엑소좀 복합체

1. 개요

엑소좀 복합체는 RNA 분해 효소인 RNase로 구성된 복합체로, 1997년 효모에서 처음 발견되었다. 엑소좀 복합체는 링 구조를 이루는 6개의 단백질을 핵심으로 하며, 부속 단백질과 조절 단백질을 포함한다. 엑소좀 복합체는 3'-5' 엑소리보핵산분해효소 활성을 통해 mRNA의 턴오버, snRNA 처리 등 다양한 RNA 종의 분해 및 처리에 관여하며, 세포 RNA 품질 관리에 중요한 역할을 한다. 엑소좀 복합체는 자가면역 질환의 자가항체 표적이 되거나, 암 치료 및 신경 질환과 관련되기도 한다.

2. 발견

엑소좀은 모델 생물인 출아 효모 사카로마이세스 세레비지애에서 1997년 처음 리보뉴클레아제(RNase)로 발견되었다. 1999년에는 엑소좀이 실제로 인간 세포에서 이미 기술된 복합체, 즉 수년 전에 특정 자가면역 질환 환자에서 자가항원으로 확인된 PM/Scl 복합체의 효모와 동일한 것임이 밝혀졌다. 이 PM/Scl 복합체의 정제를 통해 더 많은 인간 엑소좀 단백질을 식별할 수 있었고, 결국에는 복합체의 모든 구성 요소를 특성화할 수 있었다. 2001년에는 이용 가능한 게놈 데이터의 양이 증가하면서 고세균에서 엑소좀 단백질을 예측할 수 있었지만, 고세균 유기체에서 첫 번째 엑소좀 복합체를 정제하기까지는 2년이 더 걸렸다.

3. 구조

엑소좀 복합체는 여러 단백질 소단위로 구성된 복잡한 구조를 가진다.

중심에는 RNase PH 유사 단백질에 속하는 6개의 단백질이 고리 모양을 이루고 있다. 고세균에는 Rrp41과 Rrp42 두 종류의 PH 유사 단백질이 번갈아 세 번씩 나타난다. 진핵 엑소좀 복합체는 고리 구조를 형성하는 6개의 서로 다른 단백질을 가지는데, 이 중 3개는 고세균 Rrp41 단백질과 유사하고, 나머지 3개는 고세균 Rrp42 단백질과 더 유사하다.

이 고리 위에는 S1 RNA 결합 도메인(RBD)을 가진 3개의 단백질이 있으며, 이 중 2개는 K-동족성(KH) 도메인을 가진다. 진핵생물에서는 3개의 서로 다른 "S1" 단백질이 고리에 결합하지만, 고세균에서는 1개 또는 2개의 다른 "S1" 단백질이 엑소좀의 일부가 될 수 있다 (항상 3개의 S1 아단위가 부착됨).

이 고리 구조는 RNase PH 및 PNPase 단백질의 구조와 매우 유사하다. tRNA 처리에 관여하는 박테리아의 RNase PH는 6개의 동일한 RNase PH 단백질로 구성된 육합체 고리를 형성한다. 세균, 엽록체, 미토콘드리아에서 발견되는 인산화 RNA 분해 단백질인 PNPase는 3량체 복합체를 형성하며 엑소좀과 거의 동일한 구조를 가진다. 이러한 단백질 도메인과 구조의 유사성 때문에, 이들 복합체는 진화적으로 관련되어 있으며 공통 조상을 가진 것으로 여겨진다. RNase PH 유사 엑소좀 단백질, PNPase, RNase PH는 모두 RNase PH 계열의 RNase에 속하며, 3' 말단에서 RNA 분자로부터 뉴클레오티드를 제거하기 위해 무기 인산염을 사용하는 인산 분해성 엑소리보뉴클레아제이다.

진핵생물의 엑소좀 복합체에는 Rrp44 (Dis3/Dis3L1)와 Rrp6 (PM/Scl-100)와 같은 추가적인 단백질이 결합하여 기능한다. RNase R 계열의 가수분해성 엑소리보뉴클레아제인 Rrp44는 엑소리보뉴클레올리틱 효소일 뿐만 아니라 단백질의 별개 도메인에 존재하는 엔도리보뉴클레올리틱 활성도 가지고 있다. 효모에서 Rrp44는 모든 엑소좀 복합체와 연관되어 있으며 효모 엑소좀 복합체의 활성에 중요한 역할을 한다. 인간에게는 세 개의 Rrp44 상동체가 있으며 이 중 두 개(세포질에 위치하는 DIS3L1, 핵에 위치하는 DIS3)가 엑소좀 복합체와 연관될 수 있다. RNase D 단백질 계열에 속하는 가수분해성 엑소리보뉴클레아제인 Rrp6 (인간에서는 PM/Scl-100)는 세포 핵 내 엑소좀 복합체의 가장 일반적인 구성 요소이지만, 세포질 엑소좀 복합체의 일부를 형성할 수도 있다.

