바이오인

 미토콘드리아의 칼슘이온 흡수 기작에 대한 이해

유지호(중앙대학교 약학대학 약학과)

서론

미토콘드리아가 칼슘 이온을 흡수하고 저장할 수 있다는 사실은 약 60년전부터 알려진 사실이다 [1,2]. 1960년대부터 이루어진 연구들은 미토콘드리아가 세포내의 칼슘 이온 농도를 조절하는 주요 세포 소기관중 하나로, 칼슘 이온의 항상성 유지에 중요한 역할을 담당하고 있으며, 이러한 미토콘드리아의 칼슘 이온 농도 조절에 결함이 생길 경우 질병으로도 이어질 수 있다는 사실들을 보여주었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 미토콘드리아에서 칼슘 이온의 이동에 관련된 단백질을 규명하려는 연구가 진행되었으며, 미토콘드리아의 칼슘 이온의 이동을 선택적으로 억제하는 억제제도 개발되었다. 그럼에도 불구하고 미토콘드리아에서 칼슘 흡수 및 이동의 역할을 담당하는 단백질이 무엇인지는 오랫동안 알려지지 않았다. 2009년에 미토콘드리아의 Calcium/proton exchanger 단백질 (LetM1)이 처음으로 규명되었고 [3] 이 후에 Sodium/Calcium exchanger 단백질 (NCLX)이 발견되어 미토콘드리아의 칼슘 이온 배출에 대해 더욱 자세히 알 수 있었다 [4]. 그리고 MICU1 단백질도 발견되어, 미토콘드리아가 주변의 칼슘 이온 농도에 따라 칼슘을 흡수할 수 있다는 사실도 규명되었다 [5]. 2011년에는 미토콘드리아의 칼슘 흡수를 담당하는 이온 통로인 mitochondrial calcium uniporter (MCU)가 발견되었으며 이 이온 통로가 Ruthenium Red에 의해 칼슘 흡수가 선택적으로 저해되는 사실 또한 밝혀졌다 [6,7]. 2011년 이후에는 MCUb, MICU2, MCUR1, EMRE등의 단백질이 추가적으로 발견되어 미토콘드리아의 칼슘 흡수가 단일 단백질에 의해 진행되는 것이 아니라 거대한 복합체 (MCU holo-complex)를 통해 칼슘 이온을 흡수하는 개념으로 정리 되었다 [8-12]. 이 글에서는 미토콘드리아의 칼슘 이온 흡수에 중요한 역할을 담당하는 MCU holo-complex를 구성하는 주요 단백질들의 구조를 통해 어떻게 이 단백질들이 미토콘드리아에서 칼슘을 흡수하는데 작용하는지에 대해 소개하고자 한다.

MCU (mitochondrial calcium uniporter)

미토콘드리아에서 칼슘 이온 흡수의 주요 통로인 MCU holo-complex는 여러 단백질로 구성되어 있다. 이 중, MCU는 MCU holo-complex에서 칼슘 이온이 이동하는 pore를 구성하는 단백질이다. 약 40KDa의 크기를 가지고 있으며 미토콘드리아의 내막 (IMM, inner mitochondrial membrane)에 위치하고 있다. 그림 1과 같이, 최근 규명된 MCU의 구조는 MCU가 N말단에 하나의 N-terminal domain (NTD)을 가지고 있으며 미토콘드리아의 내막에 두 개의 transmembrane domain (TMD)을 가지고 있음을 보여준다 [13-16]. 그리고 MCU는 NTD와 TMD 사이, 그리고 C말단에 colied-colied domain (CCD)를 각각 하나씩, 총 두 개를 가지고 있다. 칼슘 이온의 흡수에 가장 중요한 아미노산들은 두 개의 TMD 사이에 존재하는 loop에 존재한다. 인간의 MCU의 경우, 이 loop에 'DIME' motif가 있으며 이 motif의 'Asp'와 'Glu'는 다른 종의 MCU에서도 매우 높은 보존도를 보인다 [6,7]. 다른 종 역시 이 motif를 가지고 있으며 'Asp'와 'Glu'를 제외한 가운데 두 아미노산은 종에 따라 매우 다르다 (DxxE motif, x는 임의의 아미노산). 이 loop은 미토콘드리아의 외막과 내막 사이의 공간 (mitochondrial interspace)에 노출되어있어 이 공간에 존재하는 칼슘이온과 선택적으로 결합하여 칼슘이온을 미토콘드리아의 매트릭스 (mitochondrial matrix)로 이동시킬수 있다.

