4 (2021.06.20) 세포핵(Cellular nucleus)

 

#0

박자세 공부하시는 분들이 주로 60대 이상이다. 나처럼 15년 이상 헤매면서 공부할 시간이 없다. 최대 5-10년이 공부할 수 있는 기간이다. 내가 15년동안 무지하게 헷갈리면서 얻게 된 결론이 전공자 얘기 듣지 말고, 일반인의 학습과 구분해야 한다는 것이다. 일반인은 응용이 아닌 지식이 필요한 것이다. 그러나 지금 과학교육은 과학연구자용을 가지고 한다. 과학자 연구방식과 일반인 학습법은 다르다. 먼저 알아야 하는 것은 정보는 민주적이지 않다는 것이다. 오히려 독재에 가깝다. 수많은 지식이 있지만 알아야할 것은 5개 정도이다.

 

방법은 있다. “세포에는 구슬과 이빨 밖에 없다는 생각을 3일간 할 수 있는가의 게임이다. 1-2일은 생각에너지가 많이 들지만, 3일이 되면 더 이상 에너지가 들지 않고 머리가 시원해진다. DNA복제와 전사과정은 오토메틱(automatic)이라 힘이 들지 않는다. 힘이 들지 않기에 DNA6억년 동안 그 일을 해 온 것이다. 그렇듯이 나도 오토매틱이 되면 힘이 안 든다. 묘한 상태가 펼쳐진다. 내가 묘한 상태가 되면 에너지가 들지 않는다. 명상상태와 같다. 자연은 에너지가 많이 든다면 그렇게 돌아가지 않는다. 뭐든지 구슬과 이빨로 보인다. 내가 재봉틀이 되어 드르륵 돌아간다. 어떤 질문이나 생각없이 그냥 돌아가는 세계이다. 대가가 되고 싶으면 잡다하게 생각하지 말고 3일간 이 생각만 하여 드르륵돌아가게 해야한다.


#1

글루코스를 그린다. 이것이 왜 위대한가? 초기 지구 20억년동안 이산화탄소와 물이 결혼해서 생긴 것이다. 생명의 역사는 이산화탄소의 역사이다. 40억년전부터 지금까지 이산화탄소의 역사이고, 20억년 전에 산소가 추가되었을 뿐이다. 산소는 박테리아에게는 꼭 필요한 것이 아니다. 대장균을 보면 알 수 있다. 산소를 피하기 위해서 우리의 대장 속으로 숨어들었다.

 

이산화탄소(CO2)와 물(H2O)의 결혼으로 생명의 분자인 글루코스 6각형이 생겼다. 세포로 들어와서 탄소 3개 사슬로 나뉘어지고, 탄소3개 사슬은 미토콘드리아 TCA로 들어와서 이빨과 구슬을 만든다. 이빨은 유전자(genes)로 자기형태를 보존하고 복제한다. 구슬은 촉매(catalyst)로 작용이 일어나게 해준다. 이 둘이 합쳐진 것이 생명(Life)이다.

 

이빨(nucleotide)이 결합하면 RNA가 된다. RNA world에는 이빨만 있다. 이빨이 연결되어 길어지면 다양한 형태의 구조가 생긴다. 구조는 작용을 일으킨다. 입체구조가 곧 효소작용이다. 그래서 RNA world에는 단백질은 필요 없다.

 

RNA의 이빨은 리보오스(ribose)당이 들어 있다. DNA는 리보오스의 -OH-H로 치환된 것이다. 이 사건이 지구 역사상 가장 중요한 사건 중 하나이다. 산소(O)는 칼날이다. 그래서 리보오스당을 쓰는 RNA의 치명적 결함은 산소칼이 난도질해서 잘 어그러진다는 것이다. 연결상태가 오래가지 못해 긴 생화학작용을 하지 못한다. 촉매역할은 칼이 있어야 하지만, 유전정보의 보관과는 상반된 균형점(상극)을 가진다.

