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단백질은 세포의 구조를 결정하는 기본적인 구성성분이며,또한 세포의 활동을 결정하는 기본적인 요소가 된다. 단백질은 효소 작용, 세포의 이동, 세포막 수용체, 세포막 이온 통로, 유전자 전사조절 등 세포 활동의 모든 과정에 직접 또는 간접적으로 관여한다. 단백질의 기능은 그 구조에 의하여 결정되고, 단백질의 구조는 아미노산의 배열순서로 결정된다.
단백질 구조를 결정하는 모든 정보는 세포핵 내에 있는 deoxyribonucleic acid(DNA)에 저장되어 있고, ribonucleic acid(RNA)로 전사되어 세포질로 이동되면, RNA를 주형으로 단백질 합성이 일어난다. 핵산은 뉴클레오티드(nucleotide)를 기본 단위로하는 중합체이다. 뉴클레오티드는 오탄당(데옥시리보오즈 또는 리보오즈), 인산 그리고 염기의 결합으로 구성된다.(그림 1). 핵산을 구성하는 두 종류의 염기는 퓨린(아데닌과 구아닌)과 피리미딘(시토신, 티민 그리고 우라실)이다. 아데닌(A),구아닌(G)과 시토신(C)은 DNA와 RNA 모두에서 공통으로 존재하며, 티민(T)은 DNA에만 있고, RNA에는 T가 우라실(U)로 대치된다.
뉴클레오티드는 인산의 에스터로 연결된다. 인산 에스터의 한 쪽은 첫번째 뉴클레오티이드에 있는 오탄당의 3'탄소와 연결되고 다른 한 쪽은 두번째 뉴클레오티이드에 있는 오탄당의 5'탄소와 연결된다. 두 번째 뉴클레오티이드 오탄당 3'탄소와 세번째 오탄당 5'탄소 사이에 인산 에스터가 있다. 인산 에스터의 중간 결합 고리를 이용하여 뉴클레오티이드가 연속적으로 연결된다. 네 종류의 염기(A,G,C와 T혹은 U)중 하나의 염기가 오탄당의 1'탄소에 부착된다. 인산 에스터와 오탄당은 기본 골격을 이루는 구조이며,핵산의 구조적 특이성을 결정하는 것은 오탄당에 부착된 염기이다.3개의 뉴클레오티드, 즉 세개의 염기의 종류 및 순서에 의하여 아미노산의 종류가 결정된다. 아미노산의 종류와 배열순서는 단백질의 종류를 결정하며, 생명 현상의 특이성이 유지된다. 따라서 핵산의 염기 서열은 생명체의 특이성을 간직한 근원적인 정보 저장고라고 할 수있다. DNA는 구조적으로 두 개의 가닥으로 구성되어 있으며, 각각의 가닥은 앞에 설명한 뉴클레오티드의 연결체로 되어있다. 두개의 가닥에서 각각의 뉴클레오티드의 숫자는 동일하고, 서로 동일한 위치에 있는 염기는 마주 대하고 쌍을 이루므로 이둘을 염기쌍(base pair)이라고 한다. 염기쌍은 무질서하게 이루어지는 것은 아니며,일정한 염기끼리 짝을 이룬다. A는 G와 C는 T(또는 U)와 쌍을 이룬다. 쌍을 이루는 염기 사이에는 수소결합이 형성되며, 2중 혹은 3중 수소결합을 만드는 염기 구조의 특성으로 쌍을 이루는 염기의 종류가 결정된다. 염기들이 자신에 합당한 쌍을 이루는 것을 보합결합(complementary binding)이라고 한다. 염기쌍의 수소결합 및 DNA 분자 구조의 특성으로 두가닥의 핵산은 나선 형태로 꼬이는 독특한 구조를 만든다.이러한 이중나선(double stranded helix) 구조는 유전자 발현에 중요한 의미를 가진다.즉 RNA를 합성하기 위해서는 꼬여있는 이중나선이 풀어져서 두 가닥으로 분리되어야 한다.분리된 DNA 한 가닥은 RNA를 전사하는 주형이 된다(그림2). 전사된 mRNA는 세포질로 이동되고 아미노산 서열을 결정하여 단백질을 합성한다. 단백질을 합성에는 tRNA와 rRNA가 필요하다.세포질의 아미노산은 각각을 운반하는 특이 tRNA에 부착되어 mRNA로 옮겨진다(그림 3). 