히스톤 H3K27의 메틸화는 PRC2에 의해 일어나며, PRC2는 네 개의 핵심 단위체, EZH2, EDD, SUZ12, RBAP48가 있다. 지금까지의 많은 보고는 히스톤의 활성 표지로 H3K27me1을 시사하나, EZH2 메틸화 효소를 포함한 PRC2의 단위체들을 제거하였을 때, H3K27me1 단백질의 양이 항상 감소하지 않기에 히스톤의 활성 표지로 적합하지 않다. 한편, H3K27me2나 H3K27me3를 활성 표지로 쓰는 것은 연구된 바가 많지 않은데, 본 논문에서는 SUZ12와 EZH2는 적혈구 세포에 비해 비적혈구 세포에서 더 많이 결합하고 있음에 착안하여 H3K27me3를 히스톤 활성 지표로 쓰는 것에 대해 논하고자 한다.
<h1>히스톤 H3K27 메틸화</h1><p>히스톤 H3K27의 메틸화는 PcG 단백질들의 복합체인 Polycomb epressive complex 2 (PRC2)에 의해 일어난다. 사람의 경우, (PRC2)는 네 개의 핵심 단위체(core subunit), EZH2, EDD, SUZ12, RBAP48를 가지고 있으며, 이들 중 EZH2는 메틸화를 촉매하는 효소 활성을 가지고 있다. 실제로 세포내에서 EZH2를 제거하면 H3K27me2/me3 단백질의 양이 현저히 감소하며, 이와 반대로 EZH2를 과발현시키면 표적 유전자의 H3K27me2/me3 수준이 증가한다. 또한 PRC2의 구성 성분인 EED나 SUZ12도 메틸화 촉매 기능 자체를 가지고 있지는 않지만, H3K27의 메틸화를 위해 필요하다. 배아줄기 세포나 생쥐 배아에서 이들 단백질을 제거할 경우, EZH2의 감소와 함께 H3K27me2/me3 단백질의 양이 감소하는 것을 볼 수 있다. H3K27의 또 다른 메틸화 촉매 단위체로 EZH2와 유사한 EZH1이 보고되었다. 이 단백질은 배아줄기세포의 분화능과 관련된 EZH2의 역할을 부분적으로 대체할 수 있는 것으로 보이며, 이는 EZH1이 H3K27me3에 관여하기 때문일 것이다.</p><p>메틸기가 하나 결합되어 있는 H3K27me1은 전사가 활발한 유전자나 LCR (locus control region) 등에서 관찰된다. 메틸기가 두 개 또는 세 개 결합된 H3K27me2나 H3K27me3에 비해 연구된 바가 많지 않지만, 지금까지의 보고들은 H3K27me1이 히스톤의 활성 표지(active mark)임을 보여준다. 사람의 게놈 전체를 대상으로 한 연구에서 H3K27me1은 전사 수준이 아주 높거나 또는 비교적 높은 유전자에서 많이 관찰되며, 사람 글로빈 좌위를 대상으로 한 연구는 전사가 활발한 유전자 뿐 만 아니라, 전사조절부위인 LCR도 높은 수준의 H3K27me1가 일어나는 곳임을 보여준다. 그러나 적혈구 계통이 아닌 세포에서는 아주 낮은 수준의 H3K27me1이 글로빈 좌위의 LCR에 해당되는 부분에서 관찰되며, 이는 적어도 H3K27me1이 불활성 히스톤 표지가 아님을 의미한다.</p><p>EZH2가 H3K27me1를 촉매하는지는 확실하지 않다. 이는 EZH2 메틸화 효소를 포함한 PRC2의 단위체들을 제거하였을 때, H3K27me1 단백질의 양이 항상 감소하는 것은 아니기 때문이다. 배아줄기세포에서 EED단위체를 제거하면 EZH2도 감소하며, 그 결과 모든 종류의 H3K27 메틸화가 감소한다. 그러나 생쥐 배아에서 SUZ12 단위체를 제거하면 EZH의 감소와 함께 H3K27me2/me3 단백질 양은 줄어들지만 H3K27me1 단백질 양은 유지된다. 또한 EZH2가 제거된 배아줄기세포의 경우, H3K27me2/me3은 감소하지만, EED, SUZ12와 더불어 H3K27me1 수준은 큰 변화 없이 유지된다. 이러한 연구들은 H3K27me2/me3와 달리 H3K27me1가 PRC2 또는EZH2에 의해 직접적으로 영향을 받는 것은 아님을 보여주며, 사람 글로빈 좌위의 EZH2와 SUZ12 분포도 H3K27me1가 이들 PRC2 와 직접적인 관련은 없는 것으로 보인다.