간행물

생화학분자생물학회입니다.


우수논문소개

Histone Sumoylation Promotes Set3 Histone-Deacetylase Complex-Mediated Transcriptional Regulation

  • 작성자

    류홍열(경북대학교)
  • 작성일자

    2021-06-11
  • 조회수

    1494

Histone Sumoylation Promotes Set3 Histone-Deacetylase Complex-Mediated Transcriptional Regulation

(히스톤 수모화에 의한 Set3 탈아세틸화 효소 복합체의 조절 연구)

Nucleic Acids Research 48:12151-12168, 2020

 

 


류홍열

경북대학교 생명과학부 생명공학전공 조교수

rhr4757@knu.ac.kr


[연구배경]

수모(SUMO, small ubiquitin-like modifier) 단백질의 부착은 타겟 단백질의 구조, 기능, 세포내 위치, 등을 바꿀 수 있는 번역후변형(post-translational modification)으로써 기능한다 (1). 수모 단백질의 C-말단은 Aos1/Uba2 SUMO activating enzyme (E1)에 의해 처음 활성화되고, Ubc9 SUMO-conjugating enzyme (E2)에 전달된 후, 최종적으로 SUMO ligase (E3)에 의해 타겟 단백질에 부착된다. 이러한 수모화는 가역적이며, 탈수모화효소들에 의해 역동적으로 조절된다. 수모화는 미토콘드리아 기능, 리보솜 합성, DNA 복제, 등 다양한 기작에서 필수적인 역할을 수행한다 (2). 특히, 수많은 전사 조절 및 크로마틴 변형 효소들이 수모의 타겟 단백질이기 때문에, 많은 과학자들이 유전자 발현과 수모의 상관 관계 분석에 관심을 갖고 있다. 

그 중에서도 히스톤 수모화는 2003년에 처음 발견되어 새로운 후성유전 조절 인자로써 알려졌으나, 그 기능 연구는 대부분 전사 억제에 초점이 맞춰져 있다 (그림1). 히스톤 수모화는 HDAC6, HP1, LSD1−CoREST−HDAC1 복합체와 같은 전사 억제 단백질들의 크로마틴 결합에 중요한 인자로써 보고되었다 (3). 그러나, 본 논문은 전사 조절에서 히스톤 수모화의 새로운 기능을 보고하였으며, 더 나아가 히스톤 H2B 유비퀴틴화, 히스톤 H3K4 메틸화, 히스톤 수모화, 히스톤 탈아세틸화에 이르는 복잡한 크로스톡(crosstalk) 경로를 밝혔다.


 

그림1. 전사 억제에서 히스톤 수모화의 기능 모델들


[연구결과]

1. H3K4 메틸화 효소 Set1은 히스톤 수모화를 촉진한다.

지난 논문에서 히스톤 H2B 유비퀴틴화는 히스톤 수모화를 촉진하며, 이는 전사 신장의 필수 요소인 RNA 중합효소II 인산화 효소 Ctk1의 조절에 필수적임을 보고하였다 (4). 더군다나 H2B 유비퀴틴화는 H3K4 메틸화를 촉진하기 때문에, 본 논문에서 H3K4 메틸화와 히스톤 수모화의 상관관계 분석을 처음 실시하였다. 그 결과 Set1은 히스톤 수모화 조절 인자이며, Set1의 결손은 다양한 크로마틴 지역의 히스톤 수모화를 손상시켰다 (그림 2).

 

그림2. Set1은 히스톤 수모화를 촉진한다


2. 오직 H3K4 이중 메틸화가 히스톤 수모화에 필요하다.

H3K4 메틸화는 삼중, 이중, 단일 형태로 존재할 수 있으며, 그 메틸화 정도에 따라 전사에 미치는 영향 및 유전자내 점유 패턴이 다르다 (5). 히스톤 수모화는 H3K4 삼중이 아닌 이중/단일 메틸화에 의해 오직 영향을 받는다 (그림 3).

 

그림3.히스톤 수모화에 미치는 H3K4 메틸화 영향


3. 히스톤 수모화는 Set3 HDAC 복합체의 크로마틴 점유를 촉진한다.

H3K4 삼중 메틸화는 전사 활성에 기능하는 반면, H3K4 이중 메틸화는 Set3 HDAC 복합체의 크로마틴 점유 및 그에 따른 크립틱 전사 (cryptic transcription) 억제에 필요하다 (6). 이는 전사 과정 동안 유전자 내부에서 발생될 수 있는 잘못된 전사를 막는 기작이며, 본 논문에선 이러한 기작이 히스톤 수모화에 의해 영향받을 수 있는지 최초로 분석하였다. 히스톤 H2B 수모화가 발생되는 잔기의 돌연변이화는 Set3 HDAC 복합체의 소단위인 Set3와 Hos2의 크로마틴 점유 및 뉴클레오솜 결합을 급격히 손상시킨다 (그림4).


