들고 괴로울 때도 있었지만, 몇 년 간의 노력이 정리되고 논문화되는 모습을 보니 큰 보람을 느낍니다. 특히 여러 경쟁그룹들이 나타나면서 자신감이 떨어지고 불안한 순간도 많았는데, 그 속에서 흔들리지 않으며 저희 그룹만의 개성 있고 새로운 연구방향을 찾아 연구했던 경험은 대학원 생활에 있어 잊지 못할 기억이자 자부심으로 남을 것 같습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학 준비생 들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

구조생물학 실험은 다른 분야들보다도 경쟁이 치열한 편이지만, 최근 기술적 발전과 특히 cryo-EM 기술의 발전으로 그 경쟁이 한층 더 심화된 느낌입니다. 저 역시 경쟁에서 도태되지 않기 위해 노력하면서 상당한 심적, 체력적인 스트레스를 받아오곤 했습니다. 하지만 반대로 생각하면, 이렇게 실시간으로 급진적인 진보가 이뤄지는 분야에서 최전선의 기술을 배우는 것은 흔치 않은 경험이었습니다. 지금까지 본 적 없는 수준의 데이터들이 전세계에서 쏟아져 나오고 있는 만큼, 지금의 구조 생물학 분야는 부글부글 끓어오르듯 어떠한 전환을 맞고 있는 느낌입니다. 새로운 국면의 분위기를 느껴보고 싶은 후배들에게 이 분야를 추천합니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

마무리된 story 이외에 해오고 있던 연구를 지속해갈 계획입니다. DOT1L 이외에도 연구해오던 다양한 chromatin modification enzymes들이 있어, 관련된 연구를 해보려고 합니다. 특히, DOT1L 연구를 해오면서 ubiquitinated nucleosome을 직접 만들 수 있는 기술을 습득했는데, 어렵게 얻은 기술인 만큼 이 유전체를 활용한 다양한 연구를 계획해보고자 합니다. 또 DOT1L의 story를 확장시키는 방법에 대해서도 계속해서 고민해오고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들...

논문을 마무리하기까지 열정적으로 절 지도해주셨던 송지준 교수님께 감사의 말씀을 드립니다. 아낌 없이 장비를 제공해주시고 가르쳐주신 스웨덴 KTH/KI의 Hans Hebert 교수님과 정태양 박사님, 서울대학교의 홍성철 교수님과 강찬신 선생님, 성균관 대학교의 정가영 교수님과 양한솔 선생님, 카이스트 물리학과의 김승중 교수님께도 감사 드립니다. 언제나 저를 응원하며 즐겁게 생활해온 실험실 식구들, 흔들림 없이 절 믿어 주고 기도해준 우리 가족들에게도 감사를 드립니다.

 등록일 2019-04-16
Category: Cell_Biology, Developmental_Biology, Genetics
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