가인산분해효소 키네이스

1. 개요

가인산분해효소 키네이스는 글리코겐 가인산분해효소를 인산화하여 글리코겐 분해를 촉진하는 효소이다. 1950년대 초 칼 코리와 거티 코리의 연구를 통해 효소 활성 조절의 중요성이 밝혀졌으며, 에드먼드 피셔와 에드윈 G. 크레브스는 간에서 이 효소를 정제하고 칼슘 이온에 의해 활성화된다는 것을 규명했다. 가인산분해효소 키네이스는 α, β, γ의 세 소단위체로 구성되며, ATP로부터 인산기를 기질인 세린 잔기로 전달하는 반응을 촉매한다. 유전자 돌연변이는 글리코겐 축적병과 같은 질병을 유발하며, 특히 X-연관 간 글리코겐 축적병과 관련이 있다. 가인산분해효소 키네이스 연구는 바이오헬스 산업 육성 및 국민 건강 증진에 기여하며, 글리코겐 축적병과 같은 희귀 질환에 대한 사회적 관심을 높이는 데에도 영향을 미친다.

2. 역사

가인산분해효소 키네이스(PhK)는 1950년대에 에드윈 G. 크렙스, 도널드 J. 그레이브스, 에드먼드 H. 피셔에 의해 처음으로 분리되고 상세하게 연구된 최초의 단백질 키네이스이다. 당시 과학계는 세포 내 과정 조절에서 단백질 인산화의 중요성을 거의 인식하지 못했으며, 많은 연구자들은 인산화된 단백질을 생물학적으로 중요하지 않은 것으로 여기기도 했다. 그러나 인산화에 의한 단백질의 공유결합적 변형은 다양한 세포 과정에서 생화학적 조절을 위한 광범위하고 중요한 방법임이 밝혀지면서, 인산화의 발견은 조절 메커니즘에 대한 과학적 이해에 큰 영향을 미쳤다.

가인산분해효소 키네이스의 기질인 글리코겐 가인산분해효소는 1930년대에 칼 코리와 거티 코리 부부에 의해 처음 분리되었다. 이들은 글리코겐 가인산분해효소에 두 가지 형태, 즉 활성이 없는 b형과 활성을 가진 a형이 존재한다는 사실을 확인했다. 하지만 당시에는 알 수 없는 이유로 근육 조직에서 활성 형태인 글리코겐 가인산분해효소 a를 분리하려면 반드시 종이 여과 방법을 사용해야 했고, 원심분리와 같은 다른 방법으로는 분리할 수 없었다. 피셔 연구팀은 이러한 현상이 여과지에 포함된 칼슘 이온 때문이라는 결정적인 사실을 밝혀냈다. 이후 연구를 통해 칼슘 이온이 실제로 가인산분해효소 키네이스의 δ 조절 소단위체에 결합하여 효소를 활성화시키고, 결과적으로 글리코겐 가인산분해효소의 인산화를 유도한다는 사실이 증명되었다.

3. 유전자

가인산분해효소 키네이스는 여러 소단위체로 구성되며, 각 소단위체는 다음 유전자에 의해 암호화된다.
* α 소단위체: PHKA1, PHKA2
* β 소단위체: PHKB
* γ 소단위체: PHKG1, PHKG2

4. 메커니즘

가인산분해효소 키네이스(PhK)의 촉매 메커니즘에 대한 정확한 세부 사항은 아직 완전히 밝혀지지 않았으며 연구가 진행 중이다. PhK는 50여 년 전에 처음 분리되었지만, 그 크기가 매우 크고 구조가 복잡하여 메커니즘을 상세히 연구하는 데 상당한 어려움이 따른다.

PhK의 활성 부위는 단백질 키네이스 A(PKA, cAMP 의존성 키네이스)와 같은 P-루프 단백질 키네이스와 상당한 상동성을 보인다. 하지만 일반적으로 활성화되기 위해 활성 부위의 세린이나 티로신 잔기의 인산화가 필요한 다른 단백질 키네이스와 달리, PhK의 촉매 γ 소단위체는 음전하를 띤 글루탐산 잔기인 Glu¹⁸²의 존재로 인해 항상 활성화되어 있다.

현재까지의 구조적, 생화학적 연구 결과들은 PhK가 글리코젠 가인산분해효소를 인산화하는 가능한 작용 메커니즘 중 하나로, 아데노신 삼인산(ATP)으로부터 기질인 세린으로 인산기를 직접 전달하는 방식을 시사한다.

5. 구조

가인산분해효소 키네이스는 1.3 MDa 크기의 16량체 홀로효소이다. 하지만 mRNA 스플라이싱을 통해 다양한 소단위체 동형체가 치환될 수 있어 크기는 약간씩 달라질 수 있다. 이 효소는 각각 4개의 소단위체(α, β, δ, γ)로 이루어진 4개의 동종사량체로 구성된다.

이 중 γ 소단위체만이 촉매 활성을 가지며, 나머지 α, β, δ 소단위체는 조절 기능을 수행한다. 용액 상태에서 조절 소단위체들이 불안정하기 때문에, γ 소단위체만이 단독으로 결정화 구조가 밝혀져 있다.

