Histones are the main protein components of chromatin. They undergo numerous posttranslational modifications, including phosphorylation, acetylation, and methylation, which often affect each other. Such cross-regulation of histone modification is known to play a central role in many physiological processes. Especially, serine phosphorylation is one of the most abundant post-translational modifications and affects many key cellular processes, including signaling and metabolism. So, an efficient method that enables site-specific Sep incorporation will be highly useful in answering many fundamental biological questions.
Here, I present a much improved system of site-specific Sep incorporation by molecular evolution of phosphoseryltRNA synthetase (SepRS) and redesign of elongation factor (EF-Tu). By co-expressing these evolved orthogonal enzymes/proteins in the well-known E. coli strain BL21-(DE3), mg quantities of recombi-nant Sep-containing histones were produced. I investigated the effect of H3S10 phosphorylation on the histone acetyltransferase (HAT) activity of recombinant Gcn5p or the SAGA complex. The differential effect of phos-phorylation on acetylation at different levels of chromatin substrates became more obvious when I performed Western blotting with position-specific antibodies to observe the acetylation of individual modification sites (K9, K14, K18, and K23 in H3). Our results establish that H3S10 phosphorylation directly stimulates acetylation in H3 under physiologically relevant conditions, and that cooperative interactions between the SAGA complex and nucleosomal arrays are crucial for the synergistic communication between phosphorylation and acetylation in H3, which is not possible with small peptides or free histone.
인간의 게놈은 약 30,000 가지의 유전자를 가지고 있지만, 번역 후 변형 (post-translational modification, PTM)을 통해 생화학 기능기 (biochemical functional group)를 단백질에 붙임으로써 더 다양한 기능의 단백질을 생산한다고 알려져 있습니다. 특히 히스톤을 포함한 많은 구조 및 조절 단백질들에서 동시 다발적으로 일어나는 인산화 (phosphorylation), 아세틸화 (acetylation), 메틸화 (methylation), 유비퀴틴화 (ubiquitination) 등은 암, 백혈병 등을 포함한 각종 질병에 직접적으로 연관이 되어 있어서 전 세계적으로 많은 연구그룹에서 기초생화학적, 세포생물학적, 응용의약학적 접근방법을 통해 이를 규명하고자 활발한 연구 활동이 이루어지고 있습니다. 특히, 인간 프로테옴의 30% 가량이 인산화되는 것으로 추정되고 있고, 인산화도 복합적이고 동시적으로 일어나고 있어 실제로 다양한 단백질에서 인산화 아미노산인 포스포세린 (phosphoserine), 포스포트레오닌 (phosphothreonine), 포스포타이로신 (phosphotyrosine)의 수는 100,000 자리를 넘을 것으로 예상된다.
2011년 Science 지에 최초로 발표된 포스포세린 (phosphoserin) 을 포함한 단백질 생합성기술을 바탕으로, 본 논문에서는 이 포스포세린이 삽입된 단백질 생합성의 효율을 SepRS와 EF-Tu의 분자학적 진화(molecular evolution)를 통해 획기적으로 올렸으며 이를 이용하여 히스톤(histone)의 10번 위치의 세린(serine) 잔기에 인산화가 일어난 히스톤 H3 S10ph 단백질을 대량 합성할 수 있었습니다. 이는 histone H3의 10번 Serine 잔기의 인산화와 그 주변의 9,14,18,23번 라이신 (Lysine) 잔기의 아세틸화 사이의 cross talk연구를 가능하게 하였습니다. 기존의 실험에서는 포스포세린이 들어간 히스톤을 합성할 방법이 없어 짧은 펩타이드 (peptide) 수준에의 실험이 전부였습니다. 하지만 본 연구를 통해 많은 양의 히스톤 H3 S10ph 단백질을 생합성 할 수 있게 되었고 H2A, H2B, H4와 함께 히스톤 8량체(histone octamer) 합성 후, DNA와 반응시켜 Nucleosomal array을 만들었습니다. Chromatin과 가장 유사한 Nucleosomal array을 이용하여 cross talk 실험을 진행해 본 결과, 기존의 펩타이드 (peptide)로 이루어진 실험과는 반대의 결과를 얻을 수 있었습니다. 따라서 본문에서 이용된 단백질 생합성 시스템은 실제 세포 안 (in vivo)에서 염색질 (chromatin) 에 일어나는 현상을 시험관 안 (in vitro)에서 가장 유사하게 재현할 수 있는 강력한 도구가 될 수 있다고 생각합니다.