엑소좀 복합체는 활성과 기질 특이성을 조절하기 위해 다양한 조절 단백질과 상호작용한다. 세포질에서 엑소좀은 AU-리치 요소 (ARE) 결합 단백질(예: KRSP, TTP)과 상호작용하여 mRNA 분해를 촉진하거나 방지할 수 있다. 핵 엑소좀은 특정 기질 처리에 필요한 RNA 결합 단백질(예: 인간/효모의 MPP6/Mpp6 및 C1D/Rrp47)과 연관된다.

단일 단백질 외에도 다른 단백질 복합체가 엑소좀과 상호작용한다. 그 중 하나는 RNA 헬리케이스 (Ski2)를 포함하고 mRNA 분해에 관여하는 세포질 스키 복합체이다. 핵에서 엑소좀에 의한 rRNA 및 snoRNA 처리는 RNA 헬리케이스 (Mtr4)와 폴리아데닐화 (Trf4) 활성을 모두 포함하는 TRAMP 복합체에 의해 매개된다.

3.1. 중심 단백질

복합체의 핵심은 RNase PH 유사 단백질에 속하는 6개의 단백질로 구성된 고리 모양 구조이다. 고세균에는 두 개의 다른 PH 유사 단백질(Rrp41 및 Rrp42)이 번갈아 가며 세 번씩 존재한다. 진핵 엑소좀 복합체는 고리 구조를 형성하는 6개의 다른 단백질을 가진다. 이 6개의 진핵 단백질 중 3개는 고세균 Rrp41 단백질과 유사하며, 다른 3개는 고세균 Rrp42 단백질과 더 유사하다.

이 고리의 맨 위에는 S1 RNA 결합 도메인(RBD)을 가진 3개의 단백질이 있다. 또한 두 개의 단백질은 K-동족성(KH) 도메인을 가진다. 진핵생물에서는 3개의 다른 "S1" 단백질이 고리에 결합하는 반면, 고세균에서는 1개 또는 2개의 다른 "S1" 단백질이 엑소좀의 일부가 될 수 있다(복합체에는 항상 3개의 S1 아단위가 부착됨).

이 고리 구조는 RNase PH 및 PNPase 단백질의 구조와 매우 유사하다. 박테리아에서 tRNA 처리에 관여하는 RNase PH는 6개의 동일한 RNase PH 단백질로 구성된 육합체 고리를 형성한다. PNPase는 일부 진핵생물 유기체의 세균, 엽록체, 미토콘드리아에서 발견되는 인산화 RNA 분해 단백질인데, 두 개의 RNase PH 도메인과 S1 및 KH RNA 결합 도메인이 단일 단백질의 일부이며, 엑소좀과 거의 동일한 구조를 채택하는 삼합체 복합체를 형성한다. 단백질 도메인과 구조의 유사성 때문에, 이러한 복합체는 진화적으로 관련되어 있으며 공통 조상을 가진 것으로 여겨진다. RNase PH 유사 엑소좀 단백질, PNPase, RNase PH는 모두 RNase PH 계열의 RNase에 속하며, 3' 말단에서 RNA 분자로부터 뉴클레오티드를 제거하기 위해 무기 인산염을 사용하는 인산 분해성 엑소리보뉴클레아제이다.

3.2. 부속 단백질

진핵생물의 엑소좀 복합체에는 Rrp44 (Dis3/Dis3L1)와 Rrp6 (PM/Scl-100)와 같은 추가적인 단백질이 결합하여 기능한다.

RNase R 계열의 가수분해성 엑소리보뉴클레아제인 Rrp44는 엑소리보뉴클레올리틱 효소일 뿐만 아니라 단백질의 별개 도메인에 존재하는 엔도리보뉴클레올리틱 활성도 가지고 있다. 효모에서 Rrp44는 모든 엑소좀 복합체와 연관되어 있으며 효모 엑소좀 복합체의 활성에 중요한 역할을 한다. 2010년에는 인간에게 세 개의 Rrp44 상동체가 있으며 이 중 두 개(세포질에 위치하는 DIS3L1, 핵에 위치하는 DIS3)가 엑소좀 복합체와 연관될 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

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RNase D 단백질 계열에 속하는 가수분해성 엑소리보뉴클레아제인 Rrp6 (인간에서는 PM/Scl-100)는 세포 핵 내 엑소좀 복합체의 가장 일반적인 구성 요소이지만, 세포질 엑소좀 복합체의 일부를 형성할 수도 있다.

