샤페론에 대해 짧고/쉽게/대충/부분적으로만 말한다면~~~

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단백질의 폴딩을 도와주는 단백질을 말합니다.

단백질이 처음 리보좀에 의해 트랜스래이션 되어서 나올때는 1차구조를 띈 폴리펩타이드 형태입니다.

일반적으로 대부분의 프로틴들은 펩타이드들의 charge와 수소결합, di-sulfide bond를 형성하여 완전한 단백질로 만들어 지지만...

종종 특별한 조건이 필요한 단백질의 경우에는 샤페론의 도움이 필요합니다.

대체로 단백질들은 리보좀으로 부터 나와 대충 3차 구조를 띄는 몰튼 글로불(molten globule)"녹아있는 공"이라는 말이죠...

그리고 대부분의 단백질은 이 생태에서 다음 단계로 넘어가 컴팩트한 구조의 완전한 단백질이 됩니다만...

종종 완전한 단백질이 되지 못할 중간 구조를 가진 이상한 넘이 있죠...

그넘은 샤페론 한테 끌려가서 몇대 맞고...온전한 모양으로 고쳐지게 됩니다...여러가지 종류의 샤페론들은 온전하게 모양을 이루지 못한 펩타이드 부분에 붙어서, 끌어서 hydrophobic한 단백질 안쪽으로 넣어주는 역할을 하거나...다른 단백질과 달라 붙지 못 하도록 막아주는 역할을 하거나...다리미 처럼 펼쳐주는 역할을 합니다.

hsp60같은 경우는 안쪽이 비어 있는 냄비 모양의 단백질로서 비 정상적으로 폴딩된 단백질을 그 속에 넣고 지지고 볶고...완전한 단백질이 될만한 환경을 만들어 줘서 완전한 단백질로 만들어 줍니다...

이러한 정상적인 단백질로 만들어진 후에는 di-sulfide bond라고 하는 강력 본드를 이용해서 타이트한 단백질로 다시 태어나게 됩니다...

이러한 샤페론에는 열충격 단백질(hsp; heat shock protein)이라고 하는 단백질들이 다수 포함되어 있습니다. 단백질은 아시다시피 열이나 pH에 상당히 약한 구조를 띄고 있고 이에 의해서 온전하던 단백질이 molten globule 형태로 풀어질 수도 있습니다...

hsp은 이러한 풀어진 단백질을 원래대로 되돌려 놓을 수 있는 기능을 가지게 됩니다...

일반적인 단백질 폴딩 과정에서는 에너지를 필요로 하지 않지만...샤페론에서는 ATP를 소모하게 됩니다...

위와 같은 샤페론에 의해서도 정상적으로 고쳐지지 못한 단백질의 경우는 ubiquitin(유비퀴틴)이라고 하는 쓰레기 봉투에 담겨져서 적당한 쓰레기장(proteasome)에 가서 폐기 처분 되거나 아미노 에시드의 형태로 재활용 됩니다.

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*CHAPERONE(샤페론)*

preface

생명과학 분야에서 Chaperone은 여러 Stress 로부터 Protein을 보호해주는 분자들을 의미한다. Chaperone역시 Protein이다. 그러나 그들은 다른 Protein들을 보호하기 위한 별종들이다. 이들은 위험한 상황에는 다른 단백질에 꼭 달라붙어 있다가 단백질이 제대로 기능하게 되면 떨어진다.

Chaperones are proteins that guide proteins along the proper pathways for folding. They protect proteins when they are in the process of folding, shielding them from other proteins that might bind and hinder the process. Many chaperone proteins are termed "heat shock" proteins (with names like HSP-60) because they are made in large amounts when cells are exposed to heat. Heat, in general, destabilizes proteins and makes misfolding more common. So when it gets really hot, cells need some extra help with their proteins.

main

단백질과 호열균, 그리고 Chaperone.

