아데닐기 전이효소

일부 단백질 또는 효소는 아데닐기(또는 AMP)의 결합에 의해 그 활성이 조절된다. 이 때 아데닐기(또는 AMP)를 목표 단백질 또는 효소에 붙여주는 효소가 아데닐기 전이효소(adenylate transferase)이다. 아데닐기 전이효소가 아데닐기를 전달(adenylation 또는 AMPylation)할 때 목표 단백질의 특정 아미노산 잔기(Thr, Ser, Tyr)와 공유결합적인 수정(modification)을 일으킨다 (그림 1).

그림 1. 아데닐기 전이효소는 목표 단백질의 특정 잔기(Thr, Tyr, Ser)에 ATP로부터 AMP를 전달한다. 이 때 목표 단백질의 활성은 변화한다.

아데닐기 전이효소에 의해서 효소 활성 조절의 예로써 잘 연구된 경우가 글루타민 합성효소이다. 글루타민 합성효소는 질소순환과정의 암모늄동화의 중요한 단계를 매개하기 때문에 적절한 양의 아미노산을 합성하기 위해서는 이 효소 활성의 조절이 필수적이다. 글루타민 합성효소(glutamine synthetase)의 활성은 아미노산 대사의 중간체에 의한 다른자리입체성 조절(allosteric regulation)을 받으며, 이들 중간체에 의한 효소 활성 조절의 민감성은 AMP와 효소의 특정 아미노산과의 공유결합에 의존한다 (그림 2). 이 AMP와 효소와의 결합이 아데닐기 전이효소에 의하여 매개된다.

그림 2. 아데닐기 전이효소의 글루타민 합성효소조절 기작 (출처: )

목차

미생물, 동물 및 식물의 생체내 아미노산 생합성 속도는 관여하는 효소들의 활성과 양에 의하여 결정 또는 조절 된다. 효소의 양은 유전자 발현조절에 의하여 제어되는 반면, 효소의 활성은 대사과정의 중간체 또는 마지막 산물에 의하여 되먹임제어에 의하여 주도적으로 조절된다. 특별히, 아미노산 생합성은 대사과정을 어느정도 공유하는 연관된 아미노산 그룹별로 합성된다. 이런 생합성과정은 분지된(branched) 대사경로가 많으며, 특히 분지시작단계(committed step)은 비가역적 반응으로 이루어진다¹⁾(그림2).

글루타민 아미노산 되먹임제어 경로: 이 분지시작단계를 매개하는 대사조절효소(regulatory enzymes)들이 최종 아미노산 산물들과 다른 아미노산들의 생합성 경로들의 산물들에 의하여 아주 세밀하게 활성이 조절된다. 따라서, 대사과정 중 이러한 위치에 있는 효소들은 최종 산물에 의한 되먹임억제(feedback inhibition)에 의하여 활성이 조절되며, 이러한 조절은 분자레벨에서 보면 효소의 삼차원 구조상 다른자리입체성 효과(allosteric effect)에 의하여 달성된다¹⁾.

미생물 및 동식물의 여러 대사과정에서 발견되는 대사조절 효소들 중에 대표적인 효소가 아미노산 생합성과정중 분지시작단계에 위치하는 글루타민 합성효소(glutamine synthetase)이다¹⁾²⁾. 이 효소는 특이하게도 최종산물뿐만 아니라, 특정잔기의 아데닐화를 통하여 다른자리입체성 효과에 의한 되먹임억제를 더욱 민감하게 감지하여, 결국 세포내 아미노산 생합성을 통합적으로 정교하게 제어하는데 기여한다.

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그림 3. 아미노산합성경로의 되먹임제어 (출처: microbiochem)

그림 4. 아데닐기전이효소(ATase) 활성조절에 의한 글루타민합성효소(GS) 조절 기작 (출처: WIKIMEDIA)

효소의 아데닐화는 효소의 티로신(tyrosine) 잔기의 수산화기(-OH)에 아데노신인산(AMP, adenosine monophosphate)를 공유결합(covalent bond) 시키는 과정이다. 이 과정은 단백질의 번역후수식(posttranslational modification)의 한 종류로써, 공유결합이기 때문에 매우 안정하지만 가역적이기도 하다²⁾³⁾. 이 공유결합 생성은 세포내의 아데닐기 전이효소(adenylyl transferase)에 의하여 매개되며, 그 기질이 되는 단백질 또는 효소의 기능 및 활성에 영향을 미친다. 세포내 아데닐기 전이효소의 기질이 되는 가장 흔한 단백질은Ras, Rho, Rac, Arf 등의 GTPase들과 숙주세포의 포식작용(phagocytosis)에 관계하는 단백질들이다. 따라서, 이 아데닐기 전이효소에 의한 위 단백질들의 아데닐화는 actin cytoskeleton, vascular transport 및 병원성균의 식균작용등을 조절하는데 연관 된다고 볼 수 있다⁴⁾. 이러한 세포내 역할과 더불어, 아미노산 분자에 존재하는 질소의 원천인 암모늄의 아미노산으로의 유입 과정인 암모늄동화(NH₄⁺ assimilation)의 주효소 중 하나인 glutamine synthetase (글루타민 합성효소)가 아데닐기 전이효소의 기질이며, 그 조절 기작이 가장 잘 연구되어 있다.  

