본 논문에서는 LCR이라는 cis-regulatory element가 포함된 DNA 염기서열로 인해 이루어지는 유전자 전사 조절을 설명하고, 단백질 결합은 DNase I HS에서 이러한 LCR의 기능을 직접적으로 수행한다. 또한 LCR의 HSs는 크로마틴 환경에서 전사인자들의 결합을 도와 글로빈 좌위 전체를 활성 상태의 열린 크로마틴 구조로 만드는 것을 보여준다.
<h2>LCR과 유전자 전사</h2><p>유전자 전사는 RNA polymerase (pol Ⅱ)가 모집되는 프로모터(promoter) 부분을 필요로 한다. 일반적으로 유전자 바로 앞쪽에 위치하는 이 DNA 염기서열은 TBP (TATA-bind-ing protein)를 포함한 일반 전사인자(general transcription factor)와 전사 활성자의 결합부위를 제공하며, 궁극적으로 RNA pol Ⅱ를 모집하여 전사를 시작하게 한다. 그러나 발생과 조직 분화에 따라 전사가 조절되는 몇몇 유전자들은 프로모터에 이외에 LCR이라는 cis-regulatory element를 가지고 있으며, 이 DNA 염기서열에 의해 특이적인 유전자 전사 조절이 이루어진다.</p><p>LCR은 유전자 전사와 관련하여 몇 가지 특징을 나타낸다. 기본적으로 LCR은 강력한 유전자 전사를 유도하며 인핸서(enhancer)로 작용한다. 위치적인 면에서 LCR은 표적 유전자로부터 상당히 멀리 떨어져 있으며, 그 거리는 유전자 전사를 활성화시키는 능력과 무관하다. 이 외에 단순 인핸서와 구별되는 LCR만의 특징으로서, 염색체 내로 삽입되었을 때 LCR에 연결된 유전자의 전사를 삽입된 위치와 상관없이 (integration-position-independent) 가능하게 하며, 또한 삽입된 복사본의 수에 비례하여(copy-number-dependent) 전사량을 증가시킨다. 이러한 현상은 크로마틴의 구조를 활성화시킬 수 있는 LCR의 능력과 관련된 것으로 보이며, 활성 히스톤 변형(active histone modification)으로 확인되는 구획(domain) 형성도 LCR의 역할로 생각된다.</p><p>사람의 \( \beta \)-글로빈 좌위에는 5개의 글로빈 유전자 \( (\varepsilon, \mathrm{G} \gamma, \mathrm{A} \gamma \),\( \delta, \beta) \)가 존재한다. 이들 유전자는 적혈구 조직에서만 발현되며, 발생 단계에 따라 DNA 상의 순서대로 배아 시기에 \( \varepsilon \), 태아 시기에 \( \mathrm{G} \gamma \)와 \( \mathrm{A} \gamma \), 그리고 성체 시기에 \( \delta \)와 \( \beta \) 글로빈 유전자가 발현된다. 이러한 조직 특이적, 발생 단계 특이적 발현은 \(\varepsilon\)-글로빈 유전자로부터 \( 6 \mathrm{~Kb} \) upstream에서 시작되어 \( 22 \mathrm{~Kb} \)에 이르는 LCR에 의해 이루어진다. LCR의 대부분이 소실된 지중해빈혈증(\( \beta \)-thalassemia) 환자의 경우 \( \beta \)-글로빈 유전자의 염기 서열이 정상임에도 불구하고 유전자 발현은 제대로 일어나지 않는다. 또한 적혈구 세포주나 생쥐에서 LCR을 제거할 경우, 글로빈 유전자의 발현은 현저히 감소하거나 완전히 억제된다.</p><h2>LCR의 DNase I HSs</h2><p>LCR은 조직 특이적으로 형성되는 몇 개의 DNase I HS로 구성된다. HS의 길이는 보통 \( 200-400 \mathrm{bp} \) 정도이며, 정상적인 뉴클레오좀(nucleosome) 구조가 없는 것으로 보인다. 이 부분의 DNA 염기 서열에는 조직 특이적 전사 활성자와 일반 전사 활성자의 결합부위가 여러 개 존재하며, 실제로 세포 내에서 특정 전사 활성자가 이들 결합부위에 결합하고 있음이 in vivo footprinting과 chromatin immunoprecipita-tion (ChIP) 분석을 통해 확인되고 있다. 따라서 LCR의 HSs는 크로마틴 환경에서 전사인자들의 결합을 원활하게 만들어 LCR의 기능 수행을 돕는 것으로 생각된다.</p><p>DNase I HS에서 단백질 결합은 LCR의 기능을 직접적으로 수행한다. 