단백질은 불안정한 물질로 열에 특히 약하다. 효소 등 의료나 공업에 널리 이용되는 단백질은 열화의 방지가 큰 과제이다. 단백질을 안정화시 내열성이 향상되면 수명이 길어지는 것은 물론이거니와 이제까지에 없었던 새로운 의약품이나 식품, 화학제품의 실현에 이어질 가능성도 있다.

단백질의 안정화가 가져오는 파급효과는 의약, 바이오 등의 분야에 그치지 않는다. 예를 들면 실리콘 반도체보다도 집적도가 높은 [분자소자]를 단백질로 실현하는 경우, 신뢰성확보를 위한 안정화 기술의 확립은 반드시 필요하다.

어떻게 하여 단백질을 안정할 것인가? 열에 강한 단백질로부터 내열성의 열쇠로 되는 분자구조를 밝혀, 인공분자설계에 도움을 준다든지 자연계에 존재하는 내열성단백질을 발견해 그대로 이용하는 방법이 생각된다. 그 어느 것이라도 포인트는 내열성 단백질의 발견이다. 그럼으로써 내열성의 단백질을 갖는 호열균이 주목을 모은다.

호열균은 100℃ 가까운 고온 조건에서 가장 잘 번식한다. 고온환경에서 생식하므로 호열균을 만드는 단백질은 원래 고온하에서 안정된 기능을 갖고 있을 것이다.

호열균의 강함의 비밀은 Chaperone에 있는 것 같다. 생물이 고온에 노출되었을 때 체내에 만들어지는 [열 쇼크단백질]의 일종으로, 세균에 한하지 않고 여러가지 생물이 있다. 열로 체내의 단백질의 구조가 비틀려져 정상적으로 기능되지 않는 것을 방지해 몸을 지킨다. 열 쇼크단백질(Heat Shock Protein)인 Hsp70(크기가 70kDa)이 대표적인 Chaperone인데, 온도상승이나 열 충격을 받으면 여러 단백질과 함께 합성이 유도된다. 그것들은 갑작스런 온도증가에 변성된 단백질들이 다시 접히는 것을 돕기 위해 열 충격 후에 만들어진다. 이런 유형의 Chaperone들은 처음 E.coli에서 발견되었고, 이때 DnaK라고 붙여졌다. 왜냐하면 이 DnaK는 람다 파지의 DNA 복제 장치를 조립하는데 필요하기 때문이다. Chaperone이 DNA와 직접 관계가 없음에도 이 때문에 아직까지 이 DnaK라는 이름이 쓰이고 있다. 열 충격 단백질로서의 역할 가운데는 세포의 온도계처럼 작용하기도 하고, 다른 단백질의 합성을 조절하는 작용도 한다. Chaperone이란 사교계를 출입하는 젊은 여성를 수행하는 여자를 일컫는 말로 프랑스어이다. 단백질이 정확하게 기능하는 것을 도움으로써 이름이 붙여졌다.

파이로코카스의 Chaperone이 어떻게 단백질의 입체구조의 비틀림을 정확하게 교정하고 있는가는 충분히 알려져 있지 않아 상세한 해명은 이제부터이다. 단백질의 열 변성 등을 저지하고 있는 것은 실험으로 확인하고 있어 "호열균의 Chaperone의 기능연구성과는 아직 적어 흥미가 많다."라고 산업계에서도 주목하고 있다.

일본 통산성도 오끼나와 근처의 깊이 2000m의 깊은 바다에서 발견한 파이로코카스를 재료로 유전자의 염기배열의 해독작업을 진행중이다. '96년도 중에라도 전염기의 해독을 완료해 유전자와 단백질의 역할분석으로 이행한다. 앞으로 호열균의 연구가 활발화되어 나갈 것 같다.