리보좀은 rRNA와 단백질로 구성되어 있으며, mRNA와 tRNA가 결합하는 장소를 제공하여, 단백질 합성 장소가 된다. 유전자(gene)는 특정 단백질의 결정에 관여하는 지놈(genome)의 일부분으로 정의된다. 유전자는 mRNA의 전사를 조절하는 조절부위와 아미노산 서열을 결정하는 전사 부위로 구성된다.(그림 4). DNA 주형에서 RNA로 전사되는 과정에는 RNA 중합효소가 관여한다. RNA 중합효소에는 3종류가 있으며, 중합효소 I은 rRNA의 합성, II는 mRNA의 합성, 그리고 III는 tRNA의 합성에 관여한다. |
유전자의 조절부위는 유전자의 상부(5')에 위치하며, RNA 중합효소가 결합하는 장소이다. 중합효소가 결합하는 위치에는 중합효소이외에 다른 단백질이 함께 결합한다. 이러한 단백질을 전사인자(transcription factor)라고 하고, 이들이 결합하는 DNA 부분을 작용위치요소(cis-acting element)라 한다. 전사가 시작되는 위치에 25-30 뉴클레오티드 상부에 TATA 박스가 있으며, 이 곳은 RNA 중합효소의 작용 시작에 반드시 필요하다. 전사 개시점의 70-90 뉴클레오티드 상부에 CAAT박스가 있는 유전자도 있지만, 정확한 전사에 필수 요소는 아니다.또다른 조절인자로 mRNA 양의 증가에 관여하는 증강자(enhancer)는 보다 상부에 위치한다(그림 5). |
1) 전사 기전 전사의 시작은 유전자 조절부위에 조절 단백질 복합체의 형성이다. 조절 단백질 복합체는 조절인자(transcription factor, TFIIA,TFIIB,TFIID,TFIIE/F)와 RNA 중합효소 II의 결합체이다. TFIID가 먼저 TATA 박스에 결합하며, RNA전사의 가장 중요한 단계이다. 다음 단계는 TFIIA가 TFIID가 결합하는 단계이며, TFIIA는 TATA 박스에 직접 결합되지는 못하고, TFIID가 TATA 박스에 결합된 상태를 더욱 공고하게 한다. 그후에 TFIIB가 결합되며, TFIIB는 RNA 중합효소와 TFIID사이의 다리역활을 하는 것으로 추정된다. 최근에 밝혀진 TFIIF는 DNA-의존성 ATP분해효소 기능과 DNA 이중삭 분리효소 기능이 있는 것으로 알려졌다. RNA-활성단백(RNA activating protein, RAP)이 분리되었고, 30과 74k Da의 단백질 합성체이며 RAP 30/74로 표기된다. RAP30/74는 TFIIF와 동일물질로 추정되며, RAP74가 DNA 이중삭 분리효소(helicase)로 작용하여, DNA를 두 가닥으로 분리하고, RNA 중합효소가 작용할 수 있도록 한다(그림 6). |
유전자의 전사는 조절 유전자에 있는 작용위치요소와 작용전달인자(trans-acting factor)의 상호결합에 의하여 조절된다. 조절 유전자의 수자나 구조는 서로 다르며, 여기에 결합하는 전사인자 단백질에 의하여 독특한 구조를 형성한다. 전사인자 단백질이 DNA에 결합하는 부위는 아미노산 서열 60-100번 사이 이며, 강한 염기성 아미노산을 포함하고 있다. DNA에 결합하는 영역(domain)을 구조상 네 종류의 전사인자로 구분하며,Zinc-finger, leucine zipper, helix-turn-helix,와 helix-loop-helix 이다. Zinc-finger는 2개의 cysteine과 2개의 histidine 등 4개의 염기성 아미노산이 일정한 간격으로 위치하며, 중앙의 아연 분자는 이들 아미노산에 의하여 고정되는 구조를 가지고있으며,일반적으로 Cys-N2-Cys-N12-his-N3-His의 구조식으로 표시할수있다.여기서 N은 비특이적 아미노산을 의미한다.시스테인과 히스티딘 사이에있는 12개의 아미노산은 긴타원을 만들어 손가락 모양을 연상시킨다. 하나의 단백질내에 2-10개의 zinc-finger가 반복된 경우가 있으며,히스티딘이 시스테인으로 치환된 구조도 있다. 스테로이드와 갑상선 호르몬의 수용체는 zinc-finger계열에 속한다(그림7). |
