Re: 세포들이 소통하는 방법(G 단백결합 수용체)

[문형철]

BEYOND REASON

위대한 세포

7장. G단백 결합수용체

세포들이 서로 소통하는 방법을 찾지 못했다면 지구상의 생명체는 여전히 단세포로 살아가고 있을지도 모름. 

예) 위기탈출을 위한 세포들의 협력

위기상황이 닥치면 뇌에서 ACTH 호르몬이 분비되어 부신에서 아드레날린과 코르티솔이 분비됨. 코르티솔은 간에 저장되어 있은 글리코겐을 포도당으로 만들어 근육세포가 도망칠 수 있는 에너지를 준비하여 혈관을 통해 근육세포에게 보내줌. 아드레날린은 동공을 확장시키고 터널시야를 만들어 목표물에 집중하도록 함. 또한 기관지를 확장, 심장박동을 빠르게 하여 근육에 산소를 보내 근육이 빠르게 수축하여 도망갈  수 있도록 함. 한편 소화기관들은 활동을 멈추어 근육이 도망가는 일에만 집중하도록 함.

세포들은 신호물질인 리간드(ligane)를 분비하여 서로 소통하는데 분비되는 리간드의 종류는 호르몬, 성장인자, 형태형성인자, 신경전달물질, 사이토카인, 폴리펩티드 등 세포에 따라 다양함. 대화하고자 하는 하는 세포가 리간드를 세포밖으로 분비하여 신호를 보내면 리간드에 대한 수용체를 가진 세포가 대화에 응하는 것이 가장 일반적인 방법. 세포마다 자기에게 독특한 리간드와 수용체를 가지고 있기 때문에 거리에 상관없이 관계가 긴밀한 특정세포들 사이에서만 소통이 일어남. 

일반적으로 먼거리에 있는 세포들끼리는 호르몬을 혈관으로 분비하여 신호를 전달하는 내분비 방법(endocrine)을 이용하고 가까이 있는 세포들끼리는 성장인자, 형태형성인자, 신경전달물질 등을 분비하여 확산되는 곁분비(paracrine)방법을 이용함. 한편 바로 붙어있는 세포들끼리는 리간드와 수용체를 직접 결합하여 신호를 전달함. 자신에게 신호를 보내야하는 특별한 경우도 있는데 이때에는 자신이 분비한 리간드에 대한 수용체를 이용하여 스스로 신호를 받아들임(autocrine). 수용체를 통해 신호를 받은 세포는 생리반응을 조절하는 물질을 활성화하거나 핵으로 신호를 전달하여 필요한 단백질을 만들어 신호에 반응함. 수용체로부터 핵까지 세포내에서 신호가 전달되는 과정을 신호전달 경로(signal transduction pathway)라고 하는데 만약 신호전달경로가 잘못되어 대화내용이 전달되지 않거나 엉뚱하게 전달되면 몸에 이상이 생기고 질병이 발생함. 

세포막에서 리간드의 신호를 받아들이는 G단백질결합 수용체(GPCR, G-protein coupled receptor) . GPCR은 2번의 노벨상을 받은 화려한 경력을 가진 수용체임. 마틴 로드벨, 알프레드 길먼 교수는 G-단백질을 발견, 기능을 밝혀 1994년 노벨의학상. 듀크대학의 로버트 레프코위츠교수와 스탠퍼드의 브라이언 코빌카는 G단백질결합 수용체의 유전자를 발견하고 구조를 밝힌 공로로 2012년 노벨화학상을 받음. 

간세포의 세포막을 분리하여 글루카곤을 처리하면 cAMP가 만들어지는데(푸른선) 이때 GTP를 첨가하면cAMP의 생산량이 급격하게 증가함(갈색선). 로드웰박사는 글루카곤에 의한 1차신호는 수용체인 구별자에 의해 인식되고 GTP와 결합하는 변환자에 의해 변환된 다음 아데닌고리화효소에 의해 2차 신호인 cAMP로 전달된다고 제안함. 

미국 밴드빌트 대학교의 얼 서들랜드 교수는 아드레날린이 간세포에서 아데닌고리화효소(Adenylate cyclase, AC)를 활성화하여 ATP로부터 cAMP를 생성하고 cAMP는 또다른 단백질인산화효소를 활성화하여 글리코겐을 포도당으로 분해한다는 사실을 발견. 1971년 노벨상. 서들랜드 교수는 아드레날린처럼 세포와 세포사이에서 신호를 전달하는 물질을 '1차 신호전달자 first messenger'라 명명하였고 cAMP와 같이 세포내에서 신호를 전달하는 물질을 '2차 신호전달자 second messenger'라고 명명함. 호르몬에 의한 1차신호는 세포막에서 변환되어 2차 신호로 전달된다고 생각되었지만 신호가 어떻게 변환되는지에 대해서는 알려지지 않음.

