헬리케이즈

헬리케이즈(helicase)는 ATP 가수분해로부터 얻어진 에너지를 사용하여 핵산의 포스포디에스테르(phosphodiester) 골격을 따라 이동하면서 2개의 짝지은 핵산가닥(즉, DNA, RNA, 또는 RNA-DNA 혼성체)를 분리해 내는 일종 모터단백질이다. 핵산가닥의 분리과정은 매우 다양하므로, 이를 촉매하는 헬리케이즈의 종류도 매우 많다. 진핵생물 유전자의 약 1%가 헬리케이즈를 암호화하며, 인간게놈은 95개의 기능이 다른 헬리케이즈(64개의 RNA 헬리케이즈 및 31개의 DNA 헬리케이즈)를 암호화한다. DNA 복제, 전사, 번역, 재조합, DNA 수리 및 리보좀 생합성과 같은 많은 세포활동은 헬리케이즈의 작용을 필요로 하는 핵산가닥의 분리를 수반한다.

목차

헬리케이즈는 공통서열 모티프를 바탕으로 6개의 슈퍼패밀리(superfamily)로 나눈다. 고리구조를 형성하지 않는 헬리케이즈는 슈퍼패밀리 1과 2에 속하며, 고리형성 헬리케이즈는 슈퍼패밀리 3~6에 속한다. 또한, 단일가닥 DNA 또는 이중가닥 DNA에 작용하는지에 따라 따라 α 또는 β로 분류된다. α 헬리케이즈는 단일가닥 DNA에 작용하고 β 헬리케이즈는 이중가닥 DNA에 작용한다. 이들은 또한 이동방향성(translocation polarity)에 따라 분류되기도 하는데, 3' → 5' 방향으로 이동하면 헬리케이즈 A 형, 5' → 3' 방향으로 이동하면 헬리케이즈 B형이 된다.

1.    Superfamily 1 (SF1): SF1A 및 SF1B 헬리케이즈로 구분된다. 이 그룹의 헬리케이즈는 3'>5' (SF1A 서브패밀리) 또는 5'>3' (SF1B 서브 패밀리) 이동방향성을 나타낸다. 가장 잘 알려진 SF1A 헬리케이즈는 그람음성균(Gram-negative bacteria)의 Rep와 UvrD, 그람양성균(Gram-positive bacteria)의 PcrA 헬리케이즈이다. SF1B 그룹에서 가장 잘 알려진 헬리케이즈는 RecD 및 Dda이다.

2.    Superfamily 2 (SF2): 다양한 세포 내 과정에 관여하는 가장 큰 헬리케이즈 군이며, 이들은 Q, I, Ia, Ib 및 II~VI등 9개의 보존된 모티프를 갖는다. 이 그룹은 주로 DEAD-box RNA 헬리케이즈로 구성되어 있으며, RecQ 유사계열과 Snf2 유사효소도 포함한다. SF2 헬리케이즈의 대부분은 A형에 속한다.

3.    Superfamily 3 (SF3): 주로 작은 DNA 바이러스와 일부 대형 핵세포질 DNA 바이러스에 의해 암호화 된 헬리케이즈로 구성되어 있다. 그들은 3' → 5' 이동방향성을 갖는 A형 헬리 케이즈이다. 대표적으로 유두종바이러스 E1 헬리케이즈가 여기에 속한다.

4.    Superfamily 4 (SF4): 모든 SF4 계열 헬리케이즈는 B 형(5' → 3') 이동방향성을 갖는다. 대표적으로 박테리오파지 T7의 gp4가 이에 속한다.

5.    Superfamily 5 (SF5): Rho 단백질이 이 그룹에 속한다.

6.    Superfamily 6 (SF6): 미니염색체 유지에 관여하는 MCM, RuvB, RuvA 및 RuvC 등이 이에 속한다.

헬리케이즈는 다양한 구조 및 다량체 상태를 갖는다. DnaB와 같은 헬리케이즈는 고리모양의 육량체(hexamer) 구조를 이루는 반면, 다른 효소는 단량체 또는 이량체 상태로 작용한다. 헬리케이즈의 작용양상은 수동적 모델과 능동적 모델로 구분된다. 수동적 헬리케이즈는 사슬분리가 자발적으로 일어나기를 기다린 후, 분리된 가닥 사이를 이동하는 방식으로 작용한다. 능동적 헬리케이즈는 ATP 가수분해에서 생성된 에너지를 사용하여 적극적으로 가닥분리를 촉매하며 핵산가닥의 골격을 따라 이동하는 모터단백질이다. 생체 내에서 헬리케이즈는 복제포크(replication folk) 정션의 불안정화를 돕는 부속 단백질의 도움을 받아 매우 빠른 속도로 가닥분리를 일으킨다.

