샤페론

샤페론은 다른 거대 분자 구조의 접힘(folding)/펼침(unfolding), 조립(assembly)/해체(disassembly)를 도와주는 단백질이다. 샤페론은 주로 단백질의 접힘과 관련하여 기능을 수행한다. 샤페론은 새롭게 합성된 폴리펩티드 사슬과 조립된 단백질 소단위체들이 변성된 상태로 응집(aggregation)되는 것을 방지한다. 샤페론 중에서도 가장 대표적인 종류는 열충격 단백질(heat shock proteins; HSPs)이며, 급작스러운 온도 상승(열충격; heat shock)과 다른 스트레스에 반응하여 발현이 증가한다. 단백질의 접힘에 문제가 발생하고 변성된 단백질이 응집되는 현상은 주로 스트레스 상황에서 일어나게 되므로, 열충격 단백질은 스트레스 상황에서 발현이 증가되어 이러한 변성된 단백질의 응집을 방지하는 대표적인 샤페론으로 작용한다.¹⁾

목차

샤페론은 세포질을 비롯하여 소포체, 미토콘드리아, 엽록체 등 다양한 세포소기관에 위치하고 있으며, 이들 세포 구획에서 단백질들이 제대로 접힌 상태로 존재할 수 있도록 도와주는 역할을 수행한다. 단백질 접힘(protein folding)은 단백질이 고유의 3차 구조를 형성하는 과정이다. 어떤 샤페론들은 접힘효소(foldases)로서 ATP-의존적인 방식으로 단백질의 접힘을 도와주고, 어떤 샤페론들은 유지효소(holdases)로서 접힘이 진행되고 있는 단백질에 결합하여 응집되는 것을 막아주는 역할을 수행한다. 또한 샤페로닌(chaperonin) 계통의 샤페론들은 단백질이 제대로 접히는 과정을 위한 조건을 제공해줌으로써 변성된 상태로 응집되는 것을 막아준다. 또다른 형태의 샤페론들은 단백질들이 진핵생물의 소포체막과 미토콘드리아막등과 같은 세포소기관의 막을 통과하는 과정에 관여하기도 한다. 식물에 존재하는 일부 샤페론들은 종자 발달 과정에서 소포체 루멘에 풍부하게 존재하는 분비성 저장 단백질들의 조립에 관여하는 것으로 알려져 있다.¹⁾²⁾

샤페론으로 구분되는 많은 종류의 단백질들이 열충격 단백질(HSPs)인 것은, 열충격을 포함한 스트레스 상황에서 단백질의 접힘에 문제가 발생하고 변성된 단백질의 응집이 증대되는 것과 밀접한 관련을 가지고 있다. 열충격 단백질은 원핵생물부터 진핵생물에 이르기까지 잘 보존되어 있으며, 열충격뿐만 아니라 다른 스트레스 조건에서도 발현이 증대되어 단백질이 제대로 접히도록 도움을 주는 대표적인 샤페론으로서 기능한다. 식물의 경우 많은 열충격 단백질들이 다양한 생물학적, 비생물학적 스트레스에 의해 발현이 증가되어 스트레스에 대한 방어 기능을 수행한다. 식물에는 열충격 단백질 외에도 단백질 이황화 이성질화효소(protein disulfide isomerase; PDI), 칼넥신/칼렉티쿨린(calnexin/calreticulin; CNX/CRT), 그리고 사이클로필린(cyclophilins) 등의 샤페론들이 존재하며, 이들 또한 비생물학적 스트레스와 관련되어 기능을 수행하는 것으로 보고되고 있다.¹⁾²⁾

열충격 단백질은 단백질들의 접힘과 펼침 과정에 중요하게 관여되어 있는 샤페론으로서, 상대적인 분자량에 따라 HSP33, HSP60, HSP70, HSP90, HSP100, 그리고 작은 HSP들로 구분된다(HSP 뒤의 숫자는 분자량을 의미함. 예로, HSP60의 분자량은 약 60 kDa).¹⁾²⁾

HSP33의 3차원 구조. (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PDB_1i7f_EBI.jpg)

HSP70의 3차원 구조. (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PDB_3c7n_EBI.png)

HSP90의 3차원 구조. (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PDB_1yt2_EBI.jpg)

∙ HSP33 : 산화/환원에 의해 조절되는 샤페론. 산화적 스트레스를 경감시키는 역할을 수행함.

