[류제경 교수 연구팀] 진핵세포에 일반적으로 보존된 새로운 염색체 형성 원리 규명 (Nucleic Acids Rdsearch 논문 게재)
사람의 세포 하나에는 2미터 길이의 DNA가 지름 10마이크로미터의 핵 안에 접혀 들어가 있다. 지름 1미터의 공에 200킬로미터짜리 실을 감아 넣는 셈이다. 지금까지 이 접힘은 SMC 단백질이 ATP를 연료로 DNA를 잡아당겨 고리를 뽑아내는 '루프 압출 (loop extrusion)'으로 설명되어 왔지만, 그것만으로는 염색체가 왜 짧고 단단하게 응집되는지가 남는 문제였다. 서울대학교 물리천문학부 류제경 교수 연구팀은 영국 프랜시스 크릭 연구소, 네덜란드 델프트공대, 일본 교토대, KAIST와의 국제 공동연구를 통해, SMC 단백질이 멀리 떨어진 두 DNA 지점을 동시에 붙잡아 '다리'를 놓고, 이 다리가 쌓이면서 연료 없이도 DNA가 저절로 응집된다는 것을 밝혔다. 물과 기름이 저절로 갈라지듯 물리적 성질만으로 일어나는 상분리 현상이며, 연구팀은 이를 다리 놓기 유도 상분리(BIPS)'라 명명했다. 단일분자 형광 이미징과 원자힘 현미경으로 출아효모·분열효모·인간의 네 가지 SMC 복합체를 같은 잣대로 비교한 결과 네 가지 모두에서 같은 현상이 확인되어, 이것이 특정 단백질의 우연한 성질이 아니라 진핵생물 전반에 보존된, 더 일반적인 유전체 조직화 원리임이 드러났다. 생명현상을 물리 법칙의 언어로 읽어낸 이번 연구는 코헤신·콘덴신의 이상으로 발생하는 발달 질환과 암을 이해하는 데에도 새로운 실마리를 제공할 것으로 기대된다.
The Structural Maintenance of Chromosome (SMC) protein family plays a central role in higher-order genome organization through ATP-dependent DNA loop extrusion by cohesin and condensin and other processes. Whether these activities fully account for the complexity of chromosome architecture remains unknown. Here, we uncover a conserved ATP-independent mechanism of chromatin condensation by SMC complexes, occurring via biomolecular condensation. Using single-molecule fluorescence imaging, we show that a variety of SMCs form dynamic DNA-bound condensates that exhibit key features of biomolecular condensates, including droplet coalescence, fluorescence recovery after photobleaching, and rapid exchange with free SMC complexes. Atomic force microscopy analysis of human cohesin–DNA assemblies reveals DNA-length-dependent clustering, providing evidence for bridging-driven condensation. Analyses of in vivo super-resolution imaging and high-throughput chromosome conformation capture (Hi-C) data indicate that these condensates form chromatin-associated clusters with multi-loop structures. Together, our results establish that SMC complexes employ ATP-independent phase condensation as well as ATP-dependent activities to shape genome architecture. This work reveals a broadly conserved principle of chromosomal organization across eukaryotes.
Link: Bridging-driven condensation by eukaryotic SMC complexes is a conserved feature of genome organization | Nucleic Acids Research | Oxford Academic