CAAT 박스

3. 핵심 프로모터 (Core promoter)

CAAT 박스는 핵심 프로모터, 즉 기저 프로모터 또는 단순히 프로모터라고도 하며, 특정 유전자의 전사를 시작하는 DNA 영역이다. CAAT 박스와 같은 이 영역은 전사 개시점 또는 진핵생물 유전자에서 약 60~100개의 염기쌍 상류(5' 말단 방향)에 위치하며, 적어도 27개 염기쌍 이상 떨어져 있다. 이 부위에서는 일반 전사 인자 복합체가 전사 개시 전에 RNA 중합효소 II와 결합한다.^[5][6] 이러한 핵심 결합 인자(핵 인자 Y 또는 NF-Y라고도 함)가 CCAAT 모티프에 결합하는 것은 전사에 필수적이다. 많은 연구실의 실험에서 CBF 결합을 상실시키는 CCAAT 모티프의 돌연변이는 이러한 프로모터의 전사 활성을 감소시키는 것으로 나타났으며, 이는 CBF-CCAAT 복합체가 최적의 전사 활성에 필수적임을 시사한다.^[3]

전사 주형 가닥의 전사 방향에서 CAAT 박스의 합의 서열, 즉 가장 빈번한 잔기의 계산된 순서는 3'-TG ATTGG (T/C)(T/C)(A/G)-5'이다. 괄호는 두 염기 중 어느 것이나 존재함을 나타내지만 상대적인 빈도는 명시되지 않았다. 예를 들어 "(T/C)"는 티민 또는 시토신 중 어느 것이 더 선호적으로 선택됨을 의미한다.^[3] 동물에서 핵심 결합 인자(CBF)-DNA 복합체는 CCAAT 결합 모티프 내에서, 그리고 이 5량체 모티프를 둘러싼 서열에서도 높은 수준의 보존을 유지한다. 식물(실험에 시금치가 사용됨)의 CCAAT 모티프는 동물과 약간 다른데, 프로모터는 5량체 모티프에서 두 개의 C 잔기 중 하나가 부족하며, 두 번째 C를 인위적으로 추가해도 결합 활성에 유의미한 영향을 미치지 않는다. 일부 서열에는 CAAT 박스가 완전히 없으며, 식물의 주변 뉴클레오타이드는 Bi 등이 결정한 위의 합의 서열과 일치하지 않는다.^[4]

4. 결합 (Binding)

전사 주형 가닥의 전사 방향에서, CAAT 박스에 대한 합의 서열은 3'-TG ATTGG (T/C)(T/C)(A/G)-5'였다. 괄호는 두 염기 중 어느 것이나 존재함을 나타내지만 상대적인 빈도는 명시되지 않았다. 예를 들어, "(T/C)"는 티민 또는 시토신 중 어느 것이 더 선호적으로 선택됨을 의미한다.^[3] 동물에서 핵심 결합 인자(CBF)-DNA 복합체는 CCAAT 결합 모티프 내에서, 그리고 이 5량체 모티프를 둘러싼 서열에서도 높은 수준의 보존을 유지한다. 시금치가 사용된 실험에서, 식물의 CCAAT 모티프는 CAAT 결합 모티프라는 점에서 동물과 약간 다르다. 프로모터는 5량체 모티프에서 두 개의 C 잔기 중 하나가 부족하며, 두 번째 C를 인위적으로 추가해도 결합 활성에 유의미한 영향을 미치지 않는다. 일부 서열에는 CAAT 박스가 완전히 없다. 둘째, 식물의 주변 뉴클레오타이드는 위의 합의 서열과 일치하지 않는다.^[4]

