소포체 관련 단백질 분해

3. ERAD 유비퀴틴화 기구

소포체 막에 고정되어 있으며 RING 핑거를 포함하는 유비퀴틴 연결 효소인 Hrd1과 Doa10은 ERAD 과정에서 기질의 유비퀴틴화를 중재하는 핵심적인 역할을 한다. 또한, 꼬리 부분으로 막에 고정된 막 단백질인 Ubc6와, Ubc1 및 Cue1에 의존하여 막에 결합하는 Ubc7 역시 ERAD에 관여하는 유비퀴틴 연결 효소이다.

4. 검문 지점

소포체 관련 단백질 분해(ERAD)의 대상이 되는 기질 단백질은 매우 다양하기 때문에, ERAD 메커니즘 역시 여러 가지 변형된 형태가 있을 것으로 제안되어 왔다. 실제로 가용성 단백질, 막 단백질, 그리고 막횡단 단백질은 서로 다른 메커니즘에 의해 인식된다는 것이 확인되었다. 이러한 차이는 사실상 세 개의 서로 다른 검문소를 구성하는 세 가지 경로를 식별하게 만들었다.

• ERAD-C: 첫 번째 검문소로, 막 단백질의 세포질 쪽 도메인의 접힘 상태를 감시한다. 만약 세포질 도메인에서 결함이 발견되면, 이 검문소는 잘못 접힌 단백질을 제거하는 역할을 한다.
• ERAD-L: 세포질 도메인이 올바르게 접혔다고 확인된 막 단백질은 두 번째 검문소로 이동하여 소포체 내강 쪽 도메인이 감시된다. 이 경로는 ERAD-L이라고 불린다. ERAD-C 검문소를 통과한 막 단백질뿐만 아니라, 완전히 소포체 내강에 존재하여 첫 번째 검문소를 거치지 않는 가용성 단백질도 이 경로를 통해 검사받는다. 내강 도메인에서 문제가 감지되면, 해당 단백질은 잘못 접힌 단백질을 소포체에서 골지체로 운반하는 소포 수송 기전을 포함한 일련의 인자들을 통해 ERAD 처리를 받게 된다.
• ERAD-M: 단백질의 막횡단 도메인을 검사하는 세 번째 검문소도 보고되었다. 이는 ERAD-M 경로라고 불리지만, 앞서 설명한 두 경로(ERAD-C, ERAD-L)와 비교하여 어떤 순서로 작동하는지는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

5. ERAD 기능 이상과 관련된 질병

ERAD는 분비 경로의 핵심 요소이므로, ERAD 활동에 장애가 생기면 다양한 인간 질병을 유발할 수 있다. 이러한 장애는 두 그룹으로 분류할 수 있다.

첫 번째 그룹은 ERAD 구성 요소의 돌연변이 결과로 기능이 상실되는 경우이다. 기능을 상실한 구성 요소는 비정상적인 단백질을 더 이상 안정화하지 못하게 되어, 비정상 단백질이 축적되고 세포를 손상시킨다. 이러한 장애로 인한 질병의 예로는 파킨슨병이 있으며, 이는 파킨 유전자의 돌연변이에 의해 발생할 수 있다. 파킨은 CHIP과 복합체를 이루어 유비퀴틴 연결 효소로 기능하며, 잘못 접힌 단백질의 축적과 응집을 극복하는 역할을 한다.

두 번째 그룹은 분비 단백질 또는 막 단백질이 조기에 분해되어 발생하는 경우이다. 이로 인해 해당 단백질들은 낭성 섬유증의 경우처럼 원래 있어야 할 위치로 배치되지 못한다.

6. ERAD와 HIV

HIV는 숙주 세포의 단백질 분해 시스템인 ERAD 경로를 이용하여 자신의 생존에 유리한 환경을 만든다. 특히, HIV는 면역 반응에 중요한 역할을 하는 숙주 단백질인 CD4를 제거하기 위해 ERAD 기전을 활용한다.^[3] 일반적으로 CD4는 안정적인 단백질로 ERAD의 표적이 되기 어렵지만, HIV는 이를 극복하기 위해 Vpu라는 막 단백질을 생성한다.

HIV-1 바이러스의 Vpu 단백질은 소포체 막에 위치하며, 새로 만들어진 CD4 단백질이 세포막으로 이동하지 못하게 하고 소포체 내에 머물도록 유도한다. Vpu는 주로 CD4의 세포질 꼬리 부분에 SCFβ-TrCP 의존적인 유비퀴틴화를 유도하고, 막횡단 도메인(TMD) 상호작용을 통해 CD4를 소포체에 붙잡아 둔다.^[3] CD4의 특정 아미노산(Gly415)은 CD4와 Vpu의 상호작용에 기여하며, 여러 막횡단 도메인 매개 메커니즘을 통해 CD4 발현을 감소시켜 바이러스 병인 형성을 촉진한다. 이렇게 소포체에 갇힌 CD4는 정상적인 경로(RESET 경로)를 통해 세포막으로 이동하는 대신, 변형된 ERAD 경로의 표적이 된다.

Vpu는 자신이 인산화되어 E3 유비퀴틴 연결효소 복합체인 SCF^βTrCP가 결합할 수 있는 형태로 위장한다. HIV에 감염된 세포 내에서 SCF^βTrCP는 Vpu와 상호작용하고, Vpu는 이를 CD4 쪽으로 유도하여 CD4에 유비퀴틴 사슬이 붙도록 한다. 유비퀴틴화된 CD4는 세포질의 프로테아좀으로 보내져 분해된다.^[3] 흥미롭게도 이 과정에서 Vpu 자신은 분해되지 않고 계속해서 CD4를 제거하는 역할을 수행한다. 이는 HIV가 숙주의 면역 시스템을 회피하고 바이러스 복제를 촉진하는 중요한 전략 중 하나이다.

7. 미해결 과제

ERAD와 관련하여 아직 해결되지 않은 주요 질문들은 다음과 같다.

• 잘못 접힌 단백질을 어떻게 더 구체적으로 인식하는가?
• ERAD 기질, 특히 소포체 내강 기질과 막 기질을 역이동시키기 위해 어떻게 구별하는가?
• 역이동 과정은 효모에서 인간 시스템에 이르기까지 보존되는가?
• 소포체 내강 단백질의 역이동을 위한 채널은 무엇인가?
• 어떤 E3 리가아제가 최종적으로 단백질을 프로테아좀 분해를 위해 표지하는가?

참조

_[1] 논문 Mannose trimming is required for delivery of a glycoprotein from EDEM1 to XTP3-B and to late endoplasmic reticulum-associated degradation steps 2011-01
_[2] 논문 The E3 Ubiquitin Ligases HRD1 and SCFFbs2 Recognize the Protein Moiety and Sugar Chains, Respectively, of an ER‐Associated Degradation Substrate. 2006-09
_[3] 논문 Multilayered mechanism of CD4 downregulation by HIV-1 Vpu involving distinct ER retention and ERAD targeting steps 2010-04