이제 앞서 배운 기본적인 세포 신호전달 기작을 바탕으로, 수용체 매개 신호전달의 거대한 축을 담당하는 GPCR 신호전달에 대해 구체적으로 알아볼게요.
위 그림에 GPCR signaling의 과정이 대략적으로 나타나 있어요. 보면 신호가 오기 전에는 inactive GPCR, inactive G protein이 따로 존재하다가 신호 분자가 오면 신호분자의 결합에 의해 GPCR 수용체가 활성화되고, 활성화된 GPCR과 G protein이 만나서 G protein이 활성화되는데 이어서, 이후 연쇄적인 반응이 일어나요.
G protein은 위 그림에 나타나 있는 것과 같이 3개의 subunit으로 이루어져 있어요. (이 때문에 trimeric, 즉 삼량체 구조라고 많이 언급되죠!)
우선 α subunit은 Ras domain과 AH domain으로 이루어져 있으며, 세포막에 박혀있어요. 이 때 특별히 AH domain에 GDP, 혹은 GTP가 붙을 수 있죠.
다음으로 β subunit의 경우 세포막에 직접 결합되어있지 않으며 α, γ subunit 사이에 위치하고 있어요.
마지막으로 γ subunit은 세포막에 직접 박혀 있는 형태에요.
위 그림은 G protein의 활성화기작을 나타내 보여주고 있어요. 하나하나 살펴볼게요.
1. GPCR에 신호 분자, 즉 signal molecule이 결합하면 GPCR의 입체 구조 변화가 수반되고 그 결과 GPCR과 G protein의 α subunit이 결합함.
2. G protein α subunit의 AH domain에 있던 GDP가 떨어져 나가게 되고, 그 자리에 GTP가 들어오면서 α subunit과 β-γ subunit이 분리됨. (참고로 이 때 AH domain의 GDP를 GTP로 바꿔주는 녀석 또한 일종의 GEF임)
3. 각각의 활성화된 subunit(α, β-γ)이 각종 신호전달 반응을 매개함.
그렇다면 활성화된 G protein을 통해 활성화되는 신호전달 반응에는 어떤 것들이 있을까요. 이에 대해 하나하나 살펴볼게요.
cAMP 기반 신호전달
첫 번째로 살펴볼 반응은 cAMP(cyclic AMP)를 이용하는 신호전달 기작이에요.
위 그림에 그 기작이 나타나 있어요. 하나하나 살펴볼게요.
1. GTP가 충전되어 활성화된 G protein의 α subunit이 막관통단백질의 일종인 Adenylyl cyclase를 활성화시킴.
2. adenylyl cyclase는 ATP로부터 phosphate(인산기) 2개를 때서 최종적으로 ATP를 cAMP(고리화된 형태의 AMP)로 만들어줌.
3. cAMP가 PKA(protein kinase A)의 활성화를 도움.
4. PKA가 gated transport에 의해 nucleus(핵)로 들어가서 전사인자의 일종인 CREB을 인산화시켜 활성화시킴.
5. 활성화된 CREB이 cyclic AMP response element(CRE)로 불리는 DNA 서열에 붙고, CREB의 인산화부위를 인식해서 CREB-binding protein(CBP)가 붙으며 비로소 전사 개시 복합체가 만들어짐.
6. 특정 gene의 발현이 증가함.
* gated transport는 이전 챕터에서 설명한 바 있으니 참고하시길 바래요!
이제 각 과정에 대해 조금 더 자세히 알아볼게요.
위 그림에는 ATP와 cAMP의 구조가 나타나 있어요. 그리고, 위 그림 아래에도 나타나 있는 것처럼 adenylyl cyclase에 의해 만들어졌던 cAMP는 다시금 cyclic AMP phosphodiesterase에 의해서 5'-AMP로 변환될 수 있는데, 이러한 번환은 GPCR의 둔감화 기작 중 하나에요. (cAMP가 없어질 시 GPCR 신호가 더이상 유발되지 않겠죠?)
위 그림에는 PKA의 구조가 나타나 있어요. 보면 2개의 regulatory subunit(조절 부위)과 2개의 catalytic subunit(효소활성부위)으로 이루어져 있어요. 일단 inactive PKA(불활성화된 PKA)일 때는 4개의 subunit이 다 결합하고 있는 상태에요. 그런데 cAMP 농도가 증가하게 되면 cAMP가 regulatory subunit에 결합하고, 이로 인해 두 개의 catalytic subunit이 각각 분리될 수 있게 되죠. 이렇게 되었을 때 비로소 catalytic subunit이 활성화되어 CREB을 비롯한 여러 단백질들이 인산화될 수 있게 되죠.
이제 cAMP에 의한 GPCR 신호전달에 의해 매개되는 구체적인 생물 반응의 예시를 몇 가지 살펴볼게요.
대표적인 예시 중 하나가 신경전달물질 serotonin(세로토닌)을 매개로 한 반응이에요.
위 그림에 그 과정이 나타나 있어요. 보면 칼슘 이온에 의해 신경세포에서 serotonin이 분비되면 시냅스로 연결된 반대편 신경세포의 serotonin receptor가 serotonin을 인식하는데, 이 receptor가 바로 GPCR의 일종이에요. 결국 serotonin에 의해 활성화된 G protein에 의해 adenylyl cyclase가 활성화되고, 이어 cAMP 농도가 증가하고, PKA가 활성화되며, CREB이 활성화되고, 최종적으로 gene expression이 증가하게 되죠.
참고로, 실제로 위 그림 (A), (B)에 나타나 있는 것처럼 cAMP를 형광물질로 표지해서 serotonin이 있을 때 cAMP의 농도 변화, 퍼짐 정도를 시각화할 수도 있어요.
다음으로 호르몬의 일종인 glucagon(글루카곤)을 매개로 한 신호전달 또한 cAMP 기반의 GPCR 신호전달의 일종이에요.
위 그림에 그 기작이 나타나 있어요. 보면 우선 glucagon을 glucagon receptor가 인식해요. 이어서 cAMP의 농도가 증가하고, cAMP에 의해 protein kinase가 활성화되죠. 이후 phosphorylase b kinase라는 인산화효소가 인산화를 통해 활성화되고, 이렇게 활성화된 phosphorylase b kinase에 의해서 phosphorylase b가 인산화를 통해 phosphorylase a로 활성화되죠. 이어서 phosphorylase a가 ATP를 소모하면서 glycogen을 glucose-1-PO4로 분해하고 이것이 결국 glucose(단당류의 일종)가 되어 혈액으로 방출되는 결과가 유발되는데요. glucagon이 혈당량이 낮을때 분비되어 혈당량을 높이는 반응을 유발한다는 점을 감안했을 때 이 신호전달의 결과는 상당히 타당하죠?
지금 살펴본 예시 이외에도, 대부분의 hormone(호르몬)들이 GPCR을 통해 인식되는데요.
위 표에는 cAMP 기반 GPCR 신호전달경로를 유발시키는 각종 호르몬들이 정리되어 있으므로 참고해주세요.
이번 포스트에서는 GPCR, 그 중에서도 cAMP 기반의 신호전달 과정에 대해 살펴봤어요.
다음 포스트에서는 이어서 다른 경로를 통한 GPCR 신호전달 기작에 대해 살펴볼게요.