단백질, 생(生)과 사(死)의 갈림길

단백질도 사람과 마찬가지로 스트레스를 받는다. 예를 들어, 온도가 높아지면 단백질은 제대로 접혀있던 3차원 구조가 풀리게 되어 자신의 역할을 정상적으로 수행할 수 없게 된다. 그러나 다행스럽게도 도움의 손길은 있다.

Chaperone이라 명명된 그룹의 단백질들은 이렇게 풀려진 단백질들을 인식하고 결합해서, 이들이 다시 제대로 접힐 수 있는 좋은 환경을 만들어 주는 역할을 한다. 그러나 유명한 생물학 학술지인 Cell 최신호에 발표된 논문에 따르면, 이러한 Chaperone의 처방에 밝은 면만 존재하는 것은 아니라고 한다.

예를 들어, 풀려진 단백질이 다시 제대로 접힐 가망이 별로 없다면, Chaperone은 잔인한 면을 드러내어 이들을 잘게 썰어버린다.

독일, 콘스탄쯔 대학의 미하엘 엘만 교수 연구팀은 DegP라는 이름의 Chaperone을 연구하였다. 온도가 올라가면 세포 안에 있는 단백질들도 많은 양이 풀리게 되는데 DegP는 세포가 이러한 상황에 대처할 수 있도록 해준다. 그래서, DegP는 높은 온도에서 더 많은 양이 발현된다.

엘만 교수 그룹은 DegP에 의해서 다시 정상적으로 접히게 되는 MalS라는 단백질을 발견하였다. 그리고, DegP가 시험관에서 MalS의 재 접힘 과정을 촉진할 수 있도록 해주는 시스템을 개발하였고, 이 조건들을 변화시킨 후에 무슨 일이 발생하는지를 관찰하였다. 낮은 온도에서 DegP는 예상했던 대로 Chaperone처럼 행동하여 풀려진 MalS를 정상적인 접힘 모양으로 되돌려 놓았다.

그러나, 높은 온도에서 MalS는 잘못된 접힘 모양으로 남아 있었을 뿐만 아니라, DegP에 의해서 분해되기도 하였다.

사실 이 모든 현상은 완벽하게 이치에 맞는다. 아마도 아주 높은 온도에서는 MalE가 더 많은 손상을 입을 것이고, 더 많이 풀려버렸을 것이다. 그래서, MalE가 너무 많은 손상을 입어 다시 접힐 수 없도록 되어버리는, '돌아올 수 없는 다리'를 건넜다고 생각해보는 것은 어렵지 않다. 그리고, 바로 이 지점을 지나면, Chaperone은 단백질을 재 접힘을 돕는 게 아니라 그 단백질을 분해해 버린다고 볼 수 있다.

엘만 교수 연구팀은 DegP의 이러한 활성 변화는 낮은 온도에서는 감추어져 있다가, 온도가 높아지면 노출되는 조그만 부분 때문이라고 생각한다. 연구자들은 이 부분이 노출되어야만 잘못 접힌 단백질들을 분해하는 DegP의 활성이 나타난다고 믿는다. 바로 이러한 변화가 MalS에게는 '다시 제대로 접히느냐, 아니면 분해되고 마느냐?' 하는 생(生)과 사(死)의 갈림길이 되는 것이다.

단백질의 3차원 구조와 Folding

세포 표면에 붙어있는 단백질(ion channel, receptors...)과 분비되는 단백질(hormones...)들은 일단 cytoplasm에서 만들어져 Endoplasmic Reticulum과 Golgi apparatus를 통과하면서 성숙된다. 이 성숙되는 과정이 Folding과 assembly이다. 즉 생성 직후 single polypeptide chain이던 것이 ER내로 옮겨져서 말 그대로 접혀져서 3차원 구조를 가지게 되는 것이 'folding'이다..