 

RNA world에서는 이빨이 생명작용(유전자와 촉매작용)을 다 했다. 그러나 놀라운 기능을 하는 이빨순서를 보관하고 싶지만 보관이 잘 안된다. 그래서 보관할 수 있는 기가 막힌 방법이 출현하게 된다. 상보 이빨로 결합시키면 칼을 칼집에 넣는 것과 같이 오래감을 학습하였다. 그렇게 해서 보관용 유전자가 생겼는데, 인간의 경우 24천개이다. 6억년간 보존해 오기 위해서는 <팔만대장경>처럼 보관창고가 필요하다. 보관창고를 세포 내에 만들었으니 그곳이 핵(nucleus)이다. 유전자를 낱장으로 보관하기 보다는 책으로 제본하는 것이 효율적이다. 그렇게 만들어진 것이 DNA이다. DNAdeoxy-ribose당을 쓴다. (산소)을 제거(deoxy)한 것이다. DNA 책에다 자꾸 붙여지니 엄청 길어진다. 심지어 박테리아, 바이러스가 버리고 간 유전자 쓰레기하차장까지 된다. 게놈프로젝트를 통해서 내가 보관한 유전자는 1.5%이자만, 바이러스와 박테리아가 버리고 간 유전자가 50%라는 사실에 경악하였다.

 

DNA는 유전자 보관용이다. DNA 보관창고인 핵이 거대해져서 왕처럼 보이는 착각이 생긴다. DNA에서 칼을 꺼내야 촉매작용이 일어난다. 어떻게 꺼낼 것인가? 촉매역할을 부여 받은 존재가 단백질이다. RNA가 유전과 촉매를 모두 하다가 유전은 DNA, 촉매는 단백질에 넘겨주었다. 촉매로 쓰려면 칼이 없는 DNA를 칼이 있는 RNA로 바꾸어주어야 한다. 그 과정이 전사(transcription)이다. RNA에서 DNA를 거쳐 다시 RNA로 가는 과정이 생명의 1막이다.


#2

생명 2막에서는 10여종의 RNA가 생긴다. RNAhouse keepingnon-coding으로 나뉜다.

 

House keepingmRNA, rRNA, tRNA이다. mRNA는 코딩(coding)으로 촉매와 단백질 정보를 담는다. rRNA에서 만들어진 Ribonucleic protein(RNP)인 리보솜(Ribosome)에서 mRNA 유전정보를 읽으면 tRNA에서 아미노산을 수송해서 16만종의 단백질을 만든다.

 

non-codingLncRNA(Long non-coding RNA)SncRNA(Short non-coding RNA)로 나뉘고 LncRNA에는 p(promotor), e(enhance), NAT(natural antisense transcript) RNA가 있다. SncRNA에는 miRNA(micro-), snRNA(small nuclear-), snoRNA(small nucleolar-), siRNA(small interfering-), piRNA(piwi-interacting-)가 있다.  

 

3막은 RNA와 단백질의 결합이다. 여기서부터는 밀림이다. 자칫 길을 잃을 수 있다. 가이드를 잘 따라와야 한다. miRNA+proteinmiRNP가 된다. snRNA+proteinsnRNP가 되고, snoRNA+proteinsnoRNP가 된다. 이들 RNP3막의 주인공이다.

 

리보솜도 RNP이다. 18s rRNA50개 단백질이 결합하여 40sRNP SSU(small subunit)가 되고, 5s, 5.8s, 25s RNA50개 단백질이 결합하여 60sRNPLSU(Large subunit)가 된다.  

 

RNP는 주로 핵 속에 있다. miRNPRISC(RNA-induced silencing complex)에 작용한다. snRNP u1~u6 spliceosomal RNA에 작용한다. snoRNP rRNA, tRMA, snRNA를 변형한다.

