▶Introduction
유전자기능을 다양화하기 위한 방법으로 생물체는 유전자가 전사된 후 단백질의 변형화를 통하여 단백질의 기능을 조절한다. 특히, 단백질의 아세틸화(acetylation), 인산화(phosphorylation), 유비퀴틴화(ubiquitination)등의 전사 후 수정(posttranslational modification)은 에너지 소비를 줄이면서 빠르게 세포 내 단백질의 기능을 바꾸는 반응으로 연구되어 있다. 최근에, 단백질 수모화에 의한 기능 변화와 조절기전에 관한 수많은 연구가 진행됨에 따라 여러 종류의small ubiquitin-like proteins(Ubls, 수모 단백질)이 밝혀졌다.여러 종류의 Ubls중에서 SUMO(small ubiquitin-related modifier, 수모)라는 단백질이 가장 잘 연구되어 왔다.
수모(SUMO)는 97개의 아미노산으로 구성되어 있으며 구조적으로 유비퀴틴과 유사하다. 수모 단백질들과 유비퀴틴 단백질은 기질 단백질의 라이신 잔기와 결합한다는 성질은 동일하다. 수모와 유비퀴틴은 표적 단백질의 라이신 아미노산에 공유결합되어 있다. 그러나 단백질의 유비퀴틴화(ubiquitination)는 단백질을 분해시키는 작용이지만, 단백질의 수모화(Sumoylation)는 단백질의 기능을 변화시킨다. 즉, 단백질이 수모화되면 세포내의 localization에 변화가 일어 나거나, 결합하는 단백질이 달라지거나, 전사인자가 수모화되면 DNA결합능에 변화가 오거나 전사능에 변화가 유도된다. 이처럼 단백질의 수모화는 subcellular localization, transcription chromosome function, genomic intergrity를 조절하게 된다.
▶ Sumo & Sumoylation
수모(SUMO)는 대부분의 eukaryotic cell의 생존에 필수적이고, 발생단계의 대부분의 조직에서 발현되고 잇다. 1996년에 발견된 이래로, 약 50여종의 단백질이 수모와 결합하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 그 기능은 전사, DNA repair, 핵 이동, cell cycle 등 다양한 것으로 드러나고 있다.
수모화란 수모단백질의 C 말단의 카르복실기와 기질 라이신 잔기의 ε-아미노기의 이소펩티드 결합이 형성되는 것이다. 수모는 유비퀴틴(Ubiquitin, Ub)과 약18%의 서열 유사성을 갖고 있으나, 그것의 접혀진 3차구조가 Ub과 매우 유사하다 (그림1). 수모는 11kDa의 단백질로서, 그것의 뚜렷한 양성, 음성전하 때문에 SDS-PAGE상에서는 최대 20kDa까지 기질의 본 분자량보다 크다. 모든 수모 유전자는 짧은 C말단 아미노산을 더 갖는 전구체로 생성되는데, 이 전구체는 ubiquitin-like proteins protease (UIPS)에 의해Gly-Gly C말단을 갖는 단백질로 성숙된다. Yeas나 invertebrates에서 발견된 수모유전자는 한 종류뿐이지만, vertebrate에서는 3종류, 즉 SUMO-1,2,3가 밝혀졌다. SUMO-2와-3는95%의 높은 서열 유사성을 갖으나, 이 단백질들과 SUMO-1의 사열 유사성은 50%정도로 낮고, 두 그룹사이의 기능과 성질도 매우 다르다. 세포에는 다른 단백질과 결합되지 않은 형태의 SUNO-2,-3이 다량으로 존재하나 SUMO-1의 경우는 많은 양이 다른 단백질과의 결합된 형태로 존재한다. SUMO-2,-3는 N말단 부분에 수모화에 필요한 ΨKXE(Ψ 소수성 아미노산)서열을 갖고 있어 그들 사이에 chain을 형성할 수 있지만SUMO-1만으로도 기질 단백질을 수모화 할 수 있다.
[그림1] SUMO-1과 Ubiquitin의 Backbone. 입체적 구조가 서로 매우 유사하다
1) 수모 활성화 효소 (SUMO activating enzyme, E1)
Ub의 E1처럼, 수모의 E1 역시 3가지 반응을 촉진한다. 첫번째, 수모의 카르복실기 말단이 ATP를 공격하여 pyrophosphate 와 SUMO-adenylate를 생성한다. 두번째, E1의 활성부위의 시스테인이 SUMO-adenylate를 공격하여 E1과 수모사이에 고에너지의 thioester결합이 생성된다. 마지막으로, 수모는 E2로 옮겨진다. 대부분의 유기체는 한 종류의 SAE을 갖고있고, 이것은 Aos1/Uba2의 heterodimer형태이다.