</p><p>H3K27me2은 전사가 일어나지 않은 유전자에서 흔히 발견된다. 인간 게놈을 대상으로 ChIP (chromatin im-munoprecipitation)과 차세대 염기서열분석 기법(ChIP-Seq)을 이용하여 수행한 연구는 H3K27me2가 유전자 전사 정도에 반비례하게 일어남을 보여준다. 또한 적혈구 세포주 K562에서 사람 글로빈 좌위를 모델로 ChlP과 real time-PCR 기법을 이용한 연구도 같은 패턴의 상관관계를 보여준다. 즉, 전사가 억제된 \( \delta \)-와 \( \beta \)-글로빈 유전자는 매우 높은 수준으로 H3K27me2가 일어나지만, 전사가 활발한 \( \gamma \)-글로빈 유전자는 낮은 수준의 H3K27me2를 보여주며, 중간 정도의 전사 수준을 나타내는 \( \varepsilon \)-글로빈 유전자는 H3K27me2도 중간 수준이다. 그러나 유전자의 전사 수준이 H3K27me2정도를 결정하는 유일한 요인은 아닌 것으로 보인다. 그 이유는 비적혈구 세포의 글로빈 유전자들은 전사가 전혀 일어나지 않지만, H3K27me2 수준은 매우 낮으며, 그 대신 높은 수준의 H3K27me3이 관찰된다.</p><p>H3K27me3도 H3K27me2처럼 전사가 억제된 유전자의 히스톤 표지다. 전사가 활발히 일어나는 유전자에서는 H3K27me3는 관찰되지 않으며 발생 과정 등에서 일어나는 유전자 전사 억제는 H3K27me3를 동반한다. 또한 H3K27 메틸화 효소의 인위적 감소에 따른 H3K27me3 감소는 표적 유전자의 전사를 증가시킨다. ChIP-Seq 기법을 이용한 대량 분석 결과도 같은 맥락의 패턴을 보여 준다. 사람 면역세포에서 약 12,000개의 유전자를 ChlP-Seq 기법으로 분석한 결과, H3K27me3과 유전자 전사 수준 사이에 반비례 관계가 존재한다. 사람 글로빈 유전자의 경우, 비적혈구 세포주에서 글로빈 좌위 전체가 높은 수준의 H3K27me3를 보이지만, 적혈구 세포주의 불활성 글로빈 유전자들은 낮은 수준으로 H3K27me3가 되어있다. 이러한 현상은 적혈구 세포주에서 글로빈 좌위 전체의 조직특이적 활성화와 관련이 있는 것으로 보이며, 생쥐 글로빈 좌위에서도 비슷한 현상이 관찰된다. 이처럼 다양한 세포의 여러 유전자에서 나타난 결과들은 H3K27me3이 전사 억제와 관련 있음을 보여주며, 전사 억제 및 불활성 크로마틴 구조 형성을 위해 H3K27me3이 H3K27me2보다 한 단계 높은 역할을 하는 것으로 생각된다.</p><p>사람과 생쥐의 글로빈 좌위에서 나타난 H3K27me2과 H3K27me3의 서로 다른 분포 패턴은 두 변형이 모두 PRC2 복합체 또는 EZH2 메탈화효소에 의해 일어나는지 의문을 제기한다. 사람 글로빈 좌위의 경우, PRC2의 소단위인 SUZ12와 EZH2는 적혈구 세포에 비해 비적혈구 세포에서 더 많이 결합하고 있으며, 특히 비적혈구 세포에서 이들 소단위의 결합 분포는 H3K27me3 분포와 대략적으로 일치한다. 이는 PRC2가 H3K27me2보다 H3K27me3와 관련되어 있음을 의미한다. 또한 몇몇 연구들은 H3K9 메틸화효소인 G9a가 H3K27me2에 기여함을 보여준다.G9a는 in vitro 상황에서 H3K27에 메틸기를 첨가할 수 있으며, G9a가 제거된 생쥐 배아줄기세포에서 여러 좌위의 H3K9me2 수준뿐 만 아니라, H3K27me2 수준도 현저히 감소한다. 더욱이 최근 연구는 G9a의 감소에 의해 세포 내 H3K27me2 단백질 양과 함께 H3K27me2 단백질 양도 감소함을 보여주며, 특히 이때 EZH2양과 H3K27me3 양은 큰 변화없이 유지된다. 이러한 연구들은 H3K27me2과 H3K27me3이 서로 다른 효소에 의해 촉매되며, 크로마틴 환경에서 그 역할이 다를 수 있음을 시사한다.</p>