기능성 단백질체학의 발달
기능성 단백질체학은 아래와 같은 몇 가지 주변 기기와 방법 발달에 힘입어 지난 몇 년간 크게 발전했습니다.
첫 번째는 질량 분석 기기의 발전입니다. 질량 분석을 위한 이온화 방법도 전기분사이온화법 (Electrospray ionization, ESI), 화학적 이온화 (chemical ionization, CI), 전자 충돌 이온화 방법 (electron ionization, EI), 매트릭스를 이용한 레이저 탈착 이온화 (matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI) 등 다양해졌으며, 분석기 또한 quadrupole, time-of-flight (TOF), magnetic/electromagnetic 등으로 다양하게 발전하였습니다. 측정 감도도 10-15몰까지 높아졌죠.
두 번째는 유전자 데이터베이스의 완성 정도입니다. 2003년에 발표된 인간 게놈 지도를 비롯해 쥐, 초파리, 제브라피쉬 등 알려진 유전자로부터 추론된 아미노산 서열과 측정한 단백질의 아미노산 질량을 비교함으로써 새로운 단백질의 분석이 쉬워졌습니다.
세 번째는 바로 소프트웨어의 발전입니다. 이전에는 주어진 질량 분석 데이터와 유전자 데이터베이스의 아미노산 서열을 비교하기 위해서는 많은 시간이 필요되었으나 SEQUEST와 같은 프로그램이 발전됨에 따라 주어진 질량 분석 데이터와 데이터베이스의 서열 분석 및 비교가 자동화가 되었습니다.
네 번째는 단백질 분리 기술의 발전입니다. 단백질체가 복잡할수록, 단백질 간 인력이 클수록, 단백질 추출 시 사용되는 용매의 조성이 복잡할수록 단백질 분리는 질량분석의 전단계로서 필수적입니다. 오래전부터 사용된 2차원 전기영동, high-performance liquid chromatography, affinity chromatography 등의 발달로 이전에는 연구하기 힘들었던 막단백질이나 lipid raft 등의 분석이 쉬워졌습니다.
이러한 주변 기기와 도구의 발전으로 현재 기능 단백질체학은 단순하게 단백질 확인하는 것을 훌쩍 뛰어넘어 단백질 네트워킹, 단백질 변형체 (post-translational modification network), de novo sequencing 등으로 응용되고 있습니다.
레티노이드 싸이클 (retinoid cycle)의 화학 반응
이전 포스팅에서 이야기했듯 비타민 A가 빛과 반응하여 형태 구조가 변화되고, 단백질 효소 반응을 거쳐 재활용되는 일련의 반응을 눈의 시각 싸이클 (visual cycle) 또는 레티노이드 싸이클 (retinoid cycle)이라고 표현합니다. 15, 15'-beta carotene monooxygenase에 의해서 생성된 all-trans 형태의 레티노이드는 눈에서 빛과 반응하며, 사용된 레티노이드는 아래와 같은 여러 효소 반응에 의해 눈에서 재생산됩니다.
① 빛과 로돕신
로돕신의 Lys296번과 이민 형태로 결합해 있는 11-cis 비타민 A는 빛과 반응하여 all-trans 비타민 A로 변형되고, 로돕신의 구조를 변형시킵니다 (metarhodopsin Ⅱ ). matarhodopsin Ⅱ는 G단백질 중 하나인 트랜스듀신 (transducin) 과 결합하여 phosphodiesterase, guanylyl cyclase, cGMP를 차례로 거쳐 시각 신호를 전달합니다. 한편 로돕신은 로돕신 kinase에 의해 인산화됩니다. 인산화된 matarhodopsin Ⅱ는 arrestin과 결합함으로써 신호전달을 멈춥니다. 이는 rhodopsin phosphatase에 의한 탈인산화반응으로 신호전달의 마지막 스위치가 됩니다. 한편 빛과 반응한 로돕신은 옵신과 all-trans 레티날로 가수분해되며 이는 빛에 불활성 됩니다.