이중나선 DNA 분자가 복제되기 위해서는 이중나선의 두 가닥이 적어도 국지적으로 분리되어 있어야 한다. DNA 헬리케이즈의 작용에 의하여 DNA의 두 가닥이 분리되면, 각 가닥이 새로운 폴리뉴클레오티드 사슬이 합성되는 데 필요한 주형이 될 수 있다. DNA 복제과정에 관여하는 헬리케이즈는 전형적으로 고리구조를 형성하는 6개의 단위체로 이루어진 육량체이다. 헬리케이즈의 작용기작은 박테리오파지 T7으로부터 분리된 헬리케이즈의 구조가 결정됨으로써 밝혀지게 되었다. 이 육량체 구조 내의 각 서브유닛은 P-루프 NTPase 도메인을 포함하는 핵심구조를 가지고 있다. 각 서브유닛은 P-루프 이외에 2개의 루프를 갖는데, 이들은 고리구조의 중심을 향해 뻗어 있으며 DNA와 상호작용한다. 고리구조 내에서 각 하위 단위는 두 이웃과 밀접하게 상호작용한다. 이 구조를 더 자세히 살펴보면, 고리구조가 6배 대칭에서 크게 벗어난 구조이며, 그 차이는 비가수성 ATP 유사체인 AMP-PNP를 첨가하여 분석한 구조에서 더욱 뚜렷이 나타났다.

대장균의 헬리케이즈 RuvA의 구조(출처: )

인간의 DEAD-box RNA 헬리케이즈의 구조(출처: )

AMP-PNP는 고리구조 내의 6개 서브유닛 중 4개에만 결합한다. 또한, 4개의 뉴클레오티드 결합부위는 동일하지 않고 두 가지 유형으로 나뉜다. 한 부류는 ATP에 결합할 수 있지만 그 가수분해를 촉매하지 않으며, 다른 분류는 가수분해를 촉매하지만 그 산물을 방출하지는 않는다. 이는 마이오신(myosin)이 두 가지 유형의 ATP 결합부위, 즉 ATP와 결합하는 부위와 가수분해하는 부위를 갖는 사례와 유사하다. DNA 두 가닥 중 하나의 가닥만 헬리케이즈 내부 고리구조의 중심을 통과할 수 있다. 이 단일 가닥은 두 개의 인접한 서브유닛의 루프에 결합하는데, 그 서브유닛 중 하나는 ATP와 다른 하나는 ADP + Pi와 결합된 상태이다. ATP가 당초 비어 있던 도메인에 결합하면 전체 육량체에 구조적 변화가 일어나, 두 개의 서브 유닛으로부터 ADP + Pi가 방출되고, ATP와 결합된 하나의 도메인에 단일가닥 DNA가 결합한다. 이러한 구조적 변화에 의해 DNA가 육량체의 중심을 통해 끌어당겨지며, 이때 육량체는 쐐기 역할을 하여 이중나선의 두 가닥을 분리시킨다. 이런 과정이 반복되어, 헬리케이즈 육량체는 각 주기마다 두 개 염기씩 DNA 가닥을 따라 이동한다.

DNA 복제과정에 관여하는 헬리케이즈의 작용(출처: )

리보좀(Ribosome), 진핵생물(eukaryotes), 그람음성균(Gram-negative bacteria), 그람양성균(Gram-positive bacteria), 박테리오파지(bacteriophage), 염색체(Chromosome), DNA(deoxyribonucleic acid), 뉴클레오티드, AMP-PNP

맹필재/충남대학교

이진원/한양대학교

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