핵심 결합 인자(CBF)와 DNA 복합체를 이용한 실험에서 연구자들은 CAAT 박스 영역과 인접 영역, CAAT 박스의 양쪽에 위치한 두 영역에서 프로모터의 선호하는 서열을 결정할 수 있었다. PCR 매개 무작위 결합 선택 과정을 사용하여, 연구자들은 "3'- (T/C)G ATTGG (T/C)(T/C)(A/G) - 5'" 서열이 ATTGG 영역(보상 가닥의 CCAAT)에 인접하여 코딩 가닥(주형 가닥의 반대편)에서 우선적으로 선택된다는 것을 보여주었다.^[3][7][8] 이는 각각 20개의 정의된 뉴클레오티드 서열로 둘러싸인 27개의 무작위 뉴클레오티드를 포함하는 올리고뉴클레오타이드 서열(R1)을 사용하여 나타났다. ATTGG 모티프(보상 가닥의 CCAAT)의 양쪽에서 모든 클론에서 단일 뉴클레오티드가 선택된 것은 아니지만, 높은 빈도로 선택된 위치에는 여러 뉴클레오티드가 있었다. 특히 위의 서열에서는 ATTGG의 5' 말단 방향의 G 잔기가 두드러졌다. 나열된 다른 잔기도 주목할 만했지만, 두 잔기 사이에는 차이가 있었다. 이와 동일한 실험은 ATTGG 코어를 포함하고 12개의 5' 무작위 뉴클레오티드와 10개의 3' 무작위 뉴클레오티드로 둘러싸인 다른 올리고뉴클레오타이드(R2)를 사용했을 때도 동일한 서열을 얻었다. 이 두 서열은 매우 유사하며 여러 실험에서 확인되었다. ATTGG 모티프를 5' 말단에 두 개의 아데닌 잔기(AA)와 3' 말단에 G(A/G)로 둘러싼 서열은 CBF-DNA 복합체의 형성을 억제하는 것으로 보이며, 프로모터 서열의 1%에서만 발생했다.^[3] 또 다른 실험에서 다양한 숙주 종의 아데노바이러스의 주요 후기 프로모터(MLP)를 사용하여, CAAT 박스와 CCAAT 서열의 돌연변이가 C군 사람 아데노바이러스의 (MLP)에서 중요한 역할을 하는 것으로 여겨지며, CAAT 서열이 결핍된 종에서 영향을 미치는 것으로 나타났다. 돌연변이 MLP 종에서의 전사 개시는 야생형 또는 CAAT 돌연변이가 있는 종과 비교하여 유의하게 감소했다. CAAT 박스가 나타내는 정상적으로 기능하는 아데노바이러스를 복원하지 못하는 것은 CAAT 박스가 아데노바이러스 MLP에서 중요한 역할을 하며 다른 전사 요소보다 선호된다는 생각과 일치한다.^[9]

5. 식물에서의 CCAAT (CCAAT in plants)

핵심 결합 인자(NF-Y)는 NF-YA, NF-YB, NF-YC의 세 가지 서브 유닛으로 구성된다. 동물에서는 각 NF-Y 서브 유닛이 단일 유전자에 의해 암호화되지만, 식물에서는 구조와 기능 모두에서 다양화가 이루어졌다. NF-Y 계열은 서브 유닛당 8개에서 39개의 구성원으로 이루어져 있다. 이러한 다양화의 주요 원인은 유전자 중복과 탠덤 중복이며, 이는 단일 암호화된 동물 핵 인자에 비해 NF-Y의 더 큰 계열 크기에 기여했다.^[10] 각 서브 유닛은 진화적으로 보존된 부분을 포함하는데, NF-YA의 C-말단, NF-YB의 중심 부분, 그리고 NF-YC의 N-말단이 이에 해당하며 종 전체에서 70% 이상 보존된다. 그러나 인접한 영역은 일반적으로 보존되지 않는다.^[6]

식물에서 NF-Y 유전자 암호화의 진화적 변화로 인해, 이들은 이후 광범위한 잠재적 삼합체 복합체를 갖게 되었다. 예를 들어, ''애기장대''(Arabidopsis)에서 36개의 NF-Y 전사 인자 서브유닛(10개의 NF-YA, 13개의 NF-YB, 13개의 NF-YC 서브유닛 포함)이 확인되었으며, 이론적으로 1690개의 고유한 복합체(각 유형의 서브유닛을 하나씩 포함)를 형성할 수 있다. 물론 이 숫자는 실제로 일어나는 일보다 높은데, 일부 서브유닛이 특정 결합 패턴을 가지고 있기 때문이다. 식물에서 NF-Y 유전자 암호화에 대한 기능적 분석 결과, 동물 대응 종에 비해 진화적 다양화로 인해 배아 발달, 개화 시기 조절, ER-스트레스, 가뭄 스트레스, 결절 및 뿌리 발달과 같은 다양한 특정 기능을 획득했음을 보여주었다. 이론적으로 NF-Y 복합체의 조합 수가 매우 많고 실제로 생성될 수 있는 부분이 적기 때문에(효모에서 모든 가능한 상호 작용의 10% 미만이 양방향으로 확인됨), 이는 그들의 능력의 작은 부분일 뿐일 수 있다.

