[생화학] 11.2 : GPCR(G protein-coupled receptor) - 1

 

 

이번 포스트부터는 GPCR에 대해 알아보자.

 

 

GPCR은 α helix가 7번 막을 관통하고 있는, seven transmembrane protein(hepta-helical protein)임.

 

 

 

 

위 그림과 같이 GPCR이 ligand과 binding하면, 세포막 안쪽부위에 anchoring되어있던 heterotrimeric(αβγ) G protein이 와서 GPCR에 associate되게 됨.

 

 

GPCR에 의해 인지되는 ligand의 대표적인 예로 epinephrine(adrenaline)에 대해 알아보자. Epinephrine은 adrenal gland에서 만들어지는 hormone이며 fight or flee 반응 등에 있어서 매우 중요함. 즉, 이 hormone은 기본적으로 흥분 효과를 가지고 있음. 이 녀석은 GPCR의 일종인 β-adrenergic receptor에 의해 인식되며, 그 결과 muscle, liver cell에서는 glycogen의 breakdown이 촉진되고(도망치거나 싸울 때 필요한 에너지를 얻기 위함) adipose cell에서는 lipid hydrolysis가 촉진됨(이 경우에도 E를 얻기 위함). 그 밖에 이 녀석은 heart cell에 작용해서 심장박동수를 올리기도 함.

 

 

 

위 그림에는 epinephrine, 그리고 이 녀석과 비슷하게 생긴 agonist, antagonist가 나타나 있음.

 

일단 agonist의 일종인 isoproterenol부터 보면, 이 경우 Kd 값을 봤을 때 epinephrine보다도 receptor에 훨씬 잘 붙는다는 것을 알 수 있음. 그리고 이 녀석은 agonist이기에 receptor에 binding해서 원래 signal을 더 강하게 일으킬 수 있을 것임.

 

 

한편 antagonist의 일종인 propranolol의 경우 Kd값이 epinephrine에 비해 압도적으로 작기 때문에 결국 receptor에도 압도적으로 잘 붙을 것임. 한편 이 녀석은 antagonist이므로, 이 녀석이 receptor에 붙을 시 하위 cell signaling이 다 block되게 됨.

 

 

 

 

위 그림을 보면, 우선 epinephrine이 primary messenger로 작용해서 GPCR에 붙게 됨. 그러면 cell 내부에 있는 heterotrimeric G protein이 GPCR에 달라붙게 되고, 이후 disassociate가 일어나게 됨. 이와 동시에 GSα에 붙어있는 GDP가 GTP로 바뀌게 되면서 activation됨. 이후 이 GTP binding GSα는 막에 anchoring(구체적으로는 palmitoic acid에 binding)된 상태로 sliding하고, 그 결과 막에 있는 adenylyl cyclase라는 효소에 가서 이 녀석을 activation시키는 것이 가능함. 그러면 adenylyl cyclase는 ATP를 cAMP로 만들어줌. 이 cAMP는 세포 내에서 secondary messenger로 작용하고 그 결과 각종 하위 signal들이 일어날 수 있음. 참고로 cAMP는 cyclic nucleotide phosphodiesterase에 의해서 AMP로 다시 바뀔 수 있고, 이렇게 바뀐 AMP는 reuse될 수 있음.

 

 

참고로 이 때 GSα에서 S는 stimulatory를 의미함.

 

 

 

 

위 그림은 adenylyl cyclase에 의해 cAMP가 형성되는 과정, 그리고 cyclic nucleotide phosphodiesterase에 의해서 다시금 cAMP가 AMP로 끊어지는 과정이 나타나 있음.

 

 

한편 cAMP는 대표적으로 protein kinase A(PKA)를 allosterical하게 활성화시킴.

 

 

 

 

PKA는 위 그림 (a)와 같이 생겼음. 보면 catlytic subunit, regulatory subunit 하나씩이 모인 dimer가 AKAP(A kinase anchoring protein)에 의해 2개 모인 채로 연결되어 있는 R2C2의 형태가 일반적임.

 

 

이 때 (a)의 위쪽 상태의 PKA는 auto-inhibitory한 활성이 있음. 이 auto-inhibitory한 활성은 (b)에서 나타난 구조를 보면 이해할 수 있는데, 우선 catalytic(C) subunit 내부에 있는 small lobe(ATP binding)와 large lobe(protein substrate binding) 사이에는 원래 phosphate가 전달되는 region이 있음. 그런데 이 region을 regulatory(R) subunit의 inhibitor sequence가 파고들어가서 block해버리게 됨. 이런 식으로 auto-inhibition이 이루어지는 것임.

 

 

그런데 cAMP가 생기게 되면 (a) 아래쪽과 같이 cAMP 2개씩이 하나의 regulatory subunit에 결합하며(즉, 총 4개의 cAMP가 결합하며) 그 결과 inhibitor sequence의 conformational change에 의해 catalytic subunit이 free해지게 됨. 이런 과정을 거쳐 cAMP가 있을 시 PKA가 활성화되게 됨.

 

 

 

위 그림에는 PKA가 주로 인산화시킬 수 있는 consensus sequence가 나타나 있음. 보면 일반적으로는 S, T site가 인산화되며, 이에 더해 이 site 1칸 전에는 아무거나가, 2칸 전에는 일반적으로 + charged amino acid가, S, T 뒤에는 hydrophobic한 amino acid가 위치하는 것이 prefer됨. 그러므로 우리가 unknown protein의 sequence를 알고 있을 때 이런 정보를 바탕으로 이 protein이 PKA에 의해 인산화가 일어날지, 일어난다면 어디에 일어날지를 예측해볼 수 있음.

 

 

한편, 사실 G protein이 붙는 GPCR이 G protein의 GDP를 GTP로 바꿔주는 역할을 하기도 함. 그리고, 이렇게 GTP가 charging되어서 active한 G protein은, 얼마의 시간이 지나고 나면 자신이 GTPase activity를 가지기 때문에 다시 GDP가 결합된 G protein으로 돌아가서 re-association이 일어나게 됨. 이를 self-limiting이라 함.

 

 

다음 포스트에서 이어서 알아보자.