Structural and biochemical studies on the Smc hinge domains of eukaryotes and prokaryotes

Abstract

세포분열 동안 chromosome의 올바른 partitioning과 segregation은 모든생물체에게 있 어서 중요한 일이다. Condensin 복합체는 chromosome condensation을통해 DNA를 partition하며 세포분열시 각 각의 딸세포에게 DNA가 정확히segregate 되도록 한다. 지 금까지 밝혀진 condensin 복합체가 여럿 있다: ㅇ원핵생물에서 Smc-ScpAB, MukBEF, MksBEF와 진핵생물의 condensin I 과condensin II가 있다. Condensin 복합체들은 다 동 일하게 SMC family의 ~50 nm 정도의 매우 긴 단백질들을 포함하고 있다. gproteobacteria에서는 MukB 또는 MksB를 다른 다수의 bacteria들은 Smc 그리고 진핵생 물에서는 Smc2와 Smc4 가 dimer를 형성한다. Smc 단백질들은 N-terminal 과 Cterminal이 engage하여 ABC ATPase인 head를 형성하며 반대편에는 또 다른 globular domain인 hinge가 있고 bacteria에서는 homodimer 그리고 진핵생물에서는 heterodimer 를 형성 한다. 이 두 globular domain들은 많은 연구가 지금까지 되어 왔지만 이 둘의 중간에 위치한 기다란 coiled coil domain은 무슨 역할을 하는지 지금까지연구과 미흡 했다. 여기서 나는 150 A 정도의 coiled coil을 포함한 효모 Smc2-Smc4 hinge 구조와 70 A 정도의 coiled coil을 포한한 P.furiosus Smc hinge 구조를 규명하였다. 두 구조에서는 이전에 규명된 Smc hinge 구조들과는 달리 coiled coil이 juxtaposed되어 닫혀있는 것으로 나온다. 두 구조에서는 EM에서 볼수 있는 holocomplex들의 rod shape과도 matching이 잘된다. 그리고 SAXS와 FRET을 통해 이 닫힌 coiled coil 구조가 실험적 artifact가 아니라는 것을 볼수 있었다. 이러한 juxtapositioning은 Smc coiled coils들의 permanent한 구조는 아닐 것이라고 DNA와 ATP를 포함한 BMOE cross-linking 실험들은 말한다. 실험들의결과는 마치 coiled coil의 closed form (juxtapositioning)은 resting state이며 ATP를 통한 head domain의 engagement과 hinge domain의 DNA binding이 open form (ring formation)이 되게 하는 것으로 보인다. ATP hydrolysis cycle 동안에 head에 가까운 coiled coil이 conformation 변화가 일어나 여기에 있는 coiled coil이 open form을 갖게 될수 있다. 이 변화는 BMOE cross-linking 실험들의 결과처럼 coiled coil 전체가 더 open form을 취하도록 촉진 할 수 있다. 그래서 hinge domain에 DNA가 binding하는 것을 촉진 할것으로 hypothesize 할 수 있다. 요약하면 본 연구는 어떻게 DNA가 condensin의 hinge domain에 binding하는 것이 open conformation에서만 가능하며 hinge domain이 마치 DNA sensor로 작용하여 DNA binding을 통해 멀리 떨어져 있는 head domain에서의 ATP hydrolysis cycle을 유도 할수 있다는 것을 보여준다. 본 연구에서는 cohesin hinge도 juxtaposed된 coiled coils들을 형성 한다는 것을 SAXS로 볼수 있었다. 본 연구를 바탕으로 cohesin hinge를 연구하는 것도 매우 흥미로운 작업이 되겠다.