개요

진핵생물(eukaryote)은 원핵생물(prokaryote)보다 유전체(genome)가 큽니다. 이 유전체를 세포에 맞추기 위해서는 DNA를 핵 안에 단단히 싸야 합니다. DNA는 이를 위해 히스톤(histone)이라 불리는 단백질에 감겨 DNA 포장의 주요 단위인 뉴클레오솜(nucleosome)을 형성합니다. 그런 다음 뉴클레오솜은 염색질(chromatin)로 알려진 응축된 섬유로 감깁니다.

우리는 태양을 수백 번 왕복할 수 있는 DNA를 가지고 있습니다

인체 대부분의 세포는 23쌍의 염색체(chromosome)로 포장된 약 30억 쌍의 염기쌍(base pair)을 가진 DNA를 포함하고 있습니다. 이 숫자들이 정확히 얼마나 많은 DNA를 나타내는지 상상하기 어렵습니다. 그렇다면 유전체를 세포에 넣으려면 얼마나 많은 포장이 필요할까요?

우리는 유전체를 길이로 표현해 어림짐작할 수 있습니다. 만약 우리가 인간 세포 한 개에서 나온 DNA를 일직선으로 배열한다면, 그것은 길이가 2미터, 즉 6.5피트가 넘을 것입니다. 인체는 약 50조 개의 세포를 가지고 있습니다. 이것은 한 사람당 총 100조 미터 정도의 DNA를 가지고 있다는 것을 의미합니다. 즉, 인간은 지구에서 태양까지 300번 왕복할 만큼 충분한 DNA를 가지고 있습니다!

그리고 인간에게는 특별히 큰 유전체가 없습니다. 여러 물고기, 양서류, 그리고 식물의 유전체는 훨씬 더 큽니다. 예를 들어 Paris japonica의 유전체는 인간 이배체(diploid) 유전체보다 25배 더 큽니다. 이런 수치는 진핵생물이 DNA를 세포 안에 포장하기 위해 큰 과제를 달성해야 한다는 점을 강조합니다.

뉴클레오솜은 DNA 포장의 핵심입니다

각각의 뉴클레오솜은 8개의 히스톤 단백질 중심(core)을 감싸고 있는 DNA로 구성됩니다. 각 중심은 4가지 유형의 히스톤(H2A, H2B, H3 및 H4)으로 구성되어 있으며, 유형당 2개씩 있습니다. 또 다른 형태의 히스톤 H1은 뉴클레오솜과 연결DNA(linker DNA)에 결합해 구조를 안정시킵니다.

DNA는 뉴클레오솜과 연결DNA가 염색질 섬유로 돌돌 말리면서 더 응축됩니다. 응축되지 않은 염색질 섬유, 즉 진정염색질(euchromatin)은 지름이 약 10nm입니다. 이 부분에 있는 뉴클레오솜은 끈에 감긴 구슬과 닮았습니다. DNA가 계속해서 응축되면서, 10nm 섬유는 돌돌 말려 약 30nm 두께의 가닥으로 응축되고, 더 나가 300nm 두께의 고리를 형성합니다. 염색질이 완전히 응축되면 이를 이질염색질(heterochromatin)이라 부릅니다.

진정염색질의 느슨하게 포장된 구조는 RNA 중합효소(RNA polymerase; RNA 폴리머레이스) 같은 효소가 DNA에 접근할 수 있도록 만듭니다. 따라서 전사(transcription)는 유전자(gene)가 풍부한 유전체의 진정염색질 영역에서 주로 발생하는 경향이 있습니다. 반대로, 이질염색질의 촘촘한 구조는 DNA 접근을 차단하여 전사를 막습니다. 이질염색질은 염색체의 동원체(centromere)와 텔로미어(telomere; 말단소체)에 주로 있으며, 여기엔 매우 반복적인 DNA 서열(DNA sequence)이 유전자보다 훨씬 더 흔합니다. 또한, 유기체는 세포와 외부 환경에 반응하여 DNA 포장 수준을 조정할 수 있고, 유전자 발현을 켜야 할 때 DNA 응축을 풀고, 발현을 끄기 위해 DNA를 다시 응축시킬 수 있습니다.