먼저 DNA에 직접 결합하는 조직 특이적 전사 활성자는 HS의 형성과 coactivators 모집에 관여한다. DNA에 직접 결합하지 않고 전사 활성자와 결합하는 co-activator는 주로 크로마틴 구조를 변화시키는 효소 활성을 가지고 있다. 히스톤 N 말단부의 아세틸화 또는 메틸화(methylation)를 담당하는 효소들과 뉴클레오좀 리모델링 복합체가 여기에 포함되며, 이들 단백질은 LCR과 표적 유전자들의 크로마틴 구조를 활성화시킨다. 이처럼 LCR에 존재하는 대부분의 HSs는 단백질 결합을 통해 크로마틴을 활성화시키고 표적 유전자를 전사한다. 이에 반해 좌위의 가장자리에 위치한 HS는 insulator로서 작용하며, 활성 영역(active domain)의 경계 형성을 담당한다.</p><p>사람 \( \beta \)-글로빈 좌위의 LCR은 다섯 개의 DNase I HSs, HS1-5로 이루어져 있다. 각각의 HS는 NF-E2와 GATA-1 같은 적혈구 특이적 활성자의 결합부위를 가지고 있으며, HS에 따라 특이적인 단백질 결합 양상을 보여준다. 가장 강력한 인핸서로 작용하는 HS2에는 이들 두 가지 활성자가 결합하며, 히스톤 아세틸화효소(acetyltransferase)와 메틸화효소(methyltransferase)도 자리잡고 있다. 특히 NF-E2 활성자의 결합은 HS2 부분에서 DNase I HS를 형성하고 히스톤 메틸화효소를 모집하는데 중요한 역할을 한다. 또한 생쥐 글로빈 좌위에서 HS3의 GATA-1 결합은 히스톤 아세틸화효소 모집에 관여한다. LCR의 HSs 중 \( 5^{\prime} \) 끝 쪽에 위치하며 insulator 역할을 담당하는 HS5에는 NF-E2나 GATA-1이 아닌 CTCF 단백질이 결합하고 있으며, 이 단백질은 insulator 기능 수행을 위해 꼭 필요하다.</p><h2>LCR과 크로마틴 활성화</h2><p>활성 상태의 LCR에서는 HSs의 형성과 더불어 LCR 전체에 걸친 히스톤 변형이 관찰된다. 대표적으로 히스톤 H3와 H4의 N 말단부 라이신 잔기에서 아세틸화가 일어나며, H3의 네 번째 라이신 잔기는 2-메틸화(di-methylation)된다. 이 두 가지 변형은 활성화된 크로마틴의 대표적인 특징으로 접근 가능한(accessible 또는 permissive) 크로마틴 구조를 형성하는데 관여하는 것으로 생각된다. LCR에서 HSs와 그 주변 부분의 히스톤 변형을 비교하면, 흔히 HSs에서 주변보다 더 높은 수준의 히스톤 변형이 일어나지만, HS에 따라 오히려 낮은 수준의 변형이 일어나기도 한다. 최근 보고된 LCR의 메틸화 양상을 보면 세 개의 H3 라이신 잔기, K4, K9, K36에서 1-메틸화(mono-methylation)가 일어나며, 이는 활성 상태인 LCR의 새로운 크로마틴 표지로 보인다.</p><p>단순한 인핸서와 구별되는 LCR의 기능으로 크로마틴 수준의 활성 또는 열린 구조 형성(opening)을 들 수 있다. 삽입된 염색체 내의 위치와 상관없는 유전자 발현이 보여주듯이 \( \beta \)-글로빈 LCR은 주변의 이질크로마틴(heterochromatin) 환경에 상관없이 크로마틴 구조를 활성화시키고 유전자 전사를 가능하게 한다. 그리고 대부분의 LCR이 제거되면 \( \beta \)-글로빈 좌위는 전체적으로 DNase I에 대해 낮은 민감성을 나타내며, LCR과 프로모터에서 HSs가 형성되지 않는 등 불활성(closed) 상태의 크로마틴 구조가 된다. 또한 발현되어야 할 유전자의 프로모터나 암호화 부위에서 히스톤 아세틸화 정도가 현저히 줄어든다. 이러한 사실은 LCR이 글로빈 좌위 전체를 활성 상태의 열린 크로마틴 구조로 만든다는 것을 보여주며, 이 구조는 유전자 전사를 위한 전제조건으로 생각된다.</p><p>그러나 생쥐 유전체의 \( \beta \)-글로빈 좌위에서는 이와 상반된 결과가 얻어지기도 하였다. 상동 재조합 방법으로 생쥐 유전체에서 글로빈 LCR을 제거한 경우, 좌위는 여전이 DNase I 공격에 민감하며 표적 유전자의 히스톤 아세틸화 수준도 영향을 받지 않는다. 이렇듯 크로마틴 구조는 활성 상태를 유지하지만, 그럼에도 불구하고 유전자 전사는 일어나지 않는다. 이 때 유전자 전사가 일어나지 않는 이유는 pol Ⅱ 신장이 제대로 이루어지지 않기 때문이며, 이 과정은 LCR을 필요로 한다. 또한 같은 연구진의 최근 보고는 적혈구 성숙 과정에서 글로빈 유전자가 발현될 때, 글로빈 좌위가 핵의 가장자리에서 안쪽으로 이동하는데, 이 때 LCR이 필요하다고 밝히고 있다.</p>