[생화학] 11.2 : GPCR(G protein-coupled receptor) - 2

 

 

이번 포스트에서는 지난 포스트에 이어서 GPCR 경로에 대해 알아보자.

 

 

흥미롭게도 G protein에는 GPCR과 상호작용하는 heterotrimeric한 것만 있는 것이 아니라 small monomeric한 것도 있는데, Ras가 대표적임.

 

 

 

위 그림 왼쪽은 Ras와 GTP를 함께 co-crystallize한 것임. 참고로 이 때 그냥 GTP를 쓰면 hydrolysis에 의해 dynamic할 수 있으므로 hydrolysis가 일어나지 않는 형태의 GTP를 써주게 됨.

 

 

보면 실제로 위 그림 오른쪽과 같이 switch I, switch II 사이에 GTP가 위치해 있음. 이 때 GTP가 여기 있게 되면 γ phosphate와 switch I, II의 끝부분 amino acid가 서로 H bond를 통해 서로 팽팽하게 잡아당겨지고, 그 상태로 모양이 안정화되게 됨. 이 때는 이 녀석의 안정화된 모양에 의해서 downstream signal이 잘 전달되게 됨. 게다가 GTP가 붙는 P loop 구조에는 lysine과 같은 + charged amino acid가 있어서 - charge의 phosphate가 더 안정화되게 됨.

 

 

그런데 이 녀석 내부의 GTP가 GDP가 되어버리면 switch I, switch II가 다시 다 풀리게 되며 전체 구조 안에 숨어버리게 됨. 그 결과 target protein에 잘 작용하지 못하게 됨.

 

 

 

 

앞서 G protein 자기자신은 GAP activity를 가지고 있다 했었음. 그럼에도 이 auto-limiting의 효율이 낮은 편이기 때문에 실제로는 추가적인 GAP이 GTP를 GDP로 가수분해되게 도와주는 역할을 함. (이들의 도움의 결과 GTP→GDP로의 변환을 10^5배 빠르게 만들어줌) 그리고 GDP를 GTP가 되게 해주는 녀석들은 GEF로, 이 GEF 역할은 주로 receptor가 담당함.

 

 

G protein, 그 중에서도 Ras는 human cancer 중 25%에게서 돌연변이가 발견됨. 이 때 Ras mutation 중에서도 대부분의 mutation은 P loop에 생기게 됨. 그 결과 Ras 자기자신의 GTPase activity가 elimination되고, Ras가 계속 active해져서 cell division이 끊임없이 일어나고 암화되게 되는 것임.

 

한편 NF1은 GAP의 일종으로, 이 녀석은 평소에는 tumor suppressor protein으로 작동함. 그런데 이 녀석이 mutation에 의해 제기능을 못하게 될 경우 Ras가 계속 active해져서 마찬가지로 암이 유발될 수 있음.

 

그 밖에 heterotrimeric G protein이 defective할 경우, G protein이 계속 active한 채로 남고(activating mutant), 그 결과 cAMP가 계속 많은 채로 있어서 결국 끊임없이 cell proliferation이 촉진되는 등의 일이 일어나기도 함.

 

 

그리고 시각과 관련된 G protein인 transducin Tα는 inactive해질 시 빛과 반응하지 못해서 야맹증이 생길 수 있음.

 

 

 

 

그 밖에, cholera toxin의 작용에 의해 adenylate cyclase이 과도하게 active해지고, 그 결과 cAMP가 많아지게 되면, 결과적으로 콜레라 증상이 유발될 수 있음.

 

조금 더 자세히 설명하자면 cholera toxin의 작용에 의해 NAD+의 일부가 G protein 내 P-loop Arg에 붙어버리게 됨. 그럴 시 G protein 자체의 GTPase activity가 감소하고 G protein이 계속 on 되어있게 되어서 결과적으로 cAMP, PKA의 양이 많아짐. 이런 일이 intestinal cell에서 일어나게 되면 CFTR Cl- channel, Na+-H+ exchanger가 과도하게 열려서 intestine으로 Na+, Cl-가 과도하게 빠져나감. 이 때 이 ion들을 따라 water도 엄청나게 많이 빠져나가게 되고 그 과정에서 massive water loss와 함께 설사 증상이 나타나게 됨.

 

 

다음으로, signal transduction 과정에서의 amplification에 대해 알아보자.

 

 

 

 

위 그림에는 대략적으로 signal이 amplification되는 정도가 나타나 있음. (참고로 실제로는 위 그림에 나타난 것보다도 더 대량의 amplification이 일어날 것으로 생각됨)

 

 

보면 1개의 epinephrine이 10개의 G protein에 영향을 미칠 수 있음. 이후 이 G protein이 adenylyl cyclase를 activation시키면 cAMP가 200개정도 생기게 됨. 이후 cAMP 2개가 1개의 PKA를 활성화시키므로 총 100개의 PKA가 활성화됨. 이후, 예를 들어 PKA 100개가 phosphorylase b kinase 1000개를 활성화시킬 수 있음. 이후 10000개의 glycogen phosphorylase b가 활성화되고, 이후 결과적으로 100000개의 glycogen이 100000개의 glucose로 바뀌게 되면서 이 glucose가 blood로 나가게 됨.

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.