∙ HSP60 : 미토콘드리아와 색소체에 위치함. 세포 단백질의 15~30%의 접힘에 기여하고, 미토콘드리아 단백질 수송 과정에서 필수적인 역할을 수행함.

∙ HSP70 : 모든 생명체에 존재함. 응집을 방지하고 정상적인 단백질들이 다시 접히도록 함. 다양한 세포소기관으로의 단백질 이동에 관여. 잘못 접힌 단백질들의 분해 유도.

∙ HSP90 : 단백질들이 정상적으로 접히는 과정을 도와주고, 열 스트레스에 대응하여 단백질을 안정화시켜줌. 세포주기 조절, 단백질 분해, 단백질 이동에 관여. 식물의 HSP90은 세포질, 소포체, 색소체, 미토콘드리아 등에 존재함.

∙ HSP100 : 광범위한 기능성과 연관되어있는 AAA ATP 분해효소 집단에 속함. 응집과 잘못된 접힘을 방지. 응집된 단백질의 해체와 분해에서 중요한 역할을 수행함. HSP100은 응집된 폴리펩티드를 용해시키는데 관여하여, 이들이 응집된 상태를 벗어나면 HSP70 관련 샤페론 경로를 통해 다시 접히는 과정이 진행될 수 있음.

∙ 작은 열충격단백질들(small heat shock proteins; sHSPs) : 12-30 kDA의 작은 분자량을 가지며 모든 생물체에 존재함. 고온 조건에서 발현이 증대됨. 열충격 단백질들은 염, 건조, 열 스트레스와 같은 다양한 비생물학적 스트레스에 반응하여 단백질이 제대로 접히게 하고, 변성된 단백질의 변성을 막아주는 등의 샤페론 활성을 통해 스트레스 상황에서도 효소, 수송체를 포함한 단백질들의 구조와 기능이 정상적으로 작동할 수 있도록 유지시켜 주는 기능을 수행한다. 열충격 단백질들은 비생물학적 스트레스외에 병원균의 침입 등과 같은 생물학적 스트레스에서도 일종의 식물 면역 반응을 촉진한다.¹⁾²⁾

칼넥신/칼렉티쿨린(CNX/CRT)는 소포체에서 칼슘과 결합하며, 막에 결합된 샤페론(calcium-binding membrane-bound chaperone)으로 알려져 있다. CNX/CRT는 당단백질-특이적인 세페론으로서 이들의 응집을 방지함으로써 접힙 효율을 증대시키고, 정상적인 이황화결합이 형성되도록 도와준다. CNX/CRT는 다양한 비생물학적 스트레스 반응에서 발현이 증가하고 이러한 스트레스로 인한 피해를 경감시키는 역할을 수행하는 것으로 생각된다.¹⁾

사이클로필린(cyclophilin)은 다양한 세포 경로에 관련되어 있는 샤페론으로서, 염, 열, 저온 충격, 건조, 빛, 살리실산 등의 스트레스들에 반응하여 기능을 수행하는 것으로 보고되고 있다.¹⁾ 

단백질 2황화물 이성질화효소(protein disulfide isomerase; PDI)는 소포체 샤페론으로서 단백질 접힘 활성을 가지는 효소이다.¹⁾

1. Trivedi DK, Huda KMK, Gill SS 등 (2016) Molecular Chaperone: Structure, Function, and Role in Plant Abiotic Stress Tolerance. Abiotic Stress Response in Plants, 135–154
2. Park CJ, Seo YS (2015) Heat Shock Proteins: A Review of the Molecular Chaperones for Plant Immunity. Plant Pathol J, 31: 323-333