전체적으로 가인산분해효소 키네이스의 소단위체들은 D2 대칭을 이루며, "나비" 모양으로 묘사된 것처럼 서로 등을 맞댄 두 개의 로브(lobe) 형태로 배열되어 있다. 각 로브는 앞서 언급된 αβδγ 소단위체로 구성된 사량체 두 개로 이루어진다.

소단위체 중 δ 소단위체는 세포 내 [[칼모둘린]]과 구별할 수 없는 단백질이다. 한편, α 소단위체와 β 소단위체는 서로 가까운 상동체이며, 이는 유전자 중복과 이후의 분화를 통해 발생한 것으로 제안된다.

6. 생물학적 기능 및 조절

생리학적으로 가인산분해효소 키네이스(PhK)는 글리코젠 가인산분해효소를 인산화하고 활성 입체구조를 안정화시켜, 글리코젠을 유리 포도당 1-인산으로 분해하는 과정을 촉진하는 중요한 역할을 한다. 이 효소의 활성은 간과 근육 세포에서 특히 중요하지만, 그 목적은 다소 다르다. 근육 세포는 주로 즉각적인 활동에 필요한 에너지를 얻기 위해 글리코젠을 분해하는 반면, 간세포는 혈류의 포도당 농도를 일정하게 유지하는 역할을 담당한다. 따라서 가인산분해효소 키네이스 활성의 조절 메커니즘은 세포 유형에 따라 차이가 있다.

일반적으로 이 효소는 다른 자리 입체성 조절 및 가역적 인산화에 의해 조절된다. 호르몬, 신경 자극, 근육 수축 등은 칼슘 이온(Ca²⁺)의 방출을 유도한다. 이 칼슘 이온은 다른 자리 입체성 활성인자로 작용하여 가인산분해효소 키네이스의 δ 소단위체에 결합하고, 이를 통해 효소 활성을 부분적으로 높인다. 이 결합은 효소 단백질의 활성 형태를 부분적으로 안정화시킨다. 가인산분해효소 키네이스는 β 소단위체와 α 소단위체가 단백질 키네이스 A(PKA)에 의해 인산화되고, 동시에 δ 소단위체에 칼슘 이온이 결합할 때 완전히 활성화된다.

근육 세포에서는 에피네프린이 세포 표면의 β-아드레날린작동성 수용체에 결합하면서 시작되는 cAMP 매개 세포 신호전달 캐스케이드의 결과로, 단백질 키네이스 A(PKA)가 α 소단위체와 β 소단위체를 인산화한다. 또한, 근육이 수축할 때 근소포체로부터 칼슘 이온이 방출되는데, 이 칼슘 이온이 억제 기능을 가진 δ 소단위체에 결합하여 그 기능을 억제함으로써 가인산분해효소 키네이스(PhK)를 완전히 활성화시킨다.

간세포에서는 조절 과정이 다소 더 복잡하다. 글루카곤과 에피네프린 모두 cAMP-PKA 캐스케이드를 유발하여 PKA를 활성화시킬 수 있다. 추가적으로, 에피네프린은 α-아드레날린작동성 수용체에도 결합하여 포스포이노시타이드 캐스케이드를 활성화시키고, 이는 소포체로부터 Ca²⁺ 방출을 유도한다. 이렇게 방출된 칼슘 이온 역시 δ 소단위체에 결합하여 PhK 활성화에 기여한다.

세포가 글리코젠 분해를 멈춰야 할 필요가 생기면, 가인산분해효소 키네이스는 단백질 인산가수분해효소 1(PP1)과 단백질 인산가수분해효소 2(PP2)에 의해 탈인산화된다. 이 과정을 통해 인산화되었던 α 소단위체와 β 소단위체에서 인산기가 제거되어, 효소는 다시 원래의 비활성 입체배치로 돌아가게 된다.

7. 질병과의 관계

가인산분해효소 키네이스 유전자의 결함은 간 및 근육에 영향을 미칠 수 있는 글리코젠 축적병 IX형(GSD IX형) 및 글리코젠 축적병 VI형(이전의 GSD VIII형)의 원인이다. 이러한 유전자 결함 중에서 가장 흔한 것은 X-연관 간 글리코젠 축적병(XLG)으로, 이는 XLG I과 XLG II로 세분화될 수 있다. 임상적으로 이러한 질병은 유년기 신체 발달이 느리고 간이 비정상적으로 비대해지는 현상으로 나타난다. XLG I에서는 가인산분해효소 키네이스의 활성이 혈액 세포와 간세포 모두에서 비정상적으로 감소하는 반면, XLG II에서는 효소 활성이 간세포에서만 감소한다. 이들 질병은 둘 다 가인산분해효소 키네이스의 α 소단위체를 암호화하는 PHKA2 유전자의 돌연변이로 인해 발생한다. XLG I의 경우 돌연변이는 종종 기형의 불안정한 α 소단위체를 초래하는 넌센스 돌연변이인 반면, XLG II의 돌연변이는 소단위체를 덜 심각하게 변경하는 미스센스 돌연변이인 경향이 있다. 생물정보학 및 구조 데이터를 기반으로 일부에서는 α 소단위체 및 β 소단위체가 글리코아밀레이스와 유사한 촉매 활성을 가질 수 있으며, α 소단위체의 이러한 영역에 있는 미스센스 돌연변이가 XLG II 증상에 기여할 수 있다고 제안했다. 그러나 제안된 촉매 활성은 아직 직접적으로 입증되지 않았다.