 

단백질은 핵속과 세포질에 있다. 16만종의 단백질은 열대밀림이다. 오늘 등장하는 대표적인 단백질을 열거하면 collagen, Hb, histone, Cohesion, CFCF, SIRT, polymerase 등이다.


#3

핵 속의 영역을 그려본다. 핵을 전자현미경으로 보면 DNA 밀도 차이에 의해 반점이 형성된다. 가운데 큰 반점을 nucleolus()라고 하고 rRNA와 관계된다. 주변에도 작은 반점이 있는데 위치가 계속 바뀌기도 하고, 암이 걸리면 반점이 더 많아지기도 한다. 반점의 공통패턴을 찾아내어 NB(nucleus body)라고 이름 붙인다. DNA가닥이 춤을 추다 보면 밀도가 많아지기도 하고, 단백질이 결합된 RNP의 특별한 영역이 생기기도 하는 것이다.

 

Nucleolus()에서는 rRNAsnRNP를 처리한다. rRNA13,000NT로 구성된다. nucleolus 위의 perinuclear compartment에서는 tRNA를 처리한다. PML-NB(Promyelocytic Leukaemia Protein nuclear bodies)에서는 수모화(SUMOylation)와 유전자 조절(regulation of genes)을 한다. 수모(SUMO)Small Ubiquitin-like Modifier 약자로 72개 아니노산으로 구성된다. Cajal-NB에서는 snRNP, snoRNP, telomeraseRNP를 처리한다. Cajal-NB 아래에 붙은 영역은 Histone locus bodyHistone mRNA를 합성한다. Sam68(SRC associated in mitosis of 68 kDa)영역에서는 alternative splicing을 한다. 53pb1(p53-binding protein 1) 영역에서는 DNA 손상에 반응한다. Speckle 영역은 snRNP를 저장하고, splicing을 한다. 밑에 붙은 para-speckle 영역에서는 RNA transcription(전사) RNA retention(보유)을 한다. Stress NB에서는 유전자발현을 조절한다. Polycomb NBH3K27me(methylation of lysine 27 on histone H3)로 유전자 발현을 억제한다.

 

DNA와 아미노산간의 분자결합에서 만나야 하는 덩어리는 NAD+, ADP, PARP-1A, PGC-1α 이다. 노화에 관련된 SIRT 단백질을 억제하는 NAD+500개 단백질을 조절하는데, 인체에 없으면 30초에 즉사한다. NAD Nicotine amide dinucleotide인데, di-Mono di 두가지 이빨이 있다는 의미이다. ADP가 포함된 Poly [ADP-ribose] polymerase 1 (PARP-1)NAD+ ADP-ribosyltransferase 1이라고도 하며, 500개 단백질을 조절하는 NAD+와 링크되어 있다.


#4

Splicing을 보여주는 그림이다. TERT(telomerase reverse transcriptase) 유전자는 exon16개이다. Intron을 잘라내고 exon을 붙이는 splicing을 하는데, alternative splicing을 통해 변형을 준다. 그래서 구조가 살짝 바뀐다. 이것이 생명체의 다양성을 만든다.

 

핵 속의 영역은 유전자를 발현 또는 억제하면서 DNA를 조절하는 이야기이다. DNA에서 RNA가 전사되면서 10가지 RNA가 만들어지고, RNA에 단백질이 붙어서 RNP가 된다. 숲을 보기 위해서는 먼저 나무를 심어 놓아야 한다. 단백질이 나무이다. 16만 종류나 되는데 어떻게 심나? 10개 단백질을 심으면 전체가 연결된다.  


