Transcriptional insulators are specialized cis-acting elements that protect promoters from inappropriate activation by distal enhancers. The H19 Imprinting Control Region (ICR) functions as a CTCF-dependent, methylation-sensitive transcriptional insulator. Several insertional mutations and knock-out mouse were examined to demonstrate the H19ICR functions as a methylation-regulated maternal-specific insulator in novel chromosomal contexts. To investigate the configuration of cis-acting elements at several insertion sites, Chromosome Conformation Capture (3C) and Chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays were used. By comparing maternal and paternal organizations on wild type and mutant chromosomes, mechanisms for ICR/insulator function were identified. The results indicate that promoter and enhancer element invariably associate to form DNA loop domains at transcriptionally active loci. Conversely, active insulators always prevent these promoter-enhancer interactions. Instead the ICR/insulator forms novel loop domains by associating with the blocked promoters and enhancers. The results suggest that these associations are fundamental to insulator function.
생물체가 정상적인 기능을 하기 위해서는 특정 위치와 시각에 필요한 유전자만이 정확하게 발현되어야 한다. 이렇게 유전자가 정확한 조절을 받아 발현되기 위해서는 염색체 위에서 작용하는 조절 요소들이 필요한데 그 중 전사 절연체 (transcriptional insulator)는 프로모터가 원거리에 위치해 있는 enhancer로부터 불필요하게 활성화되는 것을 방지하여 필요한 유전자만이 정확한 장소와 시각에 발현될 수 있도록 하는 특화된 유전자 조절 요소이다. 특히, 모계 Imprinting Control Region (ICR)은 CTCF 단백질과 메틸화에 의해 전사 절연체로서 기능을 조절 받는 염색체 위에서 작용하는 조절 요소이다.
이 논문에서는 정상 생쥐와 다양한 돌연변이 생쥐 모델을 이용하여 모계 유전된 ICR이 여러 염색체상에서 메틸화에 의해 조절되는 전사 절연체로써 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 3C와 ChIP 기술을 이용하여 생쥐내의 여러 염색체 위에서 작용하는 조절 요소들간의 상호작용 메카니즘을 3차원 구조 측면에서 밝혀냈다. 정상 생쥐와 돌연변이 생쥐의 모계 염색체와 부계 염색체의 유전자 발현을 조절하는 여러 요소들의 상관 관계와 위치를 비교함으로써 모계 ICR이 전사 절연체로써 역할을 하여 유전자 발현 조절에 관여한다는 사실을 밝혀냈다.
이번 연구를 통해 활성화된 프로모터와 enhancer는 전사적으로 활성화된 염색체 위에서 항상 DNA 고리 구조를 통해 상호작용한다는 사실을 발견했고 반대로 활성화된 전사 절연체는 유전자 발현을 억제하기 위해 프로모터와 enhancer의 상호작용을 막는 것을 밝혀냈다. 대신 모계 ICR 즉, 전사 절연체는 불활성화된 프로모터 그리고 불활성화된 enhancer와 새로운 고리 구조를 통해 상호작용하여 유전자 발현을 억제한다는 사실을 발견했다.
따라서 이번 연구를 통해 염색체 상에서 유전자의 활성화 정도에 따라 유전자 조절 요소들간의 DNA 고리 구조를 통한 상호작용은 유전자 조절 및 전사 절연체의 기능에 있어서 매우 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.