4-5개의 leucine이 7개의 아미노산을 사이에 두고 위치하는 구조의 전사인자가 있으며,두개의 단백질이 쌍을 이루어 leucine-leucine끼리 결합하는 zipper를 형성한다. Leucine이 위치한 근접부위에는 염기성을 가진 30개 정도의 아미노산이 위치한다. Leucine zipper는 α-helix를 형성하며, 양면성을 가져, leucine이 위치한 안쪽은 소수성이고, 바같쪽은 친수성이다.Leucine zipper는 cAMP와 diacylglycerol를 2차전달체로 이용하는 전사인자에서 공통된 구조이다. Leucine-zipper는 이중화되어 DNA와 결합하는 능력을 획득한다. Leucine zipper는 동형이중체(homodimer)를 형성할 뿐아니라, 유사한 계열에 속하는 다른 종류와 이종이중체(heterodimer)를 형성할 수 있다. 또 다른 종류의 전사인자는 helix-turn-helix구조이다. 이것은 두 개의 α-helix구조가 β-turn에 의하여 연결된 모양이다. 카르복시 말단의 α-helix는 DNA에 직접 결합하는 곳이고, 다른 하나의 α-helix는 전자와 십자형으로 엇갈려 DNA와의 결합을 더욱 단단하게 한다. 뇌하수체 특이 전사인자 Pit-1/GHF-1이 여기에 속한다(그림9). 면역단백 유전자 조절단백으로 helix-loop-helix구조를 가진 전사인자가 발견되었다. 두개의 α-helix가 6-10개의 아미노산으로 연결되었으며, 오메가 모양의 고리를 만든다. |
2) 세포막 신호전달에 의한 전사조절 세포밖의 신호를 세포내 DNA로 전달되는 과정을 매개하는 이차전달체가 있고, 이에 대해 많은 연구가 되고있다. 이차전달체는 단백질 키나제를 인산화시키며, 단백질 키나제는 전사인자를 인산화시킨다. 전산인자에 있는 serine또는 threonine이 인산화의 목표가 된다. cAMP와 diacylglycerol이 가장 잘 알려진 이차전달체이며, 칼슘도 중요한 세포내 전달체이다.칼슘이 칼모듈린과 결합한 복합체는 단백질키나제를 활성화시킨다. 이차전달체를 만들지 않고, 수용체 자신이 단백질 키나제의 기능을 하는 경우도 있다. 수용체의 세포막 부분은 호르몬과 결합되고, 이러한 결합이 일어나면 세포질내로 뻗어있는 수용체는 단백질 키나제로 활성화된다. 인슐린과 성장인자의 수용체가 이러한 범주에 속한다(그림10). |
(1) 단백질 키나제 C-의존성 전사 세포막에 호르몬이 결합되면 포스포리파제 C가 활성화되고, 이는 포스포이노시톨(phosphoinositol, PI)을 분해시킨다. PI가 분해되면 삼인산이노시톨(inositol triphosphate, IP3)와 디아실글리세롤(diacylglycerol, DAG)로 변하고, IP3와 DAG가 이차전달체가 된다. IP3는 내형질세망에 저장된 칼슘을 세포질로 자극방출시키며, DAG는 세포막에 남아 있으면서 단백질 키나제 C(protein kinase C, PKC)를 활성화시킨다. PKC의 활성화는 유전자 발현을 조절한다. 