#5

DNA 로프가 어떻게 구성되었는가를 보여주는 그림이다. DNA자체는 빨래판일 뿐 아무 의미가 없다. 얼마나 자주 쓰는가? 자주 쓰기 위해서는 반짝반짝 닦아 놓는 것이 중요하다. 크게 보면 영역(territory)이 보인다. 핵의 가운데에 유전자가 많이 포함된다. LAD(lamina-associated domains) 영역을 확대하면, 격실(compartment)이 보이는데, A(active) compartmentB(inactive) compartment로 구분할 수 있다. 격실을 확대하면 TAD(topologically associated domain)라고 하는데, 루프(loop)가 여러 개 보이며, 한 개 루프는 10~50bP로 되어 있다. rRNA13,000NT이므로, rRNA는 한 개의 루프에 1만개가 들어갈 수 있다. TAD를 확대하여 1개의 루프만을 보면, 루프에는 cohesinCTCF(CCCTC-Binding Factor) 단백질이 붙어 있다. 루프의 cohesin 단백질은 SMC3, SMC1, SA1/2, Rad21로 구성된다. DNA CTCCTCF 단백질이 착륙할 수 있는 활주로 이름이다. 단백질이 DNA 아무데나 착륙할 수 없다. DNA에서 착륙신호를 보내야 한다. DNA가 보낼 수 있는 신호는 AGCT의 염기서열정보 뿐이다.

 

DNA TATA염기서열은 유전자(gene) 앞에서 mRNA의 전사를 돕는 전사조절인자 단백질의 착륙장이다. 단백질에는 착륙장을 읽는 부위인 motif가 있는데, 혹스유전자의 Homeobox6억년간 바뀌지 않는 motif를 가지고 있다. 분자세포생물학은 특별한 DNA 서열(sequence)을 찾아내는 학문이다. DNA에 단백질이 착륙하면 단백질이 단백질을 부르는데 리쿠르팅(recruiting)이라고 한다.

 

이중나선은 히스톤 단백질에 감겨져 Nucleosome을 형성한다. 전사하려는 유전자 앞 TATA promotorcore transcription factor가 착륙한다. 휘어져서 마주하는 DNA enhancer 부위에 activator 단백질이 붙으면 Polymerase II가 작용하여 eRNA를 전사하여 내보낸다. 다른 쪽 DNA에서 전사된 LncRNA 200NT에서 mediator 단백질이 만들어져 activator 단백질과 core Transcription factor 사이를 연결하면 TATA promotor 뒤에 RNA polymerase가 붙어서 유전자 전사가 시작된다. 다른 루프에서는 유전자에 repressor 단백질이 붙어서 유전자발현을 억제한다.


#6

유전자 전사과정을 단계별로 그려보면, 1) 유전자(gene) 앞에 TATA promotor가 있다. 2) TFIID(Transcription factor II D)를 구성하는 TBP(TATA binding protein)TATA box에 착륙한다. 3) TATA box 앞에 TFIIA, 뒤에 TFIIB가 붙는다. 4) RNA polymeraseTFIIB 뒤에 붙으면 TFIIF, TFIIE, TFIIH가 붙어서 서로 연결한다. RNA polymerase ‘Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser’52번 반복하는 CTD(Carboxyl terminal domain)를 가진다. 5) RNA polymerase에 붙은 단백질이 TFIIH만 빼고 떨어져 나가고, RNA Polymerase가 유전자로 돌진하여 유전자 전사를 시작한다.

 

Nucleosome은 히스톤 107개에 DNA 나선이 2번씩 감겨져 있다. Nucleosomenucleosome 사이에는 200NT가 노출되어 있다. 히스톤 단백질은 9개의 단백질(H2A, H2B, H3, H4 2개와 H1)로 구성된다. Polymerase가 히스톤에 감긴 나선을 풀고 전사하여 지나간 다음에는 다시 히스톤에 감아야 하는데, 이것을 못하면 암에 걸린다.


#7

후성유전학은 4가지 분야를 연구하는 학문이다. 첫째는 DNA methylation이다. 둘째는 ncRNA이다. 셋째는 histone modification이다. 넷째는 Chromatin remodeling이다. 4가지 분야가 상호 연결되어 있다.