ER내에서 단백질이 folding되기 위해서는 다른 여러 단백질의 도움을 받아야한다. ER내에는 이런 도움을 주는 단백질들을 여러개 갖고 있으며 이들을 'Chaperone'이라 부른다. 이 Chaperone들은 단백질이 올바르게 folding되는 것을 도와주기도 하고, 잘못 folding된 것과 결합하여 ER밖으로 배출되지 않게 함으로써 잘못 folding된 단백질이 다음 단계로 옮겨지지 못하게 한다.

단백질의 합성은 cytoplasm에서 시작되지만 이들 중 상당수가 세포표면에 붙어있거나 세포 밖으로 분비된다. 새로 cytoplasm에서 합성된 단백질은 Endoplasmic reticulum으로 옮겨지는데(unfolded 상태로), ER에서 골지체를 통해 나머지 분비경로를 거칠 때는 대부분 folded되어 있다. ER은 단백질이 maturation함에 있어 중요한 장소이며, ER의 생화학적 환경은 최적의 folding을 할 수 있도록 디자인 되어있다. 단백질의 정확한 folding은 그 자신의 운명을 결정하는 중요한 단계로 단백질의 안정성과 생물학적 기능을 결정하고 분비경로에서 어긋나지 않도록 해준다.

Folding과 Chaperone

펴져있는(unfold) 분자가 몇 분 내에 완벽하게 folding해야 하는데, 시험관 내(in vitro)에서 이를 수행하는 것은 불가능하다. 하지만 실제로 생체 내(in vivo)의 대부분의 단백질 분자들은 각자 알맞은 형태로 재빨리 folding이 이루어져야 한다. 반면에 세포는 기능을 하지 못하는 단백질을 합성하고 잘못 folding되거나 접혀지지 않은 단백질을 없애는 데 많은 에너지를 소비하게 된다. 세포 내에서 95% 이상의 단백질은 단백질 종류가 그렇게 많음에도 불구하고 정상적 형태를 유지한다. 그러나 시험관 내에서는 생체 내에서처럼 정상적으로 folding이 이루어지지 않아 모두 엉겨 붙어 가라앉게 된다. 세포 내에서 이러한 놀라운 일이 가능한 이유는 바로 샤프론(chaperone)이 있기 때문이다. 샤프론은 박테리아에서 사람에 이르기까지 모든 생물체에 존재하는 단백질 군집으로, 각 세포에 모두 위치해 있다. 일반적으로 샤프론 군집에는 두 가지가 있는데, 첫 번째는 분자적 샤프론(molecular chaperone)으로 folding이 안되어 있거나 부분적으로만 folding이 되어 있는 단백질과 결합하여 이 단백질의 활성이 감소되는 것을 막아주는 역할을 한다. 두 번째는 샤프로닌(chaperonin)으로 단백질이 folding하기 쉽도록 직접 도와주는 역할을 한다. 샤프론은 ATPase 활성을 가지고 있어서, 표적 단백질과 결합하여 안정화시키는데 있어 ATP 가수분해와 밀접하게 관련이 있다. 또한 샤프론이 부분적으로 folding되어 있는 단백질과 결합하는 것으로 보아 folding 과정의 중간 단계에도 관여함을 알 수 있다.

분자적 샤프론(molecular chaperone)은 Hsp70이라는 단백질 군집으로 이루어져 있다. 여기에는 세포질(cytosol)과 마이토콘드리아의 기질에 있는 Hsp70, 소포체(endoplasmic reticulum)에 있는 Bip, 그리고 박테리아의 샤프론인 DnaK가 포함된다. 열에 의한 충격을 받았을 때 가장 먼저 나타나는 물질인 Hsp70(heat shock protein 70,000 MW)은 모든 생물체에 있는 주요 샤프론이다. Hsp70은 ATP와 결합했을 때, 열린 형태가 되어 소수성을 띠고 있는 부분이 노출되어 순간적으로 unfold 단백질의 소수성 부분과 결합을 하게 된다. 결합되어 있는 ATP가 가수분해되면 Hsp70은 닫힌 형태가 되어 단백질을 내보내게 된다. 분자적 샤프론은 라이보좀(ribosome)에서 곧바로 합성된 모든 폴리펩타이드와 결합하는 것으로 추정된다.