3.3. 조절 단백질

엑소좀 복합체는 다양한 조절 단백질과 상호작용하여 활성과 기질 특이성을 조절한다. 세포질에서 엑소좀은 AU-리치 요소 (ARE) 결합 단백질(예: KRSP, TTP)과 상호작용하여 mRNA 분해를 촉진하거나 방지할 수 있다. 핵 엑소좀은 특정 기질 처리에 필요한 RNA 결합 단백질(예: 인간/효모의 MPP6/Mpp6 및 C1D/Rrp47)과 연관된다.

단일 단백질 외에도 다른 단백질 복합체가 엑소좀과 상호작용한다. 그 중 하나는 RNA 헬리케이스 (Ski2)를 포함하고 mRNA 분해에 관여하는 세포질 스키 복합체이다. 핵에서 엑소좀에 의한 rRNA 및 snoRNA 처리는 RNA 헬리케이스 (Mtr4)와 폴리아데닐화 (Trf4) 활성을 모두 포함하는 TRAMP 복합체에 의해 매개된다.

4. 기능

엑소좀 복합체는 3'-5' 엑소리보핵산분해효소 활성을 가지며, RNA 분자를 3' 말단에서 분해한다. 엑소좀 복합체에 포함된 엑소리보핵산분해효소는 인산분해효소(RNase PH 유사 단백질)이거나 가수분해효소(RNase R 및 RNase D 도메인 단백질)이다. 인산분해 효소는 무기 인산을 사용하여 인산디에스터 결합을 절단하여 뉴클레오타이드 이인산을 방출한다. 가수분해 효소는 물을 사용하여 이러한 결합을 가수분해하여 뉴클레오타이드 일인산을 방출한다.

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엑소좀 복합체는 세포의 세포질에서 전령 RNA(mRNA) 분해에 관여하는데, 넌센스 매개 분해나 논스톱 분해 경로를 통해 오류가 있는 mRNA를 분해하거나, 정상적인 턴오버 과정에서 mRNA를 분해한다. mRNA의 3' 비번역 영역에 결합하여 mRNA의 안정성을 조절하는 단백질들과도 상호작용한다. 세포 핵에서는 여러 작은 핵 RNA 분자의 정확한 처리에 필요하며, 핵소체에서는 5.8S 리보솜 RNA(rRNA) 및 여러 작은 핵소체 RNA 처리에 관여한다.

엑소좀 복합체는 비정상적인 RNA 분자를 제거하는 RNA 품질 관리에도 중요한 역할을 한다. 진핵생물은 핵에서 나오기 전에 미처리 및 잘못 처리된 RNA-단백질 복합체(예: 리보솜)를 인식하는 고도로 활성화된 RNA 감시 시스템을 가지고 있어, 비정상적인 복합체가 단백질 합성에 간섭하는 것을 방지한다. 또한, 엑소좀은 효모 게놈 내 수천 개의 위치에서 생성되는 암호화 불안정 전사체(CUT)의 분해에도 중요하다.

4.1. 효소 활성

엑소좀 복합체는 3'-5' 엑소리보핵산분해효소 활성을 가지며, RNA 분자를 3' 말단에서 분해한다. 엑소좀 복합체에 포함된 엑소리보핵산분해효소는 인산분해효소(RNase PH 유사 단백질)이거나 가수분해효소(RNase R 및 RNase D 도메인 단백질)이다. 인산분해 효소는 무기 인산을 사용하여 인산디에스터 결합을 절단하여 뉴클레오타이드 이인산을 방출한다. 가수분해 효소는 물을 사용하여 이러한 결합을 가수분해하여 뉴클레오타이드 일인산을 방출한다.

고세균에서 복합체의 Rrp41 서브유닛은 인산분해성 엑소리보핵산분해효소이다. 이 단백질의 세 개의 사본이 링에 존재하며 복합체의 활성을 담당한다. 진핵생물에서 RNase PH 서브유닛 중 어느 것도 이러한 촉매 활성을 유지하지 못하므로, 인간 엑소좀의 코어 링 구조는 효소적으로 활성인 단백질이 없다. 진핵생물에서 인산분해 활성의 부재는 가수분해 효소의 존재로 보상되며, 이는 이러한 유기체에서 엑소좀의 리보핵산분해효소 활성을 담당한다.

