V형 ATP가수분해효소

3. V-ATPase의 구조

V형 ATP가수분해효소(V-ATPase)는 크게 막에 결합된 V_o 도메인과 세포질 쪽에 위치한 V₁ 도메인으로 구성된다. 효모의 V형 ATP가수분해효소가 가장 잘 알려져 있으며, 최소 13개의 서브유닛으로 구성된다.^[7]

V_o 도메인은 막에 결합되어 있으며 a, d, c, c', c", e의 6개 서브유닛을 포함한다. V₁ 도메인은 세포질 쪽에 위치하며, A부터 H까지 8개의 서브유닛을 가진다. V₁ 도메인은 ATP 가수분해를, V_o 도메인은 양성자 이동을 담당한다. ATP 가수분해로 인해 중앙 스토크가 회전하고, 이는 a 서브유닛에 대한 c 서브유닛 배럴의 회전을 유발한다.

극저온 전자 현미경 및 음성 염색을 통해 V형 ATP가수분해효소의 복합 구조가 밝혀졌는데,^[8][9][10] 이는 3개의 고정자(stator) 네트워크를 가지며 V₁ 및 V_o 도메인을 분리하는 동시에 중앙 로터 축과 상호 작용한다. ATP 가수분해는 c 서브유닛 배럴이 a 서브유닛을 지나 이동하게 하여 막을 가로지르는 양성자 수송을 유발한다.

효모 V형 ATP가수분해효소의 조립에는 Vma12p, Vma21p, Vma22p와 같은 관련 단백질이 필요하다.^{[12][13][14][15]} Vma21p는 V_o 서브유닛 조립을 조절하고 골지체로의 운송을 돕는다.^[19]

3. 1. V₁ 도메인

3. 1. 1. 서브유닛 C

3. 1. 2. 서브유닛 E, G

3. 1. 3. 서브유닛 H

3. 2. V_o 도메인

3. 2. 1. 서브유닛 a/I

3. 2. 2. 서브유닛 d/C

3. 2. 3. 서브유닛 c

4. V-ATPase의 조립

효모 V형 ATP가수분해효소의 구조적 서브유닛 외에 조립에 필요한 관련 단백질도 확인되었다. 이 관련 단백질들은 V_o 도메인 조립에 필수적이며 Vma12p, Vma21p, Vma22p로 불린다.^{[12][13][14][15]} 이 중 Vma12p와 Vma22p는 Vph1p(서브유닛 a)에 일시적으로 결합하여 조립 및 성숙을 돕는 복합체를 형성한다.^{[1][16][17][18]} Vma21p는 V_o 서브유닛의 조립을 조절하고 V_o 도메인이 골지체로 운송되기 위한 소포로의 이동을 돕는다.^[19]

효모 V형 ATP가수분해효소는 하위단백질 H와 c"를 제외한 다른 하위단백질 유전자가 삭제되면 조립에 실패한다.^[26][27][28] 하위단백질 H가 없으면 조립된 V형 ATP가수분해효소는 활성을 띄지 못하며,^[1][29] c" 하위단백질의 손실은 효소 활성의 분리를 초래한다.^[1]

V형 ATP가수분해효소의 조립 기작은 아직 논란의 여지가 있으며, 독립적인 조립과 단계적인 조립 두 가지 가능성이 제시되고 있다. 돌연변이 분석과 ''생체 외'' 분석을 통해 미리 조립된 V_o 및 V₁ 도메인이 독립적으로 조립되어 하나의 복합체를 형성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 독립적인 조립을 지지하는 증거로는 조립된 V_o 도메인이 V₁ 도메인이 없는 상태에서도 액포에서 발견될 수 있으며, 자유 V₁ 도메인은 세포질에서 발견되지만 액포에서는 발견되지 않는다는 점이 있다.^[30][31] 반면, ''생체 내'' 펄스 추적 실험에서는 V_o 및 V₁ 하위단백질, 특히 a 및 B 하위단백질 간의 초기 상호작용이 밝혀져, 하위단백질이 단계적으로 추가되는 일련의 조립 과정을 통해 하나의 복합체를 형성한다는 것을 시사한다.^[32]

5. V-ATPase의 진화

유전자 부활이라는 비교적 새로운 기술은 V형 ATP가수분해효소의 진화 역사에 새로운 빛을 비추고 있다. 두 개의 다른 단백질로 구성된 조상 형태의 V형 ATP가수분해효소 구조가 세 개의 다른 단백질을 가진 곰팡이 버전으로 어떻게 진화했는지 밝혀졌다.^[33][34][35] V형 ATP가수분해효소는 고세균(소위) A형 ATP 합성효소와 유사하며, 이는 진핵생물의 고세균 기원(Eocyte 가설, Lokiarchaeota 참조)을 뒷받침하는 사실이다. F형 ATP가수분해효소를 가진 일부 고세균 계통과 A형 ATP가수분해효소를 가진 일부 박테리아 계통의 예외적인 발생은 수평 유전자 전달의 결과로 여겨진다.^[36]

6. V-ATPase 활성 조절

V형 ATP가수분해효소는 콘카나마이신(concanamycin, CCA) 및 발리포마이신 A1^영어과 같은 마크로라이드 항생제에 의해 특이적으로 억제되는 것으로 알려져 있다.^[37] V형 ATP가수분해효소 활성의 ''생체 내'' 조절은 V₁ 도메인을 V_o 도메인으로부터 가역적으로 해리시킴으로써 이루어진다. 초기 조립 후, 곤충 ''점박이담배나방''과 효모 V형 ATP가수분해효소는 포도당을 2~5분 동안 고갈시킨 후 자유 V_o 및 V₁ 도메인으로 가역적으로 분해될 수 있다. 가역적 분해는 효모와 곤충에 존재하므로 V형 ATP가수분해효소 활성을 조절하는 일반적인 메커니즘일 수 있다. 재조립은 RAVE(액포 및 엔도솜 막의 H⁺-ATP가수분해효소 조절자)라고 하는 복합체에 의해 도움을 받는 것으로 제안된다.^[38] V형 ATP가수분해효소의 분해 및 재조립에는 새로운 단백질 합성이 필요하지 않지만 손상되지 않은 미세소관 네트워크가 필요하다.^[39]

7. V-ATPase 관련 인간 질병

V-ATPase의 기능 이상은 다양한 질병을 유발할 수 있다.

• 골다공증 (Osteopetrosis): 파골세포의 뼈 흡수 결함으로 발생하는 유전 질환이다. V-ATPase의 a3 서브유닛 이소형 돌연변이는 열성 유아 악성 골다공증 환자의 약 50%에서 발견된다.^[1][45][46]
• 원위 신세뇨관 산증 (Distal renal tubular acidosis, dRTA): 신장이 소변을 적절하게 산성화하지 못하는 질환이다. V-ATPase 서브유닛 B1 또는 a4 아이소폼의 돌연변이가 원인이 될 수 있다.^[1][50][51] a4 서브유닛 돌연변이는 내림프 산성화 실패로 인한 난청과 관련될 수 있다.^[1]
• X-연관 과도 자가포식 근육병 (X-linked myopathy with excessive autophagy, XMEA): VMA21 유전자 변이로 발생하는 희귀 유전 질환으로, V-ATPase 활성 감소와 리소좀 pH 증가를 초래한다.^[53]

7. 1. 골다공증 (Osteopetrosis)

7. 2. 원위 신세뇨관 산증 (Distal renal tubular acidosis, dRTA)

7. 3. X-연관 과도 자가포식 근육병 (X-linked myopathy with excessive autophagy, XMEA)

참조

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