5. 1. NF-YA 서브 유닛

5. 2. NF-YB 서브 유닛

5. 3. NF-YC 서브 유닛

6. CCAAT 인핸서 결합 단백질 (CCAAT enhancer binding proteins, C/EBPs)

CCAAT 인핸서 결합 단백질(C/EBPs)은 6개의 구성원(α-ζ)으로 구성된 전사 인자 그룹으로, 보존도가 높으며 CCAAT 모티프에 결합한다. 이 결합 단백질에 대한 연구는 비교적 최근에 이루어졌지만, 이들의 기능은 다양한 세포, 특히 간세포, 지방세포, 조혈 세포에서 세포 증식과 분화, 대사, 염증 및 면역에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다.^[11]

예를 들어, 지방세포에서 이러한 현상은 다양한 마우스 실험에서 입증되었다. C/EBP(C/EBPα 및 C/EBPβ)의 이소성 발현은 지방 생성 호르몬이 없거나 지방전구세포가 지방세포로 분화되는 경우에도 세포의 분화 프로그램을 시작할 수 있었다. 또한, C/EBP(특히, C/EBPδ)의 과도한 존재는 반응을 가속화한다. 더 나아가, C/EBP가 없거나 C/EBP 결핍 마우스에서는 지방 생성을 거칠 수 없다. 그 결과 마우스는 저혈당증으로 사망하거나 지방 조직에 지질 축적이 감소한다.^[12]

C/EBP는 C-말단에서 일반적인 염기성-류신 지퍼(bZIP) 도메인을 따르며 다른 C/EBP 또는 다른 전사 인자와 이합체를 형성할 수 있다. 이러한 이합체화는 C/EBP가 DNA의 주구(major groove)에 있는 팔린드롬 시퀀스를 통해 DNA에 특이적으로 결합할 수 있게 한다. 이들은 호르몬, 마이토겐, 사이토카인, 영양소 및 기타 다양한 요인을 포함한 다양한 수단을 통해 조절된다.^[11]

참조

_[1] 논문 The NF-YB/NF-YC Structure Gives Insight into DNA Binding and Transcription Regulation by CCAAT Factor NF-Y 2002-10-24
_[2] 서적 Stedman's Medical Dictionary, Volume 1 Lippincott Williams & Wilkins 2005-12-06
_[3] 논문 DNA Binding Specificity of the CCAAT-binding Factor CBF/NF-Y 1997-10-17
_[4] 논문 The Assembly of the CAAT-box Binding Complex at a Photosynthesis Gene Promoter Is Regulated by Light, Cytokinin, and the Stage of the Plastids 1999-12-10
_[5] 서적 Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology Oxford University Press
_[6] 논문 The molecular biology of the CCAAT-binding factor NF-Y 1999-10-18
_[7] 논문 A survey of 178 NF-Y binding CCAAT boxes 1998
_[8] 논문 A perspective of promoter architecture from the CCAAT box 2009-12-15
_[9] 논문 Functional Analysis of the CAAT Box in the Major Late Promoter of the Subgroup C Human Adenoviruses 1998-04
_[10] 논문 CCAAT-box binding transcription factors in plants: Y so many? 2013-03
_[11] 논문 Review Article: CCAAT/enhancer-binding proteins: structure, function and regulation 2002-05-10
_[12] 논문 Defective adipocyte differentiation in mice lacking the C/EBPbeta and/or C/EBPdelta gene 1997-12-15
_[13] 논문 The NF-YB/NF-YC Structure Gives Insight into DNA Binding and Transcription Regulation by CCAAT Factor NF-Y 2002-10-24