.. 길먼교수 연구팀은 토끼의 간에서 분리한 단백질을 돌연변이 림프종 세포막과 섞었을때 아데닌고리화효소 조절부위를 활성화하여 cAMP를 만든다는 사실을 밝힘으로써 그들이 분리한 52,45,35kDa 크기의단백질이 G-단백질임을 확인함. 그들은 계속되는 연구를 통해 G단백질은 알파, 베타, 감마라는 3종의 서로다른 폴리펩티드 결합체임을 밝혀냄. 

.. 베타 아드레날린 수용체 유전자를 발견하는데 공을 세운 브라이언 코빌카 박사는 20년간의 연구끝에 '아드레날린과 G-단백질이 결합한 베타-아드레날린 수용체'의 구조를 밝혀냄. 이로써 리간드, 수용체, G단백질 등 3개의 구성요소가 완벽하게 갖추어진 G단백질 결합수용체의 실체가 규명됨. 

G단백질에 의한 신호변환

G단백질은 GPCR의 세포 안쪽면에 결합하여 세포 바깥쪽에 결합한 리간드에 신호를 변환하여 다음 단계로 전달하는 기능을 함. G단백질에 의한 신호변환은 의외로 간단한데 에너지가 낮은 GDP(guanosine diphosphate)상태의 G단백질은 신호를 변환하지 않고 에너지가 높은 GTP상태의 G-단백질은 신호를 변환함. G단백질은 Ga, Gb, Ggamma라는 3개의 조각으로 구성되어 있으며 신호를 전달하는 것은 G-alpha임. 리간드가 CPCR의 세포막 바깥부분에 결합하면 CPCR의 구조가 변화하고 이때 GDP상태의 G단백질이 GPCR에 결합함. GPCR에 결합한 G-단백질은 GDP상태에서 GTP상태로 변환되어 활성화됨. GTP상태로 활성화된 G단백질은 GPCR로부터 분리되어 나누어지고 Ga는 활성을 잃음. 한편 GPCR에는 새로운 GDP상태의 G단백질이 결합하여 GTP상태의 G단백질로 변환되는 일이 반복됨. 이러한 변환은 리간드가  GPCR에 결합하고 있는 동안 반복적으로 일어남. 즉 리간드가 결합되어 있는 동안 G단백질에 의한 신호전달은 계속해서 증폭되는 셈. 

G단백질은 G알파, 베타, 감마 3개의 조각으로 구성되어 있으며  GTP와 결합하여 신호를 전달하는 것은 G알파임. A. 리간드가  GPCR의 세포막 바깥부분에 결합. B. GPCR의 구조변화하면 GDP 상태의 G단백질이 GPCR에 결합하고 곧이어  G단백질은 GDP상태에서 GTP상태로 변환되어 활성화됨. C. GTP 상태로 활성화된 G단백질은 GPCR로부터 분리되어 나뉘고 G알파는 이웃한 세포막에 있는 효소를 활성화하여 신호를 다음 단계로 전달함. 신호를 전달한 G알파의  GTP는 GDP로 분해되고 G알파는 활성을 잃음. D. GPCR에는 새로운 GDP상태의 G단백질이 결합하여 GTP 상태의  G단백질로 변환되는 일이 반복됨. 이러한 변환은 리간드가 GPCR에 결합하고 있는동안 반복해서 일어남. 

G-단백질결합 수용체의 종류와 기능

GPCR은 대부분의 종에서 발견되며 사람에서도 전체 유전자의 4%에 해당하는 1000여개가 밝혀진 가장 큰 수용체집단임. GPCR은 빛, 냄새, 맛 등을 감지하는 감각수용체, 도파민, 세로토닌, 아드레날린, 아세틸콜린, 글루탐산, GABA 등의 신호를 받아들이는 신경전달물질 수용체, 글루카곤, 바소프레신, 옥시토신, ACTH등의 수용체호르몬, 케모카인, 프로스타글란딘, 브라디키닌, 아나필락시스 독소 등 염증반응매개하는 수용체와 지방산, 펩티드, 염기 등 다양한 신호를 받아들이는 수용체 집단임. 

다양한 리간드와 결합하는  GPCR은 전체수용체의 40%를 차지할 정도로 세포사이의 신호전달에 가장 빈번하게 사용되는 수용체임. GPCR의 종류가 다양한 만큼 G단백질을 통해 변환되는 세포내 신호전달경로도 이루 헤아릴 수 없을만큼 많음. 

