권두언 새로운시대의창의적연구문화 : 집중에서협업과분산으로권면 ( 국가핵융합연구소 ) 특집 포항가속기연구소 10A Nanoscopy 빔라인김봉수 ( 포항가속기연구소 ) - 원핵생물에서 SMC-kleisin 복합체의비대칭적구조신호철, 오병하 ( 한국과학기술원 ) - Ag 와 Au nanoparticle 에대한전하선택적 SERS 특성연구박정희 ( 고려대학교 ) - 리포좀과탄소나노튜브의정전기적상호작용을이용한자기조립탄소나노튜브초구조체제조연구김태환 ( 한국원자력연구원 ), 최성민 ( 한국과학기술원 ) - Cr 도핑에의한 Li4Ti5O12 의이례적인구조적무질서도감소및전지성능향상에관한연구송한나, 김용태 ( 부산대학교 ) - HIV-1 추출펩타이드의세포막투과메카니즘의모델신관우 ( 서강대학교 )
VOL.20/NO.1/Spring 2013 Biomacromolecular Crystallography 분과 원핵생물에서 SMC-kleisin 복합체의비대칭적구조 세포에서 DNA 는유전정보물질로써중요한일을수행한다. 이 DNA 는세포길이의수백배에서많게는수천배에이르는어마어마한양으로세포안에존재한다. 따라서세포가분열을할때에는이 DNA 가문제없이동일한양을가지고두세포로나누어지는것이정상적인딸세포를만드는데매우중요하고어려운일이다. 이러한일에가장중요한역할을하는것이바로 Structural Maint enance of Chromosomes (SMC) 와 kl eisin의단백질복합체이다. 이복합체는거대한고리형태를만드는독특한형태를가지고있으며, SMC 단백질의경우모든생명체에서잘보존되어있다. 진핵세포에서는유사분열과감수분열두과정중 condensin, cohesin 등여러종류의 SMC-kleisin 복합체가염색체의모양형성과분리에이용된다. 각각의 SMC-kleisin 복합체들은모두다른두종류의 SMC를이용하여 heterodimer를형성하며, kl eisin 단백질의 N-, C- 각각의말단이각 SMC와결합을하여비대칭적인고리형태를만들게된다. 반면, 원핵생물에서는개체마다 condensin이라는한종류의 SMCkleisin 복합체만이존재한다. 원핵생물에서는 SMC-ScpAB 와 Mu kbef 복합체두종류가존재한다. 이중 MukBEF는 γ-proteobacter 에만존재를하고, 대부분의종은 SMC-ScpAB 복합체를가지고있다. 진핵세포와는다르게 MukBEF 복합체의경우이미 2009년에대칭적인구조를갖는고리형태라는것이밝혀졌다. SMC-ScpAB의경우 SMC 단백질이 SMC family 중하나인 MukB와마찬가지로 homodimer 를형성을하기때문에지금까지는대칭적인고리모양을형성할것이라고알려져있었다. 이번논문에서는 SMC의 head do main (SmcHead) 과 ScpAB의부분적인복합체의결정구조세가지를규명하였고, Bacillus subtilis를이용한실험을통해전체적인 SMC- ScpAB 구조를모델로만들어볼수있었다. 이를통하여원핵생물 con densin의 DNA 응축기작을알아낼수있고, 나아가서지금까지진핵세포의분열에서밝히지못하였던염 그림 1. SmcHead-ScpA C 의구조. 파란색은 SmcHead 를나타내고, 주황색은 ScpA 의 cwhd 을나타낸다. 9
그림 2. ScpA ΔC B 의구조. 주황색은 ScpA ΔC 를나타내고, 녹색은각각 ScpB 의 dimer 를나타낸다. 와 ScpB dimer 의복합체 (ScpA ΔC B) 구조를규명하였다. ScpA ΔC 는 mo nomer 로써긴여러개의 a-helix와 loop 으로이루어져있다. ScpB는두 WHD 로이루어져있으며 nwhd 가 dimer 를형성한다. 이 ScpB dimer 는 ScpA의가운데 domain을죔쇠처럼물어낚시바늘형태의 trimer 를만든다. ( 그림 2) 3. SmcHead-ScpA N 의구조 SmcHead 와 ScpA의 N말단 a-h elical domain의복합체 (SmcHead- ScpA N ) 구조를규명하였다. 