포르볼에스터(phorbol ester)는 PKC를 직접 활성화시켜 분자생물학 실험 연구에 많이 이용되며 이에 속하는 것으로 12-O-tetradecanoyl-phorbol-13-acetate(TPA)가 있다. PKC-의존성 전사활성에 관여하는 DNA 부위를 TPA 반응요소(TPA responsive element,TRE)라고 한다. TRE의 구조는 TGACTCA로 cAMP 반응요소(cAMP responsive element, CRE)와 매우 유사하다. (2) Cyclic AMP-의존성 전사 이차전달체인 cAMP가 생성되면 cAMP의존성 단백질 키나제 A(protein kinase A,PKA)가 활성화된다. PKA가 활성화되면, 핵으로 들어가서 핵단백의 serine을 인산화 시킨다.인산화 전사 단백질이 결합하는 DNA부위를 cAMP반응요소(cAMP responsive element, CRE)라고 하며, TGACGTCA의 염기 서열을 이룬다. 인산화후에 CRE에 결합하는 단백질이 확인되었고,그 DNA 구조가 밝혀져져 CREB라 고 부르며, 327개의 아미노산으로 구성되었다. PKA에 의하여 인산화되는 serine의 위치는 아미노-말단부에 존재하며, 작용전달영역(trans-activation domain)에 해당된다. 유전자가 다르면, CRE에 결합하는 전사 단백질의 종류가 달라진다. 활성 전사인자(activating transcription factor, ATF)로 최초로 발견된 것은 아데노바이러스의 E1A단백질이다. ATF도 CRE에 결합되는 것이 밝혀져 CREB와 ATF는 같은 계열의 전사인자로 생각된다. ATF는 CRE에 결합하는 성질을 가진 단백질들을 총칭한다. ATF에 속하는 6가지의 단백질이 클로닝되고, 단백질의 구조도 규명되었다. CREB에는 서로 다른 두 종류가 있으며, 이는 동일한 유전자에서 전사된 RNA의 접합 절단(splicing)과정에서 다른 mRNA가 만들어지기 때문이다. CREB/ATF계열의 단백질은 leucine zipper의 구조를 가진다. 동종이중체(homodimer)를 형성하는 것이 보통이나,이종이중체(heterodimer)가 될 때도 있다. 이는 전사인자의 전사조절의 다양성 및 특이성을 말해준다. CREB/ATF계열은 AP-1/Jun계열의 단백질과 많은 부분에서 유사성을 가진다. 이중화를 만드는 leucine zipper 부분과 DNA 결합부분이다. 일부의 CREB/ATF와 AP-1/Jun 사이에 이종이중체를 형성하여 CRE에 결합되는 것이 증명되었다. CRE가 없는 유전자의 cAMP의 반응전달 체계에 대해서는 아직 규명해야 되지만, AP-2 결합소에 결합하는 것으로 알려졌다. 3) 스테로이드 호르몬 수용체에 의한 전사조절. 스테로이드 호르몬은 핵내 수용체와 결합하여 유전자의 전사를 조절한다. 비활성인 수용체가 호르몬과 결합되면 활성화되어 전사인자로 작용한다. 비활성 수용체는 90k Da의 열충격 단백질(heat shock protein, hsp90)및 다른 단백질과 복합체를 형성하고 있다. 스테로이드가 비활성 수용체에 결합되면, hsp90가 분리되고, 나머지 호르몬 복합체는 활성화 형태로 구조 변화가 일어난다. 수용체의 활성화 과정에는 호르몬 결합 단계및 수용체 단백질의 인산화 과정도 관여 할 것으로 추정된다. 수용체의 DNA 결합장소를 호르몬 반응요소(hormone responsive element, HRE)라 고한다. HRE는 15개의 염기쌍 길이로된 대칭구조이며, 이중체가 결합할 수 있음을 시사한다. HRE는 종류에따라 기본 구조가 매우 유사하나 약간씩 차이가 있어, 스테로이드의 종류에따라 반응 특이성을 결정한다. 당질스테로이드 호르몬 수용체 단백질의 유전자가 최초로 클로닝 되었고, 단백질 구조가 규명되었다. 그후 에스트로겐, 프로게스테론, 알도스테론 및 비타민 D의 수용체 단백질의 성상이 확인되어 구조적 상동성 증명되었고, 같은 계열의 단백질임을 알게되었다. 