2) 수모 결합 효소 (SUMO conjugation enzyme, E2)
수모화의 두 번째 단계는 수모와 E2가 thioester결합을 형성하는 것이다. 이 효소는 기질의 라이신 잔기에 수모가 전달되는 마지막 과정을 담당한다. 여러 종류의 E2를 갖고 있는 Ub과 다르게, 수모화에 필요한 E2는 Ubc9, 한 가지 이다. In Vitro 수모화 실험에서는 수모와 E1, E2만 있어도 반응이 일어나므로, 유비퀴틴화와는 다르게 수모화에서는 E2가 기질 특이성을 갖고 있을 것이라는 추측도 있다.
3) 수모 연결 효소 (SUMO ligases, E3 ligases)
최근에 세 종류의 수모 연결 효소가 밝혀졌다. 그 중 하나로 PIAS (protein inhibitor of activated STAT)family가 있는데, 이것은 원래 STAT 전사인자의 저해 단백질로 알려져 있었다. 포유동물에서는 PIAS 1,3, Xα, Xβ, Y의 여러 유형이 존재하고, 이들 모두는 핵 내에 존재하고 있다. 이 단백질들 사이의 차이점은 C 말단에서 찾을 수 있는데, 서로 어떠한 유사성 있는 서열을 갖지 않은 뿐 아니라 이들과 다른 단백질들 사이에서도 서열 유사성이 없다. 이것으로 보아, C말단의 차이가 특정한 기질을 정하는 것으로 추정할 수 있다.
| [그림3] A. 수모화는 E2가 기질 특이성을 갖고 있어, E3없이도 일어날 수 있다. B. 유비퀴틴화는 E3가 없이도 진행될 수 없고, 반드시 E3 ligase가 필요하다. |
|
수모 연결 효소에는 RanBP2가 있다. 이 단백질은 nuclear pore의 세포질 쪽에 존재하는 단백질로서, internal repeat (IR)이라는 E3 부위를 갖고 있다. 그리고 이것 역시 다른 단백질들과 유사성이 없다. RanBP2는 E3로서 작용하는 것 외에, SUMO-RanGAP1, Ubc9과 복합체를 형성하여 RanGAP1을 핵으로 이동하게 하는데 중요한 역할을 한다. 세 번째 수모 연결 효소에는 Pc2 (polycomb protein 2)가 있다. 이단백질은 히스톤 메틸화 활성이 있는데, 다른 연결 효소에 비해 연구가 미진하다. 4) SUMO cleaving enzyme S. cerevisiae에는 Ulp1과 Ulp2가 밝혀져 있다. Ulp1은 nuclear pore complex (NPC)에 존재하고, 수모 전구체의 성숙화와 SUMO deconjugation에 작용한다. 그리고 최근의 한 논문에서는 Drosophila에 있는 Ulp1이 NPC에 존재하면서, 핵 내부의 수모화 된 단백질들의 탈 수모화를 촉진하여, 그 단백질의 세포질로의 이동을 돕는다는 보고가 있었다. Ulp2는 핵에 존재하고 전구체를 절단하는 기능을 갖고 있지 않다. 포유동물에서는 SENP라고 불리는 7가지의 절단 효소를 갖고 있다. |
이러한 여러 가지 이유로 수모화의 생화학적 기능을 밝히는데 어려움이 따른다.
1) Transcription
수모화 된다고 알려진 많은 기질 단백질들은 전사 활성화 또는 억제화에 관여하는 인자이거나, promyelocytic leukemia nuclear body (PML NB), POD 또는 ND10이라 불리는 핵 내 구조 안에 존재하는 단백질이다. 수모화가 전사에 관여하는 기전은 2가지로 나누어 살펴 볼 수 있다. 첫 번째로 특별한 프로모터에 결합하는 전사인자의 수모화에 따른 변화이다. 여기에 속하는 예로는 Elk-1, Sp-3, STAT-1, c-myb, androgen receptor, cpactivator인 p300을 들 수 있는데 이들 단백질의 선사 활성이 수모화에 의해 저해된다.
이들 전사 인자의 수모화가 전사 활성을 저해 시키는 기전으로는 HDAC, Daxx, PIAS 같은 저해 단백질과 복합체를 이룸으로써 전사인자로서의 기능이 저해되는 것으로 보고가 있다.