그림 1. MCU의 Cryo-EM 구조 [14].

A. MCU의 구성. N말단에 NTD가 있으며 첫번째 coiled-coil domain (CCD)가 NTD와 첫번째 TMD사이를 이어주고 있다. 두 TMD 사이에 'DIME' 가 존재하고 있으며 이 후, 두번째 TMD와 CCD가 위치하고 있다.

B. MCU의 'DIME' motif. 이 motif의 첫번째 Asp가 칼슘이온과 결합할 수 있으며 Glu을 통해 칼슘이온만을 선택적으로 미토콘드리아의 매트릭스 쪽으로 이동시킨다.

MCU는 두 개의 TMD만을 가지고 있기때문에 이들만으로 칼슘 이온 흡수를 위한 pore를 구성하는 것이 불가능하다. 그러므로 MCU는 oligomer를 형성하여 칼슘이온을 흡수할 수 있는 pore를 구성할 것으로 오랫동안 예상하였으며, 특히 'DxxE' motif의 아미노산들이 칼슘 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 'selective filter'를 구성할 것으로 예측하였다. 이러한 예상은 MCU의 Cryo-EM구조를 통해 확인되었는데, 규명된 구조를 통해 oligomer를 이룬 MCU에서 'DxxE' motif가 어떻게 칼슘 이온을 선택적으로 통과시키는지에 대해 알 수 있었다 [13-16]. MCU는 tetramer를 형성하고 있으며 TMD와 NTD가 모두 tetramer를 이루는데 필요한 결합을 형성하고 있다. 이러한 결합을 통해 만들어진 tetramer에서 'DxxE' motif의 Asp와 Glu가 4-fold symmetry에 따라 위치하게 되는데, 이 아미노산의 배열을 통해 만들어진 구조가 칼슘 이온만을 선택적으로 결합할 수 있는 형태를 띤다 [그림 2]. Asp의 경우, 각 Asp사이의 거리가 길기 때문에 수화된 형태의 칼슘 이온등과 결합할 수 있을 것으로 예측된다. Glu의경우는 이와 반대로 각 Glu의 거리가 5~6Å정도로, 칼슘 이온이 여기에 위치할 경우, 2.5~2.8Å의 결합 거리를 Glu와 유지할 수 있다. 그러므로 4-fold symmetry에 따라 배열된 Glu를 통해 탈수화된 칼슘 이온만이 선택적으로 미토콘드리아 매트릭스쪽으로 이동할 수 있다.

그림 2. MCU의 selective filter의 모습 [14].

A. MCU에서 칼슘 이온의 이동 경로를 크게 세부분으로 (S1, S2, S3) 나눌수 있고 여기서 S1와 S2는 'DIME' motif의 Asp와 Glu에 의해 구성된다. S2의 Glu이 칼슘이온과 직접 결합하고 있는 것을 구조에서 확인할 수 있다.

B. MCU의 tetramer 구조에서의 selective filter의 모습. MCU의 tetramer는 4-fold symmetry를 보여주고 있으며, 이에 따라 'DIME' motif의 Asp와 Glu도 S1과 S2의 위치에서 symmetry에 따라 배열되어 있다. 이렇게 배열된 Asp와 Glu는 선택적으로 칼슘 이온과 결합이 가능하다. S2에서 4개의 Glu가 칼슘 이온과 결합하고 있는 모습을 확인할 수 있다.

EMRE (Essential MCU regulator element)

EMRE는 10KDa의 크기를 가진 작은 단백질로 하나의 transmembrane segment 만으로 이루어져 있어 매우 단순한 구조를 가지고 있다. EMRE는 현재까지 metazoan에서만 존재하는 것으로 알려져 있으며 이외의 다른 eukaryote에서는 (예: 곰팡이, 식물등…) 발견되지 않고 있다 [11]. EMRE의 유전자를 knock-out시키게 되면 MCU를 통한 칼슘 이온의 이동이 억제되며, EMRE를 과발현 시켰을 경우, 과도한 양의 칼슘 이온이 미토콘드리아 내부로 들어가게 되어 세포사멸을 유발한다 [11]. 그러나 EMRE가 어떻게 MCU와 결합하여 미토콘드리아의 칼슘 흡수를 촉진하는지는 알려지지 않았으나 최근에 MCU-EMRE의 결합 구조가 규명되어 EMRE의 분자적 메커니즘에 대해 알 수 있었다 [17].

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