② all-trans 레티날의 환원
로돕신과 결합된 레틴 알데히드 이민은 가수분해됨으로써 all-trans 레티날로 분리되어 간상세포 (rod cell)에 있는 all-trans reinol dehydrogenase 와 NADPH에 의해 레티놀로 환원됩니다. 이 단계는 전체 레티노이드 싸이클의 속도 조절 단계이면서도 이 반응에서 남겨진 기질은 다른 레티노이드와 비교했을 때 상대적으로 반응성이 강한 알데히드로, 시각세포나 RPE 주변의 다른 분자와 반응하여 분해되지 않는 레티노이드 부산물을 생성한다는 점에서 레티노이드 싸이클에서 가장 중요한 단계로 여겨집니다. 밑에서 언급할 pyridinium bis-retinoid (A2E)는 알데히드와 ethanolamine 반응 생산물로 눈의 질병 중 가장 심각한 황반 변성의 주원인이 된다고 생각되어 왔습니다. 환원된 레티놀은 레티노이드 재활용 과정을 위해 광수용체 간 레티노이드 결합 단백질 (interphotoreceptor retinoid binding protein, IRBP)에 의하여 RPE로 이동됩니다.
③ all-trans 레티놀의 에스터화
all-trans 레티놀은 레시틴을 사용함으로써 lecithin retinol acyltransferase (LRAT)에 의해 레티닐 에스터로 전환됩니다. 레티닐 에스터는 레티노이드의 저장 형태라는 점과 중요한 isomerization 반응의 전 단계라는 점에서 의미를 가집니다. LRAT는 1980년대 후반에 효소 작용이 제안되었으며 1993년에 속도 측정이 이루어졌습니다. LRAT의 아미노산 서열은 1999년에 알려졌는데, 지금까지 알려진 acyltransferase나 cysteine protease (Asp/Gln, Cys, His conserved catalytic triad)와 구별됩니다. 이는 바로 Cys161, His60, Tyr154를 catalytic triad로 사용한다는 것입니다. 알려진 cysteine protease들이 pKa 4와 8을 가지는 것과 달리 LRAT는 pKa 값이 8과 10을 가집니다. LRAT 효소와 아미노산 서열이 비슷한 단백질은 Hrev tumor suppressor, viral protease, morphogen 등이 있는데, DNA와 결합할 가능성이 있다는 점과 암세포 전이 억제 효과가 있다는 점으로 미루어보아 앞으로의 연구가 기대되는 효소입니다.
④ all-trans 레티닐 에스터의 이성질체(isomerization)와 가수분해(hydrolysis)
시각 싸이클 중 가장 이해하기 어려우며 최근까지도 논란이 많은 반응입니다. 에너지가 낮은 all-trans 형태의 레티노이드가 상대적으로 높은 에너지를 가진 11-cis 레티노이드를 외부 에너지 사용 없이 반응 진행이 된다는 점이 이해하기 어려우며 그 과정에 관여하는 효소도 최근까지 논란 되어왔습니다. 에스터 분해 과정과 입체 이성질체 형성 과정이 한 단계인지 또는 두 단계인지도 의문입니다. 2005년에 세 그룹이 RPE cell에 다량으로 존재하는 단백질 중 하나인 RPE 65가 retinol ismerase라는 것을 발표했습니다만 낮은 turnover number, crude extract reaction, mechanistic problem 등 여러 질문들이 해결되지 않고 남아있는 상황입니다.
⑤ 11-cis 레티놀의 산화
11-cis 레티놀은 로돕신과 결합하기 전, 11-cis retinol dehydrogenase와 NADP+ 에 의해 11-cis 레티날로 산화됩니다. 산화된 11-cis 레티날은 광수용체(photoreceptor) 세포로 이동됩니다. 이동된 11-cis 레티날은 옵신과 결합함으로써 로돕신을 생성하여 레티노이드 싸이클을 완성합니다.
#로돕신
#단백질체학
#레티노이드사이클
#망막질환신약
안녕하세요. 줄리아 눈 연구소입니다. 저희 연구소를 통해 의학정보/치료 불균형으로 인한 수많은 환자들을 돕기를 희망합니다.