스테로이드 수용체 단백질이 바이러스 종양유전자에서 만들어진 v-erbA와 같은 계열임이 알려졌고, 사람의 종양 유전자에서 만들어진 c-erb A는 갑상선 호르몬의 수용체임이 밝혀졌다. 이계열에 속하는 다른 수용체는 갑상선 호르몬 수용체의 다른형, 레티놀산 수용체과 아직 기능이 알려지지않은 수용체 등 이 알려져있다. 스테로이드 수용체 단백질의 중간부에 DNA가 결합하며 두개의 zinc finger를 형성하는 일정한 구조로 되어있다.스테로이드호르몬 수용체에서 아미노 말단의 아미노산 종류는 매우다양하며 개별적인 특이성을 결정한다. 호르몬이 결합하는 장소는 수용체 단백질의 카르복시-말단부이다. 이곳의 기능은 매우 복합적이어서, hsp 90의 결합부, 이중체 형성, 작용 전달영역 등이 중복된 기능을 가질 것으로 추정된다(그림11). |
4) RNA 전사 및 접합절단 유전자에 아미노산의 구조를 결정하는 염기서열이 연속되어 있을 것으로 생각되었다.세균에서는 이러한 사실이 확인되었다. 그러나 진핵세포(eukaryotic cell)의 유전자는 아미노산 결정서열의 중간에 아미노산 구조와 관계없는 삽입서열(intervening sequence)또는 인트론(intron)이 존재한다. 이러한 인트론의 기능은 아직 알려지지 않았다. 반면 아미노산을 결정하는 서열을 엑손(exon)이라고 한다. RNA 중합효소에 의하여 최초로 합성되는 일차 전사체(primary transcript)를 이종 핵 RNA(heterogenous nuclear RNA, hn RNA)라고 한다. hnRNA는 엑손과 인트론 이 모두 전사체된 큰 RNA이다. hnRNA가 단백질 합성에 적합한 RNA가 되기 위해서는 인트론에 해당하는 RNA를 절단 제거시켜야 한다. 마지막 엑손의 뒤쪽 3' 부위의 비전사 부분도 제거되면 아미노산 결정 서열만의 RNA로 이어진다. 이러한 과정을 접합절단(splicing)이라 한다. 전사과정이 종료될 무렵 hnRNA의 5'말단에 7번 메칠화구아노신(7-methyl- guanosine,m7Gp)이 결합하여 모자를 씌운다(capping). 모자를 쓰지않은 RNA는 급속히 분해된다. 모든 mRNA의 아미노산 결정 서열의 시작은 methionine을 결정하는 AUG가 된다. 그리고 아미노산 합성의 끝에는 UGF, UAA혹은 UAG가 위치하므로 이들을 종료코돈(stop codon)이라 한다. 핵내에는 작은 크기의 RNA가 다량 존재한다. 이들 소형 RNA(small nuclear RNA, snRNA)는 하나 또는 수개의 단백질과 복합체(small nuclear ribonucleoprotein, snRNP)를 형성하며, hnRNA의 접합절단에 중요한 역할을 한다. 지금까지 알려진 snRNA의 종류로 U1a,U1b,U2,U4,U5와 U6가 있으며, 이들이 결합하는 위치에 따라 접합절단되는 분절이 달라진다(그림12). 따라서 동일한 일차 전사체에서 출발하여도 접합절단의 위치가 다르면(alternative splicing), 아미노산 결정 서열이 다른 mRNA가 된다. 두 종류의 가스트린 방출펩티드(gastrin releasing peptide)는 하나의 유전자에서 출발하여 상이한 접합절단 과정(alternative splicing)에 의하여 생산된 결과이다. 이러한 예는 substance P와 substance K 그리고 칼시토닌과 칼시토닌 유전자 관련펩티드(calcitonin gene-related peptid,CGRP)에서도 볼수있다. 칼시토닌/CGRP유전자는 여섯개의 엑손이 있다. 칼시토닌은 네번쨰 엑손에서 합성되고, CGRP는 다섯번째 엑손에서 합성된다. 갑상선 C-세포에서는 처음 네개의 엑손이 남고, 나머지는 절단제거된다. 신경조직에서는 네번째 엑손이 절단제거되고, 처음 네개의 엑손이 5번과 6번 엑손에 연결된다. 이러한 상이한 접합절단은 조직에 따라 결정된다(그림13) |
