텔로미어 연합단백질(telomere-associated proteins)

Telomere-binding proteins(텔로미어 결합 단백질)

현재까지 포유류에서 발견된 텔로미어 DNA에 염기서열 특이적으로 그리고 직접적으로 결합할 수 있는 텔로미어 단백질은 TRF1, TRF2, POT1입니다.

1. TRF1 - 텔로미어 길이 유지의 음성적 조절(negatively regulated)
2. TRF2 - 텔로미어 말단 보호에 중요한 조절 역할
3. POT1 - 단일가닥 DNA 부분인 텔로미어 TTAGGG overhang에 결합

TRF1과 TRF2는 각각 동형 이량체(homodimer)를 형성하여 TTAGGG 이중가닥(double-stranded) 서열에 결합할 수 있습니다. POT1(Protection of Telomeres 1) 단백질은 대조적으로 단일가닥(single-stranded) TTAGGG overhang(돌출부분)에 결합합니다. 이것은 포유류의 텔로미어가 최소한 이 세 종류의 서열 특이적 단백질들(TRF1, TRF2, POT1)과 직접적으로 결합한다는 것을 의미합니다. 이러한 단백질들은 텔로미어와 결합하여 텔로미어 또는 텔로미어가 아닌 다른 부분에 결합한 다른 단백질들과의 상호작용을 위한 밑받침(platform)이 됩니다. 현재까지 직접적인 텔로미어 DNA에 결합하는 단백질인 TRF1, TRF2, POT1들은 전적으로 텔로미어 부위에서만 발견되었습니다. 이 세 단백질들은 모두 텔로미어의 구조, 캡핑(capping), 텔로미어 길이 조절에 관여하는 조절자(regulator)로서의 중요한 역할을 담당합니다. 그리고 TRF1, TRF2, POT1의 세 단백질들은 독자적으로는 DNA에 결합하지 못하는 TIN2, TPP1 등과 같은 다른 텔로미어-연합단백질들(telomere-associated proteins)과 결합하여 텔로미어 복합체(telomere complex)를 형성합니다.

 

쉘터린(shelterin) 복합체

텔로미어에 직접적으로 결합하는 TRF1, TRF2, POT1과 달리 직접적으로 결합하지는 못하지만 텔로미어 단백질 복합체에 참여할 수 있는 단백질도 있습니다. 이와 같은 텔로미어 복합체를 형성하는 단백질 분류를 텔로미어 연합 단백질(telomere-associated proteins)이라 합니다. 여기에 포함되는 종류로는 TRF1, TRF2, TIN2, RAP1, TPP1, POT1 등 여섯 단백질들을 우선적으로 언급할 수 있는데 이들을 'shelterin' 복합체라 부릅니다. 텔로미어에 'shelterin' 복합체가 결합해 온전한 텔로미어를 구성하면 텔로미어에서 DNA 수선(repair) 작용이 작동하여 재조합을 일으키는 것을 막아줍니다. 또한 'shelterin' 복합체는 대게 텔로머라제가 텔로미어로 접근하여 텔로미어를 연장하는 역할을 막는 장애물(barrier) 역할 또는 음성적 조절(negatively regulated) 역할을 합니다.

텔로미어를 구성하는 단백질에는 이 외에도 tankyrase 1과 2, Ku, DNA-PK 등의 다른 종류들도 포함되는데, 이들은 텔로미어의 구조, 기능, 길이 조절 등에서 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. TRF1은 다른 단백질과의 상호작용을 통해 텔로미어 구조를 조절하는 것이 확실한 것으로 밝혀졌으며, 이러한 상호작용 중 가장 중요한 것은 바로 TIN2(TRF1-interacting protein2) 단백질과의 상호작용입니다. TIN2는 telomeric DNA 서열에 직접적으로 결합하지는 못하지만 그 대신 다른 단백질인 TPP1과의 결합으로 TRF1 및 TRF2와 POT1을 이어주는 다리(bridge)역할을 합니다. TPP1은 POT1과 함께 POT1-TPP1 복합체를 형성합니다.(TPP1은 텔로미어 DNA 서열에는 직접적으로 결합하지 못합니다.) TRF2는 TRF1의 파랄로그(paralog)입니다. TRF2는 동형의 이량체(homodimer)를 형성하여 텔로미어 서열에 결합하고, TIN2와 RAP1과 같이 직접 텔로미어 서열에 결합하지 못하는 단백질과 결합할 수 있습니다. TRF1은 텔로미어 길이 유지의 음성적 조절자(negative regulator)로 알려지는데, TRF1을 과발현시켰을 경우 텔로미어 길이가 더 단축되는 결과를 초래했습니다. TIN2는 TRF1과 직접적으로 결합하며 TRF1 활성을 조절하는 중재자(mediator) 역할을 하는데, TIN2를 과발현했을 경우도 텔로미어 길이는 역시 짧아졌습니다. TIN2가 TRF1에 결합하면 TRF1은 구조적 변형을 일으키고, 이러한 변형은 텔로머라제가 텔로미어에 결합하는 것을 저해함으로써 텔로머라제를 통한 텔로미어 길이 신장을 억제하는 것입니다. 이와 반대로 TIN2, POT1 등의 쉘터린 단백질들을 감소시키면 텔로머라제는 텔로미어에 더 수월하게 결합 할(recruit)수 있고, 이에 따라서 텔로미어 길이는 더욱 신장될 수 있습니다. 이것을 종합하면 쉘터린 구조는 텔로미어의 길이 유지 및 조절에 필수적인 조절 역할을 수행함을 의미하는 것입니다.