반대적으로 수모화가 전사 활성을 높이는 경우도 있는데, HSF1,2를 그 예로 들 수 있다. 또한 최근 논문에서 HIF (hypoxia inducible factor)가 Lys391 과 Lys477 에서 수모화되고, 그것에 의해 안정성과 전사활성이 증가된다는 보고가 있다. HIF-1α의 ODD domain (oxygen-dependnet degration domain)내에 수모가 결합할 수 있는 ΨKXE (Ψ; 소수성 아미노산)이 세 곳에 존재하고 있으나 mutation을 통하여 이중에서 두 곳의 라이신잔기(Lys391 과 Lys477 )에 수모화가 일어난다고 보고되었다. 다른 한 곳은 ARD1단백질이 HIF-1α의 안정화를 조절하는 다양한 변형, 프롤릴화, 아세틸화, 인산화, 유비퀴틴화와 더불어 수모화 역시 HIF-1α의 기능에 결정적인 역할을 할 것이다. 이처럼 HIF에서는 다양한 modification들이 일어나고 있고, 그들 사이의 상관관계가 HIF의 안정성에 중요한 역할을 할 것이다.
수모화가 전사에 관여하는 그 두 번째 기전으로 PML NB 형성에 의한 영향이 있다. PML NB에는 p53, CBP, Daxx와 같은 여러 단백질들이 존재하는 것으로 알려져 있다. PML단백질이 수모화되면 PML NB가 형성되고 여기에 여러 관련 단백질들을 불러 모은다. 그리고 이 단백질들 역시 수모화 되기도 한다. 이와 같이 PML 단백질이 수모화됨으로써 형성된 PML NB 안에는 많은 단백질들이 존재하며 그 안에서 단백질들끼리 서로의 활성에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, PML NB에서 CBP는 p53을 아세틸화하여 p53의 전사활성을 증가시킨다. 도한 최근에 p53의 분해에 관여하는 ubiqutin ligase인 Mdm2가 PML안에 존재하고 있고, Mdm2의 PML NB안으로의 결박 (sequestration)으로 인해,p53의 안정성이 증가한다는 보고가 있었다. 또한 이외에도 PML NB에서의 단백질의 결박과 방출 역시 전사에 영향을 줄 수 있는 것으로는 전사 저해 단백질인 Daxx를 PML NB에 억류함으로써 Daxx단백질에 조절 받는 단백질의 활성을 높여 줄 수 있다.
2) chromosome structure and function
수모화가 크로마틴 구조와 크로모좀의 응집에 필수적이라는 것은 알려져 있지만, 그 기전은 아직 밝혀지지 못했다.
3) DNA repair
tymine DNA glycosylase (TDG)는 T-G, U-G의 잘못된 염기쌍에서 염기를 제거하는 repair enzyme이다. In vitro 실험에서, TDG는 염기가 제거된 부위에 강하게 결합하여, 다음 순서의 repair enzyme이 결합할 수 없다. 하지만 SUMO-TDG의 경우, 상대적으로 약하게 결합하여 여러 cycle의 반응을 진행시킬 수 있고 다음 repair enzyme이 결합하여 수리를 진행시킬 수 있다. 그림 5에서 보는 바와 같이, 잘못된 DNA염기쌍 부위에 결합한 TDG는 수모화에 의해 분리되고, 달 수모화가 일어나서 다음 cycle에 대한 준비를 한다.
DNA topoisomerase I,II 역시 수모화 된다. Topoisomerase inhibitor를 세포에 처리했을 때, 수모 결합 부위가 없어진 topoisomerase의 경우 , 핵 내에 계속 남아있지만, 정상적인 세포에서는 세포질로 이동한다. 이를 통해서, 수모화는 TOP1의 위치를 변화시켜 그것의 활성을 증가시킨다는 것을 알 수 있다.
Proliferating cell nuclear antigen (PCNA)은 Lys164 위치에서 ubiquitination되고, 이 자리에서 수모화 역시 일어나기 때문에 서로 경쟁적인 관계에 있다. PCNA의 유비퀴틴화는 DNA repair에 필요하기 때문에, PCNA 수모화는 repair를 저해할 수 있을 것이다.
|
그림4) Thymine DNA glycosylase에서의 수모의 역할. Abasic site와 강하게 결합되어 있는 TDG가 수모화에 의해 분리되어 나가고, 다음 cycle을 준비한다.
4) 핵으로의 이동 5) Signal transduction pathway [출처: '수모화(sumoylation)에 의한 단백질의 기능 조절', 김규원, 배성희, 박정애. 서울대학교 약학 대학] |