단백질의 작은 부분들까지 완전히folding이 이루어지기 위해서는 샤프로닌(chapronin)이라는 보조자가 더 필요하다. TCiP라고 불리는 진핵세포의 샤프로닌은 8개의 Hsp60이 모여서 이루어진 커다란 통모양이다. 박테리아에도 이와 비슷하게 생긴 GroEL이라는 샤프로닌이 있는데, 이는 14개의 subunit으로 이루어져 있다.

오른쪽 그림은 GroEL로 ATP가 없을 때 또는 ADP가 있을 경우 왼쪽과 같이 꼭 붙어있으나, ATP와 결합하게 되면 오른쪽과 같이 느슨한 모양이 된다. 보통 GroEL folding 기전은 TCiP에 의해 이루어지는 folding 기전보다 더 이해하기 쉽기 때문에 일반적인 모델로 취급된다. 박테리아에서 부분적으로 folding되었거나 잘못 folding된 폴리펩타이드는 GroEL의 통안으로 들어가서 안쪽 벽과 결합하여 정상적 형태로 folding이 이루어지게 된다(왼쪽 파란색 GroEL). ATP가 GroEL과 결합하게 되면 GroEL은 느슨해져서 folding이 다 이루어진 단백질을 방출하게 된다(오른쪽 노란색 GroEL). 이 때, GroEL의 끝부분을 감싸서 이 과정을 도와주는 GroES라는 물질이 작용을 한다. 진핵세포의 샤프로닌인 TCiP에서는 GroES같은 물질이 없기 때문에 마지막 단계는 박테리아와 다르다. 게다가 TCiP의 통안의 크기가 작기 때문에 55 kDa이하의 폴리펩타이드만이 folding 과정을 수행할 수 있다.

Misfolding과 Chaperone의 역할

잘못된 folding은 많은 질병에서 중요한 역할을 한다. 여러 종류의 선천성 질병(cystic fibrosis, &alpha1 antitrypsin deficiency)에서 3차원적 구조는 mutation에 의해 변형되어 세포내 이동에 결함을 갖게된다. 또 여러 생화학적 스트레스(예를 들면 ATP,Calcium,glucose들의 결핍)는 ER의 내부 환경을 변화시켜 folding 기능을 손상시킨다.

이 글에서는 분비경로에 있어서의 단백질의 folding을 도와주는 세포요소들을 알아보고, 여러 병적 조건의 기본이 되는 folding에서의 Error에 대해 말할 것이다.

Molecular Chaperones in the Endoplasmic Reticulum

새로 생성된 단백질의 folding은 보통 특별한 단백질 그룹에 의해 도움을 받기 때문에 신속하며 잘못 folding 되는 적은 드물다. ER은 'molecular chaperone'이라 불리우는 물질을 갖고 있는데 이들은 folding을 촉진시키고, 성숙되고있는 단백질의 aggregation과 성숙 전 ER 바깥으로의 방출을 막는다.

Chaperone은 실제적으로 모든 종류의 세포에 존재한다. 이들은 여러 가지 생물학적 기능을 수행한다. 이들 중 일부는 단백질이 세포내 여러 organelle(세포기관)로 이동하는 것과 관련이 있거나 포도당 고갈 같은 스트레스 상황에서 세포를 도와주기도 한다.

1. HSP70 (heat shock protein)

대표적인 Chaperone

2. Dna-J-like군(Hsp40)

3. HSP90군

4. BiP

78-kd glucose-regulated protein(grp78), immunoglobulin binding protein.

BiP는 ER 내에서 많은 secretory & membrane protein의 성숙과정에 관여한다. Folding이 정상적일 때에는 BiP와 단백질의 결합은 약하고 짧은 시간 동안만 유지되지만, 비정상적인 경우에는 BiP와 단백질이 안정적 결합을 하게되고 그 결과는 결합체의 degradation인 경우가 많다.