5) 단백질 이동과 합성후 변화 mRNA에서 최초로 합성된 호르몬 펩티드는 90-250개의 긴 아미노산으로 되어있으며,생물학적 작용이 없는 전구물질이다.이러한 전구물질의 N-말단부에는 15-30개의 소수성 아미노산으로 구성된 신호 펩티드가 있어 단백질의 이동에 중요한 기능을 한다.즉 내형질세망막(endoplamic reticulum)을 통하여 수조(cisterne)로 들어가는 길잡이 노릇을 할 것으로 추정된다. 전구물질이 내형질세망의 막을 통과하는 과정에는 몇 개의 보조인자가 필요하며, 신호인지입자(signal recognition particle, SRP)는 300개의 뉴클레오티드를 가진 RNA와 6개 단백질의 복합체이다. SRP는 리보좀과 신호펩티드에 결합되고 그후 단백질 합성은 종료된다. 이어서 리보좀과 신호펩티드에 결합된 SRP복합체는 내형질세망막에 있는 SRP수용체와 결합한다. SRP 수용체를 접합단백(docking protein)이라 한다. 이와 동시에 신호펩티드는 내형질세망막에 있는 신호펩티드 수용체(signal sequence receptor, SSR)와 결합한다. 이러한 과정이 끝나 합성 단백의 인도가 진행되면 SRP의 수용체 결합이 풀리고, SRF는 내형질세망막을 떠난다.(그림14). 많은 펩티드 호르몬은 분자량이 큰 다중단백질(polyprotein)로 존재한다. 생물학적 활성단백은 전구물질에서 일부가 떨어져나가는 과정을 거친다. 이러한 과정은 내형질세망의 수조에서 일어난다. 전구물질은 펩티드의 구성에따라 3종류로 구분된다. 제I형은 서로 다른 몇 종류의 기능성 펩티드를 포함한 다중성단백질이고, 제II형은 동일한 기능성 펩티드가 한개 이상 연속되어 있는 형태이고, 제III형은 단지 한개의 기능성 펩티드를 가지는 형태이다. 제I형 다중단백질의 대표적인 예가 프로오피오멜라노코르틴(pro-opiomelano cortin, POMC)이다. POMC로 부터 ACTH와 베타 엔돌핀이 생긴다는 것은 일찍부터 알려졌다. POMC는 훨씬 복잡한 분절과정을 거쳐서 여러 종류의 펩티드를 만들어 낸다. 베타 엔돌핀이 만들어지기 전에 베타 리포트로핀을 만들고, 다시 분절되어 베타 엔돌핀과 감마 리포트로핀을 만든다. 한편 ACTH는 더욱 절단되어 α-MSH와 CLIP(corticotrophin-like intermediate-lobe peptide)으로 변한다. ACTH는 뇌하수체 전엽에서는 더이상 분절이 되지 않으나, 뇌하수체 중엽으로 들어가면 α-MSH와 CLIP으로 갈라진다. 동일한 전구물질이더라도, 조직에따라 단백질의 절단 방법이 달라지게 된다. 제II형 다중단백질의 대표적인 예는 TRH의 전구물질이다. 개구리 TRH의 전구물질은 123개의 아미노산으로 구성되며, 3개의 TRH 펩티드를 포함하고 있다. 쥐 TRH의 전구물질은 255개의 아미노산으로 되어있으며, 5개의 TRH가 연속되어 있다. Pre-proenkephalin도 제II형으로 분류할 수 있다. 이 곳에는 4개의 met-enkephalin과 1개의 leu-enkephalin, 1개의 met-enkephalin-Arg6-Phe7과 1개의 met-enkephalin-Arg6-Gly7-Leu8이 포함되어 있다. 많은 호르몬은 제III형의 다중단백질에 속한다. 하나의 전구물질에서 한개의 기능성 펩티드만이 만들어진다. |
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