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출처 : 생물학연구정보센터(BRIC)

GPCR 신호전달의 연구 동향

김인겸 / 경북대학교 의전원 약리학교실

[목 차]

1. 서론
2. GPCR의 분류
3. GPCR 신호전달
4. GPCR 조절
  4.1 Protein kinase A (PKA)에 의한 인산화
  4.2 GPCR kinase (GRK)에 의한 인산화
  4.3 GPCR 신호 종결
5. 결론
6. 참고문헌

[요약문]

약물의 수용체는 G 단백질 연계 막 수용체(G protein?coupled receptors, GPCRs), 리간드 작동 막 이온통로, 이온 통로, 효소 영역을 갖는 막 수용체, 세포 안 핵수용체, 수송체, 효소 등 크게 일곱 종류가 있다. 현재 개발된 약물의 40%는 GPCR을 통해 작용을 나타낸다. GPCR은 사람 유전체의 4%에 해당하는 791 종류가 알려져 있다. G 단백질 연계 수용체는 하나의 polypeptide 사슬이 형질막을 일곱 번 횡단하는 특징적인 구조를 갖는다. 막을 횡단하는 부위의 아미노산들은 α 나선구조로 되어 있는데, 일곱 개의 α 나선구조들은 비슷한 구조로 정렬하고 있다. 이 부류의 수용체들은 형질막 표면에서 약물과 결합하면 형질막 안쪽에서 G 단백질(GTP/GDP 결합 단백질)이라고 하는 신호전달분자를 활성화시킨다. G 단백질은 안정시(자극되지 않은 상태)에는 α 소단위와 βγ 소단위가 가역적 결합을 하고 있다. Gα 동종 단백질 종류는 Gs(자극), Gi(억제), Gq/11, Go, G12/13 등이 있다. G 단백질의 주된 역할은 이차전령의 생성을 활성화시키는 것이다. 이차전령이란 내인성 리간드나 외인성 약물과 같은 일차전령의 신호를 세포질 효과기에 전달하는 신호전달 물질이다. GPCR은 G 단백질 신호전달 조절자(RGS)와 결합하면 신호전달이 종료되고, Protein kinase A (PKA)나 GPCR kinase (GRK)에 의해 인산화되면 탈민감이 일어난다. G 단백질 연계 신호전달기전은 시각, 후각, 신경전달 과정 등에 관련되어 있다.

1. 서론

G 단백질 연계 수용체(G protein?coupled receptors, GPCRs)는 인체에서 가장 흔한 수용체로 791 종류가 알려져 있다. 이 부류의 수용체들은 형질막 표면에서 약물과 결합하면 형질막 안쪽에서 G 단백질(GTP/GDP 결합 단백질)이라고 하는 신호전달분자를 활성화시킨다. G 단백질 연계 신호전달기전은 시각, 후각, 신경전달 과정 등에 관련되어 있다.

G 단백질 연계 수용체는 하나의 polypeptide 사슬이 형질막을 일곱 번 횡단하는 특징적인 구조를 갖는다. 막을 횡단하는 부위의 아미노산들은 α 나선구조로 되어 있는데, 일곱 개의 α 나선구조들은 비슷한 구조로 정렬하고 있다. 이 부류의 수용체의 일부는 형질막 영역에 리간드 결합 부위를 갖고 있지만, 대부분의 수용체는 세포 밖 영역에 리간드 결합 부위를 갖고 있다. G 단백질은 안정시(자극되지 않은 상태)에는 α 소단위와 βγ 소단위가 가역적 결합을 하고 있다. G 단백질 연계 수용체가 자극이 되면 내인성 Guanine 교환인자(GEF) 작용에 의해 세포질 영역이 βγ-GDP를 놓아 버리고 상대적으로 고농도로 존재하는 GTP와 결합한다. α-GTP 소단위는 βγ 소단위와 분리되어 각각이 형질막의 속판을 따라 확산되다가 다양한 종류의 효과기와 결합한다. 효과기의 종류는 adenylyl cyclase, phospholipase C, 여러 가지 이온통로, 및 여러 부류의 단백질이 있다. Α 소단위에 내재되어 있는 GTPase에 의해 GTP가 GDP로 가수분해 되면 G 단백질에 의해 매개되는 신호는 종료된다.

G 단백질의 주된 역할은 이차전령의 생성을 활성화시키는 것이다. 이차전령이란 내인성 리간드나 외인성 약물과 같은 일차전령의 신호를 세포질 효과기에 전달하는 신호전달 물질이다. G 단백질과 관련된 가장 흔한 신호전달기전은 이차전령 cyclic adenosine-3',5'-monophosphate (cAMP) 합성을 촉매하는 adenylyl cyclase나 cyclic guanosine-3',5'-monophosphate (cGMP) 합성을 촉매하는 guanylyl cyclase를 활성화시키는 것이다. 또한 G 단백질은 세포 안 칼슘농도 조절에서 중요한 역할을 하는 phospholipase C를 활성화시킬 수 있다. G 단백질에 의해 활성화된 phospholipase C는 형질막 인지질 phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2)를 이차전령 diacylglycerol (DAG)과 inositol-1,4,5-triphosphate (IP3)로 분해한다. IP3는 세포 내 칼슘 저장소에서 칼슘유리를 유발하여 세포질 내 칼슘농도를 증가시킨다. DAG는 protein kinase C (PKC)를 활성화시켜, 민무늬근 수축, 형질막 이온 운반과 같은 세포 내 신호전달을 매개한다. 이런 사건들은 역동적으로 조절되기 때문에, 각각의 신호전달 단계는 특징적인 동력학에 따라 활성화되거나 비활성화 된다.