이구조는특이하게도 ScpA N a-helix 한개가 SmcHead 바로위쪽부분의 coiled-coil 부분 (neck) 에결합하여 a-helix 세개로이루어진 coiledcoil 을형성한다는것을알수있었다. ( 그림 3) 그림 3. SmcHead-ScpA N 의구조. 흰색은 SmcHead 의 N- 말단부분을, 파란색은 SmcHead 의 C- 말단부분을나타낸다. 주황색은 ScpA N 을나타낸다. 색체응축과분리등의과정을자세히알수있는계기가될것이다. 1. SmcHead-ScpA C 의구조 SMC의 head domain과 ScpA의 C-terminal Winged Helix Doma in (cwhd) 의복합체 (SmcHead- ScpA C ) 구조를규명하였다. ScpA C 는 SmcHead의아래쪽부분 (cap) 에결합한다는사실을알수있었다. ( 그림 1) 2. ScpA ΔC B의구조 ScpA의 cwhd을제거한 ScpA ΔC 4. Smc-ScpAB의전체적인구조모델 B. subtilis에서 cross-linking 실험을통하여 SmcHead 에는 ScpA 와결합할수있는부분이 cap과 neck 두부분이존재하지만, ScpAB 복합체는한개의 SmcHead의한결합부분에만결합할수있다는것을알수있었다. 이를통하여전체적인 SmcHead-ScpAB의구조를모델로만들어본결과진핵세포의 SMCkleisin 복합체에서볼수있었던비대칭적인형태의거대한고리구조 10 방사광과학과기술
VOL.20/NO.1/Spring 2013 열에서중요한부분인진핵세포의 SMC-kleisin 복합체들에의한염색체응축과분리기작을알아낼수있을것이다. 그림 4. Smc-ScpAB 의모델. 이번연구에서밝힌구조들을이용한 SmcHead-ScpAB 복합체의모델과지금까지밝혀진구조들을이용하여만든거대한고리모양의 Smc-ScpAB 복합체전체의형태를모델로재현한것이다. 참고문헌 Woo, J.S., Lim, J.H., Shin, H.C., Suh, M.K., Ku, B., Lee, K.H., Joo, K., Ro binson, H., Lee, J., Park, S.Y.,etal. (2009).Structural studies of a bacte rial condensin complex reveal ATPdependent disruption of intersubunit in teractions. Cell 136,85-96. Strunnikov, A.V. (2006). SMC comple xes in bacterial chromosome condensa tion and segregation. Plasmid 55,135-144 Lammens, A., Schele, A., and Hopfner, K.P. (2004). Structural biochemistry of ATP-driven dimerization and DNAstimulated activation of SMC ATPas es. Curr Biol 14,1778-1782 를형성한다는것을알수있었다. ( 그림4) 5. 구조모델의의의원핵세포의 SMC-kleisin 복합체는 SMC 단백질이 homodimer이기때문에, 지금까지대칭적인고리형태를하고있을것이라고알려져왔다. 하지만, 이번모델을통하여비대칭적인구조를만든다는것을알수있었다. 앞으로이를통하여고리가열리는부분을찾아내고, 그에따른기작을연구함으로써세포분 저자약력 신호철박사는 2009년포항공대에서석사학위를받고, 2013년 KAIST에서박사학위를받았다. shinhc81@kaist.ac.kr 오병하교수는미국위스콘신대학에서박사학위를받고, 포항공대생명과학과석좌교수를거쳐현재 KAIST 생명과학과에서정교수로재직중이다. bhoh@kaist.ac.kr 11