5. ERp72, grp58 (protein disulfide isomerase, PDI)

disulfide isomerase에 속하며 disulfide bond의 생성에 촉매작용을 한다.

6. FKB13 (이뮤노필린들/프롤린 이성효소 관련 기능)

peptydyl-proline isomerase에 속한다.

7. 칼넥신(Calnexin, CNX) & 칼레티귤린(Calreticulin, CRT)

Calnexin은 glycoprotein의 carbohydrate부분 중 specific oligosaccharide를 인식하여 glycoprotein oligosaccharide side chain의 post-translational process를 enhance 시킨다고 생각된다. Calreticulin의 기능도 calnexin의 기능과 비슷하리라 생각된다.

#Synthesis of Molecular Chaperones

Chaperone의 농도 변화

Chaperone의 생성은 평소에는 적으나 스트레스 상황에서는 증가된다. 이런 스트레스 상황으로는 포도당 결핍, 바이러스 감염, ER내의 칼슘 고갈, proteasome inhibition, anoxia(산소결핍), ischemia(국소빈혈,허혈) 등이며 이 모든 상황들은 잘못 folding된 단백질이 ER 내에 축적되게 하는 원인이 된다. 이러한 상황에서 Chaperone의 생산이 증가되는 것은 이 축적물들을 처리하기위한 시도라고 볼 수 있다.

Yeast 연구에 따르면 Chaperone 생산의 증가는 이들 Chaperone들이 잘못 fold된 단백질에 오래 결합하여 있음으로 해서 free chaperone의 농도가 낮아짐에 의해서 일어난다고 생각된다.(다시 말해 misfolded protein의 축적 때문이라기보다 free chaperone의 농도가 낮아져서).

Yeast는 'Ire1P'라는 효소를 갖고있는데 이효소는 N-terminal은 ER 내에 있지만 kinase 부분은 cytoplasm이나 nucleus에 존재한다. Folding이 안된 단백질에 의해 Ire1P가 활성화되면 신호가 전달되어 Chaperone의 생성이 증가된다. 즉 Er 내의 fold안된 단백질의 존재가 ER 바깥으로 신호 전달이 되는 것이다. 포유류 세포에서도 비슷한 방식이 존재할 가능성이 있다.

The Role of Chaperones

in the Maturation of Newly Synthesized Proteins

Calnexin과 calreticulin은 ER내에서 다른 Chaperone들과 같이 chaperone matrix를 형성할 수 있다. 이 matrix는 일시적으로 immobilize(무력화된,고정된) protein으로서 folding할 수 있는 충분한 시간을 제공할 수 있다. 단백질의 post-translational modification에 작용하는 효소들도 이 matrix에 참여하기도 한다. 즉 여러 이들 효소들의 dynamic network와 Chaperone들의 상호작용이 단백질 maturation의 다단계 process에 관여한다고 할 수 있다.

서로 다른 Chaperone들이 성숙되는 단백질과 결합하는 것은 Muturation process의 서로 다른 단계에서 이루어지는 것이 선호된다.

서로 다른 Chaperone들의 속성은 단백질 folding에서 서로 다른 역할을 하는 것을 반영할 수 있다. 예를 들어 BiP는 흔히 단백질의 안쪽에 존재하는 short aliphatic(지방성의) amino acid sequence에 결합하는 것으로 생각된다. 따라서 BiP는 unfolded 단백질에만 결합할 것이다.