현재까지 많은 종류의 Gα 동종 단백질이 발견되었는데 각각은 표적에 대해 특이한 효과를 나타낸다. Gα 동종 단백질 종류에는 Gs(자극), Gi(억제), Gq/11, Go, G12/13 등이 있다. 세포가 다르면 같은 수용체라도 다르게 반응하는 G 단백질의 감별기능은 약물의 잠재적 선택성에 중요하다. G 단백질의 βγ 소단위도 기능이 완전히 밝혀지지는 않았지만 이차전령물질로 작용할 수 있다.

G 단백질 연계 수용체 군(class)에서 약리학적으로 중요한 수용체는 A17 아군에 속하는 β 아드레날린성 수용체이고, 가장 많이 연구된 수용체는 β1, β2, β3 수용체이다. β1 수용체는 심장박동을 조절하는 역할을 한다. β2 수용체는 민무늬근의 이완에 관여한다. β3 수용체는 지방세포에서 에너지 동원과 관련 있다. 이들 수용체는 epinephrine, norepinephrine과 같은 내인성 catecholamines이 수용체의 세포 밖 영역에 결합할 때 자극된다. Epinephrine이 수용체에 결합하면 수용체의 입체형태가 변하고 수용체의 세포질 영역에 연결된 G 단백질을 활성화시킨다. 활성화된 G 단백질은 다시 adenylyl cyclase를 활성화시켜 cAMP를 증가시킨다.

2. GPCR의 분류

791개의 GPCR 단백질은 아미노산 서열의 유사도에 따라 다시 여섯 개 군(A~F군)으로 분류할 수 있다. 이 중 85%가 A군(A1~A19아군)으로 분류되는데, 약 반은 후각 수용체이고 반은 리간드를 모르는 고아 수용체이다.

<표 1. GPCR의 분류>

3. GPCR 신호전달

GPCR이 약물 또는 리간드와 결합하면, GPCR의 입체구조가 변하면서 G 단백질과 결합한다. G 단백질의 종류에 따라 생리적 반응이 다르다. G 단백질은 크게 4종류가 있다. 즉 Gαs, Gαi/o, Gαq/11, Gα12/13이다.

<표 2. G 단백질 의존성 신호전달>

4. GPCR

G 단백질 연계 막 수용체가 리간드에 오래 노출되면 리간드에 대한 탈민감이 나타난다. 탈민감은 동종 탈민감과 이종 탈민감으로 나눌 수 있다. 동종 탈민감은 리간드와 결합한 G 단백질 연계 막 수용체 발현이 줄어드는 탈민감이고, 이종 탈민감은 리간드와 결합한 G 단백질 연계 막 수용체 외의 다른 G 단백질 연계 막 수용체 발현이 줄어드는 탈민감이다. 탈민감은 G 단백질 연계 막 수용체의 세포질 영역 인산화로 설명할 수 있다.

4.1 Protein kinase A (PKA)에 의한 인산화

Gs단백질 연계 막 수용체가 리간드와 결합하면 효과기 단백질인 adenylate cyclase 활성화, cAMP 생산 증가, PKA 활성화가 순차적으로 일어난다. PKA는 되먹이 기전의 일환으로 Gs단백질 연계 막 수용체를 인산화시킨다. 인산화된 Gs단백질 연계 막 수용체는 Gs단백질 대신 Gi단백질과 결합하여 효과기 단백질인 adenylate cyclase 불활성화, cAMP 생산 억제, PKA 불활성화를 유발한다.

4.2 GPCR kinase (GRK)에 의한 인산화

GRK는 활성화된 G 단백질 연계 막 수용체를 인산화시키는 효소이다. GRK는 serine-threonine kinases로서 7개의 동위효소가 있다. GRK에 의해 G 단백질 연계 막 수용체가 인산화되면, 세포막에 싸여서 세포질로 전위되거나 arrestin과 결합하여 GPCR신호전달은 탈민감된다. 인산화된 수용체가 세포질로 전위되어 엔도좀을 형성하면, 엔도좀 내의 산성(pH4.8) 환경에 의해 수용체가 탈인산화되고 다시 안정화(재민감) 상태로 바뀌거나 엔도좀 내에서 단백질 분해효소에 의해 분해된다. 한편, arrestin과 결합한 GPCR은 더 이상 G 단백질과 결합하지 못하기 때문에 짧은 시간 동안 신호전달을 억제한다. 망막 rhodopsin이 밝은 빛에 노출되었을 때 시각을 상실하는 것은 이러한 조절 때문이다.

4.3 GPCR 신호전달의 종료

G 단백질에 내재된 GTPase에 의해서 GTP가 GDP로 바뀌면 GPCR신호전달이 종료된다. 이 화학 반응의 속도는 초당 0.02번(50초당 한 번) 일어날 정도로 아주 느리게 일어지만, G 단백질 신호전달 조절자(Regulator of G protein signaling, RGS)의 GTPase 활성 영역(GTPase-activating protein, GAP)이 결합하면 이 속도는 1,500배 정도 빨라져서 초당 30번 정도 일어난다. 즉 G 단백질이 G 단백질 신호전달 조절자와 결합하면 급속히 불활성화된다. G 단백질 신호전달 조절자는 현재 약 30개 정도 알려져 있다.

5. 결론

791종의 G 단백질 연계 막 수용체의 활성화는 상응하는 리간드의 종류에 따라 다르지만, 이들의 활성 기전은 대체로 비슷하다. 현대에 있어서 약물개발의 주요 목표는 수용체 선택성이 높은 약물을 찾아내는 것이다. G 단백질 연계 막 수용체만 하더라도 아직까지 400여 종이 고아수용체로 남아 있기 때문에 이들 리간드를 찾아내면 선택성이 높은 약물을 개발할 수 있을 것이다.

6. 참고문헌

==> PDF 참조

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