 

ChromatinISWI, CHD가 붙으면 Nucleosome regular spacing을 한다. SWI/SNF 복합체가 chromatin에 붙으면 히스톤 구성단백질 2개가 빠져 나가는 dimer ejection, 뉴클레오솜의 제거되는 nucleosome ejection, 히스톤에 감겨진 나선이 미끄러지는 nucleosome sliding이 일어난다. INO80이 붙으면 히스톤 구성단백질 H2A H2X 또는 H2Z으로 바꾸어치기 하는 nucleosome editing이 일어난다. 이 과정을 Chromatin remodeling이라고 한다.

 

Histone modification은 히스톤 단백질을 구성하는 아미노산 Lysine(K)methylation, acetylation, ubiquitylation, sumoylationArginine(R)methylation, serine(S)phosphorylation, Threonine(T)phosphorylation, Proline(P)isomerization 으로 일어난다.

 

DNA methylation은 젊은 세포와 늙은 세포에 다르게 나타난다. LINE1(long interspersed middle repetitive element)은 게놈의 1/3을 차지하는 영역으로 박테리아와 바이러스가 심어놓은 곳이므로 풀리면 안된다. ALU(Arthrobacter luteus)는 게놈의 10%를 차지하는 영역이고, LTR(long terminal repeat)8%를 차지하는 영역이다.

이들 영역에서 젊은 세포의 DNA에는 메틸화가 많이 되어 전사를 막는다. 시토신(C)과 구아닌(G) 염기서열이 붙어 있는 곳을 CpG island라고 하는데, 이곳의 시토신은 메틸화가 잘 일어나서 CH3-Cytosine이 된다. 늙은 세포의 DNA에는 메틸화가 적게 되어서 전사가 자주 일어나서 문제가 발생한다. 반대로 유전자가 발현되는 부위에서는 젊은 세포는 메틸화가 적어서 유전자발현이 잘 되고, 늙은 세포는 메틸화가 많아서 유전자발현이 떨어진다.

 

DNA 염기인 시토신(cytocine)SAM(S-adenosylmethionine) SAH(S-adenosylhomocysteine)가 되는 과정에서 메틸기(CH3)가 빠져나가서 시토신에 붙어서 메틸화 된다.


#8

핵속에 있는 PML-단백질(Promyelocytic Leukaemia Protein)이다. SIM(sumo intact motif) RBCC motif가 있어 PML간 연결이 된다. RBCC‘RING finger, B-box, and coiled-coil’인데, 여기서 RING‘really interesting new gene’의 약자이다.

 

PML은 단백질로는 acetylation, SUMOylation, Phosphorylation, storage, 전사에서는 activation, repression, hetero-domain formation, identification of foreign protein 기능을 한다. 그 결과로 DNA 손상반응, 세포자살(apoptosis), 노화(Senescence), 혈관형성(angiogenesis)에 관여한다.


#9

뉴로사이언스와 PML의 연결을 본다. 뉴런의 핵 속에서 일어나는 일이다. 전구뉴런(precursor neuron)PMLPPT1, PRB가 붙으면 신경세포분화(neuronal differentiation)가 일어난다. 성숙뉴런(mature neuron) 해마(Hippocampus)나 피질(cortex)PMLArc가 붙으면 시냅스강화유전자(synaptic strength gene)를 조절한다. 성숙뉴런 시각교차위핵(suprachiasmatic nucleus)PMLPER1SIRT1이 붙으면 일주기리듬유전자(circadian rhythm gene)를 조절한다. 마우스의 일주기 리듬 유전자는 2000개이다. 늙으면 유전자 개수가 줄어든다. 그래서 리듬이 떨어진다. 노화뉴런(aging neuron)PMLpoly-Q protein이 붙으면 독성단백질을 제거한다. Q는 글루타민(glutamine)이다. 글루타민 개수가 많아지면 헌팅튼 병에 걸린다.