샤페론

샤페론 (chaperone)은 다른 단백질의 폴딩 (folding) 및 폴딩 풀림 (unfolding) 혹은 여러 단백질이 결합된 거대 단백질의 합체 및 해체를 돕는 단백질을 의미한다. 그 중에서도 샤페론의 가장 유명하고도 아마도 제일 중요한 기능은 단백질 폴딩이 제대로 수행되게 하는 것이다. 이를 통해 단백질이 응집되어 기능이 망가지는 것을 방지한다. 따라서 샤페론은 단백질의 항상성 유지를 위해서 매우 중요하며, 노화 혹은 질병 과정에서 단백질이 응집되어 세포의 건강이 나빠지는 것을 막는 중요한 기능을 수행한다. 샤페론 중 많은 경우가 열충격에 의해 세포내 그 양이 증가하는 단백질 (heat shock protein)이다. 그 이유는 온도가 올라가면 폴딩이 변화되어 단백질의 응집이 많이 일어나는데 이를 방지하기 위해서 샤페론이 많이 필요하기 때문에 해당 샤페론 유전자의 발현이 증가하기 때문이다.

그림 1. 샤페론의 구조(출처: 위키피디아, https://en.wikipedia.org/wiki/Chaperone_(protein)#/media/File:GroES-GroEL_top.png)

목차

분자 보호자 (molecular chaperone)라는 용어는 1978년에 론 라스키 (Ron Laskey)가 뉴클리오플라스민 (nucleoplasmin)이라고 하는 뉴클리오좀 (nucleosome)의 조립 과정에서 DNA와 히스톤 (histone) 단백질의 결합시 응집을 방지하는 단백질을 기술하기 위하여 고안되었다. 이후 1987년 R. John Ellis에 의해 단백질 복합체의 번역 후 결합을 중재하는 단백질 또한 샤페론이라고 부름으로써 그 개념이 확장되었다. 1988 년에 R 존 엘리스 (R. John Ellis)가 원핵생물과 진핵생물의 미토콘드리아와 엽록체 모두 샤페론 기능을 수행하는 그로EL (GroEL) 단백질이 존재함을 발견함으로써 진화적 보존성을 증명하였다. 샤페론이 ATP를 사용하여 단백질의 폴딩을 돕는다는 것은 1989년에 실험관 실험 (in vitro experiment)을 통하여 입증되었다.

많은 샤페론은 열 충격과 같이 단백질의 폴딩이 손상되는 조건에서 많이 만들어진다. 이러한 조건에서는 열충격전사인자(heat shock factor)와 같은 전사인자가 활성화되어 다양한 종류의 샤페론 유전자의 전사를 증진시킨다. 생성된 샤페론들은 단백질의 잘못된 폴딩으로 인한 세포의 손상을 예방하거나 교정한다. 일부의 샤페론은 리보좀으로부터 새로이 생성되는 단백질의 폴딩을 돕는 역할을 수행한다.

몇가지 샤페론은 폴딩을 돕는 폴데이즈 (foldase) 작동을 하며, ATP를 사용하여 다른 단백질의 폴딩을 돕는다. 그로EL/그로ES (GroEL/GroES) 시스템이 대표적인 예이다.

단백질을 붙들고 있는 (hold) 샤페론이다. 폴딩 중에 있는 단백질에 결합하여 그 단백질들의 응집을 막는다. DnaJ와 Hsp33가 좋은 예가 된다.

이중으로 된 고리가 겹으로 쌓여 있는 구조를 지니는 샤페론이다. ATP를 사용하며, 원핵 생물, 진핵 생물 세포의 세포질 및 미토콘드리아에서 발견되는 등 진화적 보존도가 높다.

샤페론은 또한 단백질이 막을 통과하는 과정에 관여한다. 예를 들어 단백질들이 미토콘드리아의 멤브레인과 소포체 (ER) 혹은 세균의 세포막을 통과하는 수송에 관여한다.

진핵생물의 경우 세포질과 ER, 미토콘드리아에 각기 특이적 샤페론 시스템을 가지고 있다. 이들 각각의 세포소기관에 존재하는 샤페론의 발현을 조절하는 특정 전사인자가 존재하고, 각 세포소기관내 단백질 폴딩이 제대로 일어날 수 있도록 조절한다. 각 세포소기관내 단백질들의 폴딩이 제대로 일어나지 않아 풀린 단백질들이 많아지면, 샤페론 발현 조절 특정 전사인자의 발현이 증가하는 풀린단백질반응이 일어난다. ER의 경우는 ER풀린단백질 반응 (ER unfolded protein response), 미토콘드리아의 경우는 미토콘드리아풀린단백질 반응 (mitochondrial unfolded protein response)이라고 부른다. 이들 세포소기관 별 샤페론 시스템의 유지 및 관리가 세포소기관의 단백질 항상성 유지에 필수적이다.

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Molecular Biology of the Gene, Seventh Edition (Watson et al., Pearson)