프로테아좀

프로테아좀(proteasome)은 세포내에 존재하는 단백질들을 분해하는 커다란 단백질 복합체이다. 프로테아좀은 세포질 및 핵에 주로 존재하며, 세포내의 손상되거나 불필요한 단백질들을 제거함으로써 세포의 항상성을 유지하는 역할을 수행한다. 분해 대상 단백질은 여러 개의 유비퀴틴(ubiquitin)에 의해 표지되며, 유비퀴틴화된 후 프로테아좀에 의해 인식되어 분해된다. 유비퀴틴화는 분해될 E1(유비퀴틴 활성화), E2(유비퀴틴 접합), 그리고 E3(유비퀴틴 연결)을 통해 이루어진다. 식물 세포에는 유비퀴틴 의존적인 단백질 분해를 촉진하는 26S 프로테아좀과 유비퀴틴 비의존적인 단백질 분해를 매개하는 20S 프로테아좀이 함께 존재하고 있다.¹⁾²⁾

목차

프로테아좀은 두 가지의 복합체로 이루어져 있다. 가운데에 자리잡고 있는 20S 프로테아좀은 중심이 비어있는 실린더 모양으로서 촉매 핵심인자(catalytic core particle; CP)로 작용하고, 이러한 20S CP의 양말단 부위에 존재하는 하나 또는 두 개의 말단 19S 조절인자(terminal 19S regulatory particle; 19S RP)가 결합해 있다.    

19S RP의 크기는 700 kDa이며, 프로테아좀의 활성제로 기능한다.³⁾ 19S RP는 20S CP의 한쪽이나 양쪽 끝에 붙어 활성형의 프로테아좀을 구성하게 된다. 19S RP는 20개의 단위체로 구성되어 있으며, 이러한 단위체는 Rpt(Regulatory particle of triple-ATPase)와 Rpn (Regulatory particle of non-ATPase)로 구분된다.

20S CP는 19S RP에 비해 구조적인 특성이 잘 규명되어 있다. 20S CP는 구조적으로 잘 짜여진 단백질이며, 무게는 대략 750 kDa정도이다. 다양한 진핵생물에서 전자현미경으로 20S CP를 관찰한 결과, 20S CP는 실린더와 같은 형태를 보이는 것을 확인하였다. 20S CP는 외측 알파 고리(α ring)과 내측 베타 고리(β ring)으로 겹겹이 쌓인 입자를 형성한다. (α1-7/β1-7/β1-7/ α1-7)

밀도 기울기 원심분리 분석을 통해 밝혀진 활성 프로테아좀의 겉보기 침강지수는 26S로 밝혀졌다. 그러나 물리화학적 분석을 통해 밝혀진 정확한 침강지수는 30S에 근접한 것으로 밝혀졌다. 이러한 차이는 20S CP의 양쪽 말단에 19S RP가 붙은 것과 한쪽 말단에만 붙은 경우의 무게 차이에 기인하는 것으로 생각된다.

그림 1. 26S 프로테아좀 구조 (출처: 한국식물학회)

프로테아좀의 19S RP는 최소 4개 이상의 유비퀴틴이 연결되어 결합된 분해 대상 단백질을 인식하여 결합한다. 이후, 폴리유비퀴틴이 제거되어 유비퀴틴은 방출되고, 분해 대상 단백질은 접힘이 풀리면서 프로테아좀의 20S CP로 들어가게 된다. 20S CP에는 두 개의 내측 베타 고리로 형성된 트레오닌 촉매가 존재하며 19S RP로부터 분해 대상 단백질을 전달받는다.

19S RP의 뚜껑(입구; lid)에 해당하는 부분은 최소 9개의 Rpn 단위체로 구성되어 있으며, Rpn10과 Rpn13은 유비퀴틴화된 단백질을 인식하여 결합한다. 결합된 분해 대상 단백질의 유비퀴틴 체인은 Rpn11에 의해 끊어져서 재활용된다. 이후 기저부(base)에 존재하는 Rpt1 부터 Rpt6까지의 단위체들이 접힌 단백질 구조를 풀고 20S CP의 알파 고리 입구를 열게 된다.

20S CP는 진핵생물사이에서 몇몇 경우를 제외하고 기능적으로 잘 보존이 되어 있으며, 19S RP로부터 받은 단백질을 분해한다. 내측 베타 고리의 N 말단에는 촉매반응을 일으키는 트레오닌 잔기가 있으며, 친핵성의 가수분해효소 활성을 나타낸다. 또 β1, β2, β5 단위체들은 각각 카스파제와 같은 펩티드 글루타민 가수분해 효소 활성, 트립신 활성, 키모트립신 활성을 가지며, 각각 C말단의 산성, 염기성, 소수성 아미노산을 절단한다. 이 세 단위체들은 두 쌍으로 구성되어 20S CP의 안쪽에서 마주보며 인접한 베타 고리 내부에 위치하여 단백질을 분해한다. 또 바깥쪽의 알파 고리는 완벽하게 닫혀 있어서 다른 단백질이 안쪽의 베타 구조로 유입되는 것을 방지한다.

그림 2. SCF 단백질 복합체 및 유비퀴틴/26S 프로테아좀에 의한 단백질 분해 모식도. (출처: 이상호)

1. Hershko, A., Ciechanover, A. (1998) the Ubiquitin System, 67
2. Manuscript, A. (2004) Degradation signal diversity in the ubiquitin-proteasome system. Science, 9: 679–690
3. Coux, O. (2002) Structure and Functions of the 20S and 26S Proteasomes. Annual Review of Biochemistry, 65:801–847