 

그림4. 히스톤 수모화에 의한 Set3 HDAC의 크로마틴 결합

 

4. Set3 복합체의 Cpr1 소단위의 SIM 돌연변이는 그 복합체의 크로마틴 결합을 막는다.

Set3 복합체 소단위 중에서 Cpr1만이 수모와 물리적 상호작용(physical interaction)이 보고되었다 (7, 8). Cpr1은 154-158 잔기에 하나의 SIM (SUMO interacting motif)이 존재한다. Cpr1의 SIM 돌연변이는 Set3 복합체의 크로마틴 점유 및 뉴클레오솜 결합에 손상을 주며, 이러한 손상은 H2B 수모화 돌연변이에 의해 더 크게 증가한다 (그림 5).


 

그림 5. Set3 복합체의 Cpr1 소단위SIM 돌연변이가 크로마틴 결합에 미치는 영향


5. 히스톤 수모화는 크립틱 개시를 억제한다.

H2B 수모화 돌연변이는 전유전체에서 Set3 단백질의 크로마틴 결합을 급격히 감소시킨다. 특히 다양한 ncRNA (non-coding RNA) 지역의 Set3 결합이 H2B 수모화 돌연변이에 의해 손상되며, Set3 결손 및 H2B 수모화 돌연변이로 인해 유전자 내부에서 잘못된 전사가 극히 증가한다 (그림 6).

 

그림 6. 히스톤 수모화에 의한 크립틱 전사 개시 억제


[연구의 성과 및 의의]

2003년 히스톤 수모화가 처음 보고된 이후로, 그 기능은 현재까지 불확실하다. 본 논문은 히스톤 수모화는 H2B 유비퀴틴화 및 히스톤 H3K4 메틸화에 의존적이며, 전사 과정 동안 적어도 두 단계의 조절 기작에 참여함을 최초로 밝혔다. 

H3K4 메틸화 정도는 전사와 밀접하게 관계되어 있으며, 일반적으로 유전자 지역에 따라 고유 패턴을 보인다. H3K4 삼중 메틸화는 프로모터 지역에 집중되어 있는 반면, 이중 메틸화는 5’ 유전자 지역에서 주로 발견된다. 전사 개시에서 신장 단계로 넘어가는 동안, RNA 중합효소II는 PAF 복합체를 통해H2B 유비퀴틴화 효소인 Rad6, Bre1과 H3K4 메틸화 효소 Set1/COMPASS 복합체와 결합한다. 그 이후H2B 유비퀴틴화와 H3K4 메틸화는 히스톤 수모화를 위한 Ubc9과 E3 ligase들의 크로마틴 결합을 촉진한다. 히스톤 유비퀴틴화와 수모화는 모두 Ctk1의 뉴클레오솜 결합을 저해하기 때문에, 전사 신장 단계의 도입을 위해 Ubp8과 Ulp2에 의한 두 변형들의 제거는 반드시 필요하다. 이는 Ctk1에 의한 RNA 중합효소II의 CTD S2 인산화 및 그에 따른 전사 신장을 촉진한다. Gcn5를 포함한 다양한 히스톤 아세틸화 효소들에 의해 이 지역의 히스톤 아세틸화 정도는 크게 증가하나, Set3 PHD에 의한 H3K4 이중 메틸화 및 Cpr1 SIM을 통한 히스톤 수모화를 인식하는 Set3 HDAC 복합체의 유전자 5’ 지역 결합은 크립틱 전사 개시를 억제한다 (그림7).

히스톤 수모화가 다른 히스톤 공유변형들과 상호작용하여 정밀한 전사 조절에 핵심적으로 기여할 수 있다는 연구는 후성유전학 분야에 크게 이바지할 것이다.


 

그림 7. 히스톤 수모화의 전사 기능 모델


[참고문헌]

1. Hochstrasser M (2009) Origin and function of ubiquitin-like proteins. Nature 458, 422-429

2. Flotho A and Melchior F (2013) Sumoylation: A Regulatory Protein Modification in Health and Disease. Annual Review of Biochemistry, Vol 82 82, 357-385

3. Ryu HY and Hochstrasser M (2021) Histone sumoylation and chromatin dynamics. Nucleic Acids Res 

4. Ryu HY, Su D, Wilson-Eisele NR, Zhao DJ, Lopez-Giraldez F and Hochstrasser M (2019) The Ulp2 SUMO protease promotes transcription elongation through regulation of histone sumoylation. Embo Journal 38

5. Soares LM, He PC, Chun Y, Suh H, Kim T and Buratowski S (2017) Determinants of Histone H3K4 Methylation Patterns. Mol Cell 68, 773-785 e776

6. Kim T and Buratowski S (2009) Dimethylation of H3K4 by Set1 recruits the Set3 histone deacetylase complex to 5' transcribed regions. Cell 137, 259-272

7. Hannich JT, Lewis A, Kroetz MB et al (2005) Defining the SUMO-modified proteome by multiple approaches in Saccharomyces cerevisiae. Journal of Biological Chemistry 280, 4102-4110

8. Ho Y, Gruhler A, Heilbut A et al (2002) Systematic identification of protein complexes in Saccharomyces cerevisiae by mass spectrometry. Nature 415, 180-183

첨부파일