G단백질에 의한 세포내 신호전달

1) Gas에 의해 활성화되는 AC-PKA경로

2) Gai에 의한 AC-PKA 억제경로

3) Gaq에 의해 활성화되는 PLC-PKC경로

4) Ga12/13에 의해 활성화되는 Rho-MAPK경로

5) Gb/r에 의한 이온통로개방 및 p13k활성화 신호전달 경로 등

PKA, PKC, MAPK, P13K 등은 모두 단백질인산화효소들인데 이들에 의해 인산화되는 단백질의 종류에 따라 세포의 분열, 이동, 약물반응, 대사, 분비, 혈관생성, 소화, 근육수축/이완, 암의 진행 등 다양한 생리반응이 조절됨.

G단백질에서 신호변환에 중요한 역할을 하는 G알파는 크게  Gas, Gai, Gaq, Ga12/13 네개 그룹으로 나뉠 수 있으며 감각은 서로 다른 신호전달 경로를 담당함. 

콜레라에 의한 설사 예

... 콜레라 독소는 소장의 상피세포로 흡수됨. 소장벽 상피세포의 세포질로 이동한 콜레라 독소는 활성화된  GTP상태의 G단백질에 결합함. 정상적인 GTP상태의 G단백질이라면 GTP를 분해하여 곧 GDP 상태의 G단백질로 변화하여 활성이 사라짐. 하지만 콜레라 독소는 GTP분해 효소기능을 억제하여 지속적으로  cAMP를 생산하고 cAMP는 단백질인산화효소(PKA)를 활성화하고 활성화된 PKA는 Na+이온과 Cl-이온을 세포밖으로 내보내고 삼투성 설사가 발생함. 

아드레날린, 글루카곤 작용

많은 리간드들은 직접적으로 GPCR에 결합하여 Gas -> AC -> cAMP -> PKA 경로를 활성화하는데  글리코겐을 분해하고 심장박동을 빠르게 하는 아드레날린, 지방을 분해하는 글루카곤 등이 대표적

소마토스타틴과 프로스타글란딘 작용

억제성 G단백질인 Gai는 아데닌고리화효소 활성을 억제하여 cAMP의 세포내 농도를 낮추고 결과적으로 PKA의 활성을 억제함. 소마토스타틴, 프로스타글란딘이 대표적이 리간드임. 소마토스타닌과 프로스타 글란딘은 Gas-> AC -> cAMP -> PKA 경로를 억제하여 각각 글루카곤, 아드레날린 길항제로 작용

바소프레신, 트롬빈, 아세틸콜린 작용

G 단백질에 의한 또 다른 중요한 신호전달 경로는 Gaq -> PLC -> DAG-IP3 -> Ca2+ -> PKC경로임. 이 경로를 이용하는 리간드는 간에서 글리코겐을 분해하는 바소프레신, 혈액응고작용을 하는 트롬빈, 근육수축을 일으키는 아세틸 콜린 등임. Gaq에 의한 신호전달 경로 역시 PKC의 표적이 되는 물질의 종류에 따라 리간드의 효과가 다르게 나타남. 

안지오텐신 2, 엔도텔린 1, 트롬복산 A2작용

이들은 Ga12/13 -> Rho -> MAPK  신호전달 경로를 통해 혈관의 평활근을 수축하여 혈액을 온몸으로 공급하는 중요한 역할을 함. 

무스카린 작용

버섯에서 발견되는 독성물질인 무스카린의 수용체인 무스카린성 아세틸콜린 수용체는 Gb/r를 활성화하여 K+ 이온통로를 개발함. 또한 Gb/r는 Gb/r -> PI3K, Ras 신호전달 경로를 조절하여 염증반응 및 암의 발생 및 전이과정을 조절함. 

Curr Clin Pharmacol. 2019 Dec; 14(2): 91–100. 

Published online 2019 Dec. doi: 10.2174/1574884714666181203095437

PMCID: PMC7011678

PMID: 30501602

Role of Muscarinic Acetylcholine Receptors in Breast Cancer: Design of Metronomic Chemotherapy

María E. Sales,1,* Alejandro J. Español,1 Agustina R. Salem,1 Paola M. Pulido,1 Y. Sanchez,1 and  Francisco Sanchez1

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Abstract

Background:

muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) have attracted interest as targets for therapeutic interventions in different illnesses like Alzheimer´s disease, viral infections and different tumors. Regarding the latter, many authors have studied each subtype of mAChRs, which seem to be involved in the progression of distinct types of malignancies.

Methods

We carefully revised research literature focused on mAChRs expression‎ and signaling as well as in their involvement in cancer progression and treatment. The characteristics of screened papers were described using the mentioned conceptual framework.

