아데닐산 고리화효소

[ adenylyl cyclase (AC) ]

아데닐산 고리화효소 (AC; 효소위원회번호: EC4.6.1.1)는 ATP (adenosine triphosphate)를 분해하여 3‘,5’-고리형 AMP (3’,5’ cyclic AMP, cAMP)와 피로인산 PPi (pyrophosphate)로 전환시키는 화학반응을 촉매하는 효소이다 (그림 1과 그림2). 효소작용에 마그네슘 (Mg²⁺)이온이 필요한데 그 이유는 반응의 기질인 ATP와 결합하여 안정화 시키는 것 뿐만 아니라, 효소의 활성부위 (active site)에서 AMP 고리화 과정을 돕는 역할도 하는 것으로 알려져 있다. 아데닐산 고리화효소 (AC)는 원핵세포, 진핵세포를 아우르는 모든 세포에 존재하는데, 이제까지 알려진 유전자 중 가장 다계통적인 (polyphyletic) 것으로서, 이제까지 6개의 AC 유전자군 들이 알려져 있다. 같은 반응을 촉매하는 효소임에도 불구하고 그 아미노산 서열과 3 차구조는 같은 유전자군 내에서도 매우 큰 차이를 보인다 (그림 3). 이는 AC가 각 생물계의 종들에 적합한 기능을 갖도록 매우 복잡한 진화 과정을 거쳐왔다는 것을 보여준다. AC의 활성은 세포 밖의 여러 가지 호르몬, 신경전달물질, 생리활성물질 (단백질, 펩타이드, 프로스타글란딘 등)에 의하여 세포내로 전달된 신호에 의하여 자극된다 (그림 4). AC 효소 반응의 산물인 cAMP는 전사인자, 효소, 이온전달체 등과 같은 단백질에 결합하여 그 활성을 조절하기 때문에 아데닐산 고리화효소는 세포내 주요 신호 조절 인자의 역할을 한다.

그림 1. 아데닐산 고리화효소의 효소 반응. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/84/Adenylate_kinase.png . By Yikrazuul (Own work) Public domain, via Wikimedia Commons

그림 2. 아데닐산 고리화 효소의 엑스레이 3차 구조 (바실러스 (Bacillus anthracis)에서 분리된 효소 사용함). 위에서 내려다 보는 구조로서, 아데닐산 고리화 효소 3 분자 (남보라선, 노란 베타병풍구조, 핑크색 나선구조), 3개의 칼모듈린 분자 (초록색 나선구조), 3개의 cAMP (초록), 6개 칼슘 (하늘색)이 보인다. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/1sk6.jpg . By Deposition authors: Guo, Q., Shen, Y., Zhukovskaya, N.L., Tang, W.J.; visualization author: User: Astrojan GFDL ( http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html ) or CC BY 4.0 ( http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 ), via Wikimedia Commons

그림 3. 아드레날린에 의한 아데닐산 고리화효소의 활성과정. 호르몬인 아드레날린이 수용체인 GPCR에 결합하면, GTP 결합단백질이 AC를 활성화 시킨다. 생성된 cAMP는 단백질인산화효소 A (Protein Kinase A: PKA)에 결합 활성화 하고 전사조절인자를 인산화 하면 그 전사인자가 담당하는 타겟 유전자를 발현시킨다.

최초로 알려진 대장균 (E.coli) AC 가 속한 수용성 AC 유전자군이다. 대장균내 포도당이 고갈되면 cAMP를 생성하여 cAMP반응전사인자 (cAMP response protein)에 결합 다른 종류의 단당류를 대사하는 데 필요한 여러 유전자의 발현을 도모한다. 100 kDa의 효소활성서브유닛과 포도당 레벨을 인지하는 50 kDa의 활성조절서브유닛이 결합해 있다.

제 2군 (Class II; AC-II)

이들은 탄저병 원인균인 Bacillus anthracis와 백일해를 일으키는 Bordetella pertussis 박테리아 가 숙주의 면역체계를 약화시키기 위하여 분비하는 독성단백질이다. 이 들 병균들은 분비된 AC를 숙주의 세포내로 옮길 수 있도록 도와주는 다른 단백질도 함께 분비하여 숙주의 정상적인 세포 기능을 방해한다.

제 3군 (Class III; AC-III)

G단백질에 의하여 활성화되어 사람의 건강과 밀접한 관련이 있어서 가장 잘 알려져 있는 AC 유전자군이다. Earl Sutherland는 아드레날린이 사람에서 AC-III를 활성하여 투쟁도피반응 (Fight or Flight)을 일으키는 것을 밝힘으로써 1971년 노벨생리의학상을 수상하였다. 박테리아와 결핵균에서도 발견되며 이들의 병원성에도 밀접한 관련이 있다. 대부분의 AC-III는 막단백질형태로 존재하며 세포외부의 신호를 내부로 전달하는 역할을 하지만 소수의 수용성 AC-III도 존재한다 (그림 3). G단백질과 연동하는 AC-III는 식물 정유 디테르펜 (Diterpen)의 일종인 폴스콜린 (Forskolin)에 의하여 활성화 될 수 있다.

제 4군 (Class IV; AC-IV)

AC-IV는 어류나 개구리 같은 수생동물에서 솔방울병을 일으키는 Aeromonas hydrophila라고 불리우는 박테리아에서 처음 보고 되었으며, 가장 작은 종류의 아데닐산 고리화효소 이다. 3차구조가 알려진 페스트균인 Yersinia pestis 박테리아의 AC-IV는 19 kDa의 호모다이머 형태로 존재한다.

제 5군 및 6군 (Class V and VI; AC-V and AC-VI)

AC-V는 Prevotella ruminicola 라는 혐기성 박테리아에서, AC-VI는 Rhizobium etti라고 불리우는 뿌리혹박테리아에서 발견되었으며 그 기능에 대하여 잘 알려져 있지 않다.

그림 4. 제3군 아데닐산 고리화효소의 다양한 위상구조. A. G단백질 아데닐산 고리화효소. 헤테로다이머형으로서 C1과 C2의 서로다른 서브도메인이 6개 막통과도메인 두 개와 하나의 폴리펩타이드로 연결되어 효소활성단위를 이룬다. B. 수용성 아데닐산 고리화효소. 헤테로다이머형이고 박테리아에서 발견된다. Ca2+ 과 HCO3- 에 의하여 활성됨. C. 수용체 형태의 아데닐산 고리화효소. 1개 막통과도메인이 C2도메인과 연결된 폴리펩타이드 두 개로 이루어진 호모다이머형 효소. 인간기생충인 편모충 (Trypanosoma)에서 발견되며 숙주의 면역체계를 방해하는 역할을 한다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

참고문헌

생명과학 (Brooker 저, 3판, 홍릉과학출판사), 분자생물학 (Weaver 저, 5판, 라이프사이언스)

Structure, function and evolution of microbial adenylyl and guanylyl cyclases. David A. Baker and John M. Kelly. Molecular Microbiology (2004) 52 (5), 1229–1242

아데닐산 고리화효소

아데닐산 고리화효소

목차

아데닐산 고리화효소 (AC)의 유전자군

관련용어

참고문헌