글루타민 합성효소는 질소대사의 중요한 조절단백질로써 50 kDa 크기의 단량체가 12개가 모여 복합체를 이루고(살로넬라 글루타민 합성효소, PDB ID 2GLS), 글루탐산에 암모늄이온을 첨가하여 글루타민을 합성하는 반응을 매개한다⁵⁾. 이는 암모늄동화의 4가지 방법 중 한 방법이며, 생합성된 글루타민(glutamine)은 연속적으로 아미노기전달과정(transamination)에 의한 트립토판(tryptophan), 히스티딘(histidine), 카바모일인산(carbamoyl phosphate) 뿐만 아니라, 구아노신-6-인산(guanosine 6-phosphate), AMP, CMP 합성에 이용된다.

전술한 바와 같이, 이 효소는 다른자리입체성 효과에 의하여, 위 6개의 최종 산물과 다른 두가지 아미노산인 알라닌(alanine)과 글리신(glycine)등의 다른자리입체성 억제제(allosteric inhibitors)에 의한 축척된 되먹임억제(cumulative feedback inhibition)에 의하여 활성이 완전히 억제된다³⁾(그림 3). 더 나아가, 이 효소는 효소 활성자리(active site) 부근의 아미노산 잔기인 티로신-397(대장균 글루타민 합성효소 경우)이 아데닐기 전이효소에 의하여 아데닐화 되어 활성이 조절된다. 연구에 의하면, 아데닐화된 효소는 최종산물의 되먹임억제에 대하여 더욱 민감하게 되어, 글루타민과 관련대사경로의 중간체 및 최종산물간의 지속적인 조절을 통하여 질소대사의 항상성(homeostasis)를 유지하는데 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 그 조절 기작은 아데닐화된 효소는 다른자리입체성 억제제에 의한 민감도가 높아져, 효소 복합체 중 더 많은 단량체가 아데닐화 되면 활성이 더 낮아진다³⁾⁶⁾. 이러한 상황에서 위 8가지의 물질에 의한 활성억제 효과는 더욱 증가될 것이다.

아데닐화 자체는 가역적이며, 정반응과 역반응 모두 아데닐기 전이효소에 의하여 매개된다. 즉, 글루타민 합성효소의 활성을 조절하는 아데닐기 전이효소도 다른 인자에 의하여 조절된다는 의미이며, 이를 효소적 cascade (enzymatic cascade) 조절이라고 한다 (그림 4). 그 다른 조절 인자는 세포내에서 아데닐기 전이효소와 복합체를 이루고 있는 PII단백질의 유리딘화에 변화가 생긴다. 이 효소는 세포내 ATP, α-케토글루타르산(α-ketoglutarate), 글루타민(glutamine)의 상대적 농도를 감지하는 유리딘전이효소(uridylyl transferase)에 의하여  유리딘화 상태 조절된다. 이 수식의 변화가 아데닐기 전이효소에 전달되어 결국 글루타민 합성효소의 활성을 변화시킨다⁶⁾.

예를 들면, 세포내 ATP, α-케토글루타르산(α-ketoglutarate) 높은 농도에 의하여(즉, 글루타민 농도의 상대적 감소), 유리딘전이효소의 활성이 높아져 PII단백질의 유리딘화를 촉진시키고, 유리딘화된 PII단백질은 복합체를 이루고 있는 아데닐기 전이효소의 역반응인 탈아데닌화 활성을 촉진시켜, 아데닐화되어 활성이 저하된 상태의 글루타민 합성효소를 탈아데닌화 시킨다. 따라서, 아데닐기 전이효소에 의하여 탈아데닌화된 글루타민 합성효소는 글루탐산과 암모늄이온으로부터 ATP를 이용하여 글루타민을 합성하여 세포에 필요한 아미노산 합성을 연속적으로 하게 된다.

미생물중에서 아데닐기 전이효소를 생산하여 숙주세표내로 주입하여, 숙주 세포내 단백질에 아데닐기를 전달하여 병원성을 나타내는 경우가 있다. 이 미생물 유래 아데닐기 전이효소는 VopS, IbpA와 DrrA가 잘 연구되었다. 비브리오 파라헤몰리티쿠스(Vibrio parahaemolyticus)는 장염 비브리오균으로써 식중독을 일으킨다. 이 균은 VopS은 숙주 세포내의 Rho GTPase을 아데닐화시켜서 액틴 필라멘트 형석을 방해하여 세포를 구형으로 변화시킨다⁷⁾.

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이성행/조선대학교

하남출/서울대학교

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