여러 Chaperone들이 단백질에 동시에 결합하여 단백질의 성숙에 서로 협력할 수도 있다. Chaperone과 성숙되는 단백질과의 결합은 정상적으로는 짧은 기간동안이지만 만약 단백질이 fold되지 못하면 이 결합은 안정적이고도 지속적이 될 수 있다. 예를 들어 잘못 fold되면 정상적으로는 단백질 내부에 있어야 할 부분이 밖으로 노출될 수 있으며 이 부분은 Chaperone이 결합하는 부위일 수 있다. 정상적이라면 fold됨에 따라 이 부위가 안으로 숨어 단백질이 Chaperone으로부터 분리되어 ER밖으로 배출된다. 만일 잘못 fold되면 이 부위에 Chaperone이 결합하여 단백질이 ER밖으로 배출되지 못하고 골지체로 이동되지 못할 수 있다.

The Fate of Misfolded Proteins

적절하게 fold되지 않아 나머지 분비경로로 이동하지 못한 단백질을 세포는 어떻게 정리하는가? 대부분의 경우 잘못 fold된 단백질은 분해 된다. 중요한 두 개의 세포의 단백질 분해 시스템은 lysosomal proteolytic system과 cytoplasmic degradative system으로 proteasome으로 불리운다. Proteolytic enzyme이 ER내에 존재할 것으로 생각되나 아직 확인 된 것은 없다.

최근 연구들에 의하면 잘못 fold된 단백질들은 이들이 ER내로 들어온 통로를 통해 ER밖으로 배출된후 분해될 수 있다고 한다. 즉 이렇게 다시 cytosol로 나간 후 proteasome에 의해 분해 된다는 것이다. 이러한 기전들은 misfolded cystic fibrosis transmembrane conductance(전도성) regulator(CFTR) protein, mutated alpha1 antitrypsin, major histocompatibility(조직적합성) complex class I molecules in cytomegalo(거세포)virus-infected cells, apolipoprotein B-100 when appropriate lipid ligands are not present 등에 적용될 수 있다. 잘못 fold된 단백질의 신속한 제거는 key regulatory protein의 균형을 유지하고, 세포에 해로운 세포내 단백질의 축적을 예방하는데 중요하다.

Ischemia(허혈) as An Example of Stress

That Causes Abnormal Protein Folding

허혈의 생화학적 특징은 세포내 ATP의 감소, cellular redox state의 교란, 세포 칼슘저장양의 변화 등이다. 이 모든 변화들은 ER내에서 Chaperone들의 상호 작용에 영향을 미친다. 허혈이 folding하는데 있어 해로운 영향을 끼치는 것은 허혈이 세포에게 미치는 영향중 중요한 역할을 하며, 허혈에서 회복하는 것은 ER내에서 올바른 folding기전이 회복하는 것에 의존할 수 있다.

예를 들면 Cell culture system에서 허혈은 thyroglobuline의 분비를 감소시킨다. 이 때 thyroglobuline은 Chaperone인 BiP, grp94, Erp72와 결합하여 커다란 macromolecular complex를 ER내에서 형성한다. 동시에 이들 Chaperone의 생성이 증가한다.

동물모델에서도 허혈성 신장 손상이 있는 경우 Chaperone을 코딩하는 messenger RNA의 신장내 수치가 증가한다.

Inherited Alterations in Protein folding and Assembly

많은 선천성 대사이상 질환에서 단백질 생성의 mutation은 단백질이 적절하게 folding을 하지 못하거나 세포내 organelle(세포기관)로 이동하지 못하게 된다. 결과적으로 이들은 ER내에 축적되고 대개는 분해된다. 위에서 언급한 바와 같이 이들의 ER내 축적과 분해는 샤프롱과 관련이 있다고 생각된다. Mutant인 잘못 fold된 단백질과 Chaperone(BiP, calnexin과 같은)과의 안정적인 결합은 많은 질환에서 확인되어있다.