Results

Muscarinic antagonists and agonists have been assayed for the treatment of tumors established in lung, brain and breast with beneficial effects. We described an up-regulation of mAChRs in mammary tumors and the lack of expression‎ in non-tumorigenic breast cells and normal mammary tissues. We and others demonstrated that muscarinic agonists can trigger anti-tumor actions in a dose-dependent manner on tumors originated in different organs like brain or breast. At pharmacological concentrations, they exert similar effects to traditional chemotherapeutic agents. Metronomic chemotherapy refers to the administration of anti-cancer drugs at low doses with short intervals among them, and it is a different regimen applied in cancer treatment reducing malignant growth and angiogenesis, and very low incidence of adverse effects.

Conclusion

The usage of subthreshold concentrations of muscarinic agonists combined with conventional chemotherapeutic agents could be a promising tool for breast cancer therapy.

이처럼 GPCR에 의한 신호전달은 리간드의 종류, G단백질의 종류, G단백질에 의해 활성화되는 작용물질의 종류에 따라 다양해짐. 상황을 더욱 복잡하게 하는 것은 하나의 리간드에 대하여 세포마다 서로다른 GPCR을 가지고 있기 때문에 하나의 리간드가 세포에 따라 서로 다른 기능을 수행하기도 하고 서로 다른 리간드의 활성화된 신호전달 경로가 한곳으로 모여 하나의 기능을 나타내기도 함. 복잡하고 다양한  GPCR의 신호전달 경로를 연구하는 가장 중요한 이유는 GPCR 및 G단백질의 기능이상에 따라 병이 생기기 때문임. 

Cell. 2018 Jan 11; 172(1-2): 41–54.e19. 

doi: 10.1016/j.cell.2017.11.033

PMCID: PMC5766829

PMID: 29249361

Pharmacogenomics of GPCR Drug Targets

Alexander S. Hauser,1,2,∗ Sreenivas Chavali,1 Ikuo Masuho,3 Leonie J. Jahn,4 Kirill A. Martemyanov,3David E. Gloriam,2 and  M. Madan Babu1,5,∗∗

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Associated Data

Supplementary Materials

Data Availability Statement

Summary

Natural genetic variation in the human genome is a cause of individual differences in responses to medications and is an underappreciated burden on public health. Although 108 G-protein-coupled receptors (GPCRs) are the targets of 475 (∼34%) Food and Drug Administration (FDA)-approved drugs and account for a global sales volume of over 180 billion US dollars annually, the preval‎ence of genetic variation among GPCRs targeted by drugs is unknown. By analyzing data from 68,496 individuals, we find that GPCRs targeted by drugs show genetic variation within functional regions such as drug- and effector-binding sites in the human population. We experimentally show that certain variants of μ-opioid and Cholecystokinin-A receptors could lead to altered or adverse drug response. By analyzing UK National Health Service drug prescription and sales data, we suggest that characterizing GPCR variants could increase prescription precision, improving patients’ quality of life, and relieve the economic and societal burden due to variable drug responsiveness.

2017년 기준 미국  FDA승인을 받은 GPCR 표적약물은 108종. 

1년 판매액은 180조원에 달함. 

파킨슨병 약 '레보도파'

조현병 주울병 약 '올란자핀 Olanzapine'

향정신성 약 '리스페리돈 risperidone과 퀴티아핀 quetiapine'

항우울제 약 '아미트립틸린 amitriptyline'

진통제 '옥시코돈 oxycodone과 코데인 codeine'

편두통 약 '수마트립탄 sumatriptan'

알레르기 약 '펙소페타딘 fexofenadine'

천식 약 '티오트로피움 tiotropium과 살부타몰 salbutamol'

고혈압 약 '프로프라놀롤 propranolol과 독사조신 doxazosin'

당뇨약 '엑세나타이드 exenatide와 리라글루타이드 liraglutide'

위궤양 약 '라니티딘 ranitidine'

요실금 약 '솔리페나신 solifenacin'

녹내장 약 '티몰롤 timolol'

뇌졸중 약 '클로피도그렐 clopidogrel'

항구토 약 '메토클로프라마이드 metoclopramide'

유방암과 자궁내막암 약 '고세렐린 goserelin'

한편 연구에 의하면 개인마다 GPCR부위에 대략 68개의 미스센스 돌연변이(missense mutation)를 가지고 있으며 평균적으로 8개의 돌연변이에 의해서 GPCR타겟 약물에 대해 다른 약물반응을 보인다고 함. 따라서 GPCR 변이에 대한 연구는 환자 맞춤형 치료약물 개발의 가능성을 높여 치료의 정확성을 높일수 있음.