신호 펩티드

신호 펩티드는 일반적으로 15개에서 30개까지의 아미노산 잔기로 구성된 짧은 아미노산 서열로써, 새롭게 합성된 단백질을 특정 세포 구획으로 이동시켜 주는 역할을 수행한다. 분비 단백질의 경우, 신호 펩티드는 주로 단백질의 N-말단에 존재한다. 신호 펩티드가 존재하는 단백질의 종류에는 특정 세포소기관(소포체, 골지체, 엽록체, 미토콘드리아 등)으로 이동하는 단백질들과, 세포로부터 분비되는 단백질 그리고 대부분의 세포막 단백질들이 있다.¹⁾

목차

신호 펩티드 구조. (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Signal_sequence.svg)

전형적인 신호 펩티드는 30개까지의 아미노산 잔기를 가지고 있으며, 140개까지의 아미노산 잔기로 구성된 긴 신호 펩티드 또한 진핵생물에서 보고되고 있다. 이러한 긴 신호 펩티드는 주로 특정 세포 기관으로 이동하는 단백질들에서 발견된다. 일반적으로 신호 펩티드는 N-부위(양전하 도메인; the positive-charged domain), H-부위(소수성 핵심 부위), 그리고 C-부위(절단 부위)의 3가지 구역으로 구성되어 있다. N-부위의 경우, 양전하를 띠는 염기성 아미노산들이 존재하고 있고, 길이는 다양하지만 평균 5개의 아미노산 잔기로 구성되어 있다. N-부위는 인지질 2중층의 음전하를 띠는 인산기와의 상호작용, 신호 펩티드의 이동과 관련되어 있는 단백질들과의 상호작용 등에서 중요한 기능을 수행하는 것으로 생각된다. H-부위는 신호 펩티드의 중심에 존재하는 소수성 핵심 부위로, 6~15개의 아미노산 잔기들로 구성된다. 소수성의 H-부위는 신호 펩티드의 조성과 세포막으로의 방향성 결정, 신호 펩티드 절단, 단백질의 분비 경로, 단백질 가공 과정 등과 연관하여 중요성을 띠고 있는 것으로 알려져 있다. 마지막으로 C-부위는 단백질이 특정 세포 구획으로 이동하거나 세포 밖으로 분비된 후 절단되는 위치로서, 일반적으로 3~7개의 아미노산 잔기들로 구성되어 있다.¹⁾ 

신호 펩티드의 일반적인 작용 메커니즘은 다음과 같다.¹⁾ 

SEC 경로(SEC pathway)는 "번역후 이동(post-translational translocation) 경로"라고도 불리우는 신호 펩티드의 작용 경로이다. 이 경로에서 단백질은 충분히 인식이 가능할 때까지 접혀지지 않은 상태로 유지되다가 이후 분비 경로를 통해 이동된다. 원핵생물의 경우 SecB 샤페론 단백질과 SecA 단백질에 의한 메커니즘이 잘 규명되어 있지만, 진핵생물의 경우에는 아직까지 이러한 경로에 관련되어 있는 작은 분비 단백질들의 존재가 일부 밝혀졌을 뿐, 구체적인 메커니즘은 규명되어 있지 않다.

SRP 경로(signal recognition particle pathway; SRP pathway)는 '번역과 이동이 동시에 일어나는 경로(co-translational translocation)'로, 이 과정에서 세포질에서 단백질이 변형되는 것이 억제된다. SRP 경로는 모든 생물체에 존재하는 것으로 생각된다. 소포체막을 가로질러 이동하는 단백질들은 이러한 SRP 경로를 이용한다. SRP 경로는 SRP 복합체에 의해 진행되는데, SRP 복합체는 진핵생물에서 7S RNA와 6개의 단백질 소단위체들로 구성되어 있는 리보핵산단백질(ribonucleoprotein)이다. 리보솜에서 단백질이 합성된 후 N-말단에 존재하는 신호 펩티드는 SRP에 의해 인지되어 소포체 내부로 들어가게 됨에 따라 번역 후 3차 구조로 접히는 과정이 SEC 경로에 비해 일찍 시작된다.

Tat 경로(Tat pathway; twin-Arg transport system)는 단백질 접힘 과정이 끝난 성숙한 상태로 단백질을 이동시키는 경로이다. Tat 경로는 신호 펩티드에 쌍둥이-아르기닌 모티브(twin-Arg motif)가 존재함에 따라 명명된 경로로써, 세균, 고세균, 식물의 엽록체, 그리고 일부 식물의 미토콘드리아 등에서 발견된다. 

단백질이 특정 세포 구획 또는 세포막, 세포 밖 등으로 이동된 후 최종적으로 신호 펩티드는 신호 펩티드 분해효소(signal peptidase)에 의해 분해된다. 하지만, 신호 펩티드 중 분해되지 않고 남아 있는 경우 또한 존재한다. 신호 펩티드 분해효소의 종류는 단백질의 종류에 따라 크게 I형, II형, IV형의 3가지로 구분된다. 대부분의 분비 단백질과 분비 경로의 세포 구획으로 이동하는 단백질들은 I형 신호 펩티드 분해효소에 의해 신호 펩티드가 제거된다. II형은 지방 단백질, 그리고 IV형은 프리필린(prepilin)을 배타적으로 인지한다.¹⁾ 

비전형적 단백질 분비(unconventional protein secretion)는 소포체나 골지체와 상관없이 원형질막 또는 세포벽 공간으로 단백질이 이동하는 현상으로써, 시토카인(cytokines)과 분열촉진제(미토젠, mitogens)가 이 과정에서 중요한 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다. 이러한 비전형적 단백질 분비 과정은 소포체 신호 펩티드는 존재하지만, 전형적인 소포체, 골지체 경로를 거치지 않는 경우와 아예 신호 펩티드가 존재하지 않는 세포질 단백질과 핵 단백질이 분비되는 경우의 2가지로 구분된다. 식물의 경우, 50% 까지에 이르는 분비 단백질들이 이러한 비전형적 단백질 분비 경로를 통해 이동되는 것으로 분석되고 있다.²⁾

1. Owji H, Nezafat N, Negahdaripour M 등 (2018) A comprehensive review of signal peptides: Structure, roles, and applications. Eur J Cell Biol, 97: 422-441
2. Agrawal GK, Jwa NS, Lebrun MH 등 (2010) Plant secretome: unlocking secrets of the secreted proteins. Proteomics, 10: 799–827