Mutant gene production과 연관된 molecular pahtology(병리학)는 두 가지 면이 있다. 즉 잘못 fold된 단백질이 그들의 최종적 목표지에 도착하지 못하는 면과 ER내의 축적으로 말미암아 심각한 세포손상을 일으키는 면이다.(예를 들어 alpha1 antitrypsin deficiency(결핍) 환자에게서 간세포의 손상)

단백질의 folding의 결함으로 인한 질병 리스트는 계속 증가하고 있다. 이 리스트 중에는 hereditary emphysema((폐)기종), cystic firosis, familial hypercholesterolemia(과콜레스테롤혈증), various clotting disorders, osteogenesis imperfecta(골 형성 부전증)들이 있다. 이들 질병 중 두 가지를 자세히 언급하고자 한다.

Cystic Fibrosis(낭포성 섬유증)

Cystic fibrosis는 비정상적 CFTR protein을 만든다. 이 CFTR protein은 plasma membrane에서 chloride channel 기능을 한다.

CFTR protein은 Chaperone인 calnexin과 Hsp70과 작용한다. 정상적인 세포에서도 CFTR의 합성은 비효율적 이여서 반이하만이 calnexin, Hsp70과 분리되어 골지체로 이동한다.(비록 비효율적이지만 정상인에서는 이 정도면 충분하다.) cystic fibrosis 환자에게서는 plasma membrane에 기능을 하는 chloride channel이 거의 없다.

Cystic fibrosis는 여러 mutation에 의해 일어나지만 대다수는 position508의 phenylalanine의 결핍으로 일어난다(delta-F508). 이 mutant는 제대로 folding하지 못하며 따라서 calnexin에서 분리되지 못한다. 이들은 calnexin과 결합한 채로 ER내에 머물러 있다가 분해된다.

delta-F508은 quality-control mechanism에 의해 잘못 folding된 것으로 인식되지만, 이들을 plasma membrane에 부착시키면 거의 정상적인 생화학적 기능을 하는 것으로 알려져있다. 따라서 Chaperone과 CFTR간의 상호작용을 더 잘 이해함으로써 이들 상호작용을 조절할 수 있으면, functional delta-F508 chloride-channel protein을 원래 목적지까지(plama membrane) 보내 cystic fibrosis를 치료할 수 있을 것이다.

Alpha1-antitrypsin Deficiency(결핍)

Alpha1-antitrypsin은 plasma serine protease inhibitor로서 leukocyte elastase 같은 proteolytic enzyme으로부터 조직을 보호하는 역할을 한다.

이 질환의 흔한 유형은 하나의 nucleotide가 치환됨으로써 하나의 아미노산이 바뀌는 것이다(Z variant). 이 mutant는 분비되지 못하고 간세포의 ER내에서 축적되는데 그 이유는 아마도 잘못 folding되는 것이라 생각된다. 이 ER내에 축적되는 Z variant(변형체)의 양은 ER의 분해기능을 넘어서는 양이며, 특히 스트레스 중에는 더욱더 그렇다.(Alpha1-antitrypsin는 acute(격렬한,민감한) phase reactant(반응체,반응물)이다). ER내에 축적된 Z variant들이 세포를 손상시키며 간의 병리학적 변화의 원인이다.

epilogue

Conclusions

Membrane & secretory protein의 'Folding'은 endoplasmic reticulum에서 일어나는 복합적 과정이며, 여러 folding enzyme과 ER-specific molecular chaperone에 의해 촉진되는 작용을 포함한다. 단백질 folding의 이상은 질병의 중요한 기전으로 최근 알려지고 있다. 비록 mutated protein의 잘못된 folding과 ER내의 축적이 많은 유전병의 pathogenesis(병원론)에 중요한 단계라고 생각되지만, 많은 급성질환에 의해 ER내의 folding이 어떻게 영향을 받는지는 거의 알려져있지 않다. Chaperone과 ER내의 folding 기전을 좀더 잘 이해하는 것이 세포 손상을 최소화하고 회복을 증진시키는 치료로 가는 길이 될 것이다.

bibliography

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http://bric.postech.ac.kr/bbs/trend/0210/021004-8.html