 

텔로미어의 열린 구조와 닫힌 구조

TRF2에 의하여 세부적으로 조절되는 t-loop의 형성은 재조합(recombination), 핵산분해효소에 의한 공격, 말단-말단 융합(telomere fusion) 등의 위험으로부터 텔로미어를 보호합니다. TRF2의 기능을 손상시키면 기능장애의 텔로미어(dysfunctional telomere)를 생성하고, 이에 따라 DNA 수선과 재조합(recombination) 작용을 필요로 하게 됩니다. 아울러 TRF2의 파괴는 텔로미어 말단-말단 융합을 초래하고 궁극적으로는 세포사멸(apoptosis) 또는 세포노화(cellular senescence)를 유도하게 됩니다. "closed" 상태의 텔로미어는 텔로머라제가 결합하여 텔로미어 길이를 신장(lengthening)하는 것을 방해하며, "open" 상태의 텔로미어는 텔로머라제의 결합을 쉽게 하여 텔로미어 길이 증가를 유도할 수 있습니다. shelterin 구조(TRF1-TIN2-TPP1-POT1)는 텔로머라제의 접근 가능성을 간접적으로 제한시킴으로써 텔로미어 길이의 음성적(negative) 조절에 관여합니다. 그러므로 쉘터린 단백질은 '닫힌 텔로미어 구조(closed telomeric structure)' 또는 'cap의 형성(capping)'을 촉진하고, 이것은 텔로미어 단일가닥 3'-overhang(돌출부분)에 텔로머라제가 접근하는 것을 저해합니다. 이러한 닫혀진(closed) 텔로미어 구조는 텔로미어 보호 기능을 나타냅니다.

 

텔로미어 연합 단백질과 non-telomeric 기능들

TRF1과 TRF2는 텔로미어 말단을 보호하는 역할 외에 여러 종류의 DNA 수선 관련 단백질과도 상호작용(interaction)을 합니다. TRF1과 TRF2 둘 모두는 Ku 단백질과 상호작용한다(Ku는 NHEJ에 중요한 DNA 말단 결합 단백질입니다.) 또한, TRF2는 DNA 손상 감지나 DNA 수선(repair)에 참여하는 다른 여러 단백질과도 상호작용하며, 여기에는 MRN복합체(MRE11-RAD5-NBS1), BLM, ATM, WRN 등도 포함됩니다.

또 TRF2는 DNA 손상 감지 단백질(DNA damage sensor protein)인 ATM과 WRN 단백질과도 결합할 것으로 생각됩니다. 예를 들어 TRF2와 ATM과의 이러한 결합은 텔로미어에서 특이적으로 ATM 활성을 저해하는 것으로 생각되고 있습니다. WRN은 NHEJ와 상동재조합수선(homologous recombination, HR) 모두에 관여하는 DNA 헬리카제(DNA helicase)와 핵산말단 분해효소(exonuclease)를 코딩합니다. 그러면 DNA 수선단백질들(DNA repair proteins)의 텔로미어 복합체내에서 역할은 무엇일까요? 텔로미어에서는 자신들의 말단끼리 수선이 일어나는 것을 방지한다고 했는데 해당 질문에 대한 적절한 설명으로는 텔로미어가 DNA 수선단백질(DNA repair proteins)의 저장소(storage site)로서 역할을 하며 DNA 손상의 신호가 왔을 때 유전체의 손상된 부위로 즉시 이동(mobilization)할 수 있도록 하는 것입니다.

또 다른 하나의 가능성은 앞서 언급한 바와 같이 수선 단백질이 상호작용하는 텔로미어 연합단백질과 함께 작용함으로써 텔로미어의 재조합(recombination)이나 부적절한 융합을 차단하는 역할을 하는 것입니다. 이러한 가능성을 뒷받침하는 예로 포유동물 세포(mammalian cell)에서 Ku, MRN 복합체의 구성요소 또는 WRN 단백질 등에 있어서 결함(defect)이 일어나면 그 모든 경우에 텔로미어 상실(erosion), 융합(fusion)이나 다른 텔로미어 기능장애(telomere dysfunction)의 징후가 증가하는 것과 일치했습니다.

 

 

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