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효모와 인간에서 가수분해 단백질 Rrp6 및 Rrp44는 Rrp6 외에도 엑소좀과 연관되어 있으며, 두 개의 다른 단백질인 Dis3 및 Dis3L1은 효모 Rrp44 단백질 위치에서 연관될 수 있다.

4.2. 기질

엑소좀 복합체는 다양한 RNA 분자를 기질로 사용한다. 세포의 세포질에서는 전령 RNA(mRNA) 분해에 관여하는데, 넌센스 매개 분해나 논스톱 분해 경로를 통해 오류가 있는 mRNA를 분해하거나, 정상적인 턴오버 과정에서 mRNA를 분해한다. mRNA의 3' 비번역 영역에 결합하여 mRNA의 안정성을 조절하는 단백질들과도 상호작용한다. 세포 핵에서는 여러 작은 핵 RNA 분자의 정확한 처리에 필요하며, 핵소체에서는 5.8S 리보솜 RNA(rRNA) 및 여러 작은 핵소체 RNA 처리에 관여한다.

엑소좀 복합체는 비정상적인 RNA 분자를 제거하는 RNA 품질 관리에도 중요한 역할을 한다. 진핵생물은 핵에서 나오기 전에 미처리 및 잘못 처리된 RNA-단백질 복합체(예: 리보솜)를 인식하는 고도로 활성화된 RNA 감시 시스템을 가지고 있어, 비정상적인 복합체가 단백질 합성에 간섭하는 것을 방지한다.

또한, 엑소좀은 효모 게놈 내 수천 개의 위치에서 생성되는 암호화 불안정 전사체(CUT)의 분해에도 중요하다.

5. 질환

엑소좀 복합체는 여러 자가면역 질환에서 자가항체의 표적이 된다. 특히 경피증과 다발성 근염 또는 피부근염 증상이 함께 나타나는 피부근염/경화증 중복 증후군 환자에게서 엑소좀 복합체에 대한 자가항체가 발견된다. 이러한 자가항체는 환자의 혈청에서 다양한 검사법으로 검출할 수 있는데, 과거에는 송아지 흉선 추출물을 사용한 오크터로니 이중 면역 확산법, HEp-2 세포(사람 후두암 유래 배양 세포)에 대한 면역 형광법, 또는 인간 세포 추출물로부터의 면역 침강법이 주로 사용되었다. 엑소좀 복합체가 확인되기 전에는 이 패턴을 PM/Scl 복합체라고 불렀다. 최근에는 재조합 단백질 엑소좀 단백질을 이용하여 라인 면역 분석법(LIAs)과 효소 결합 면역 흡착 분석법 (ELISAs)으로 이러한 항체를 검출한다.

이러한 질환에서 항체는 주로 복합체의 두 단백질, 즉 PM/Scl-100(RNase D 유사 단백질)과 PM/Scl-75(고리에서 RNase PH 유사 단백질 중 하나)를 표적으로 한다. 현재 이러한 항체를 감지하는 가장 민감한 방법은 완전한 단백질 대신 PM/Scl-100 단백질에서 파생된 펩타이드를 ELISA에서 항원으로 사용하는 것이다.

자가항체는 여러 다른 자가면역 질환의 특징을 가진 환자에서 주로 발견되므로, 이러한 환자의 임상 증상은 매우 다양할 수 있다. 가장 흔히 나타나는 증상은 개별 자가면역 질환의 전형적인 증상이며, 레이노 현상, 관절염, 근염 및 경피증을 포함한다. 이러한 환자의 치료는 대증적이며 개별 자가면역 질환의 치료와 유사하며, 종종 면역억제제 또는 면역 조절제를 사용한다.

엑소좀 복합체는 항암 화학요법에 사용되는 항대사 물질인 플루오로우라실에 의해 억제된다. 플루오로우라실은 고형 종양 치료에 가장 성공적인 약물 중 하나인데, 리보솜 RNA의 올바른 처리가 부족하면 세포에 치명적이므로, 이는 약물의 항대사 효과를 설명한다.

엑소좀 구성요소 3의 돌연변이는 영아 척수 운동 신경 질환, 소뇌 위축, 진행성 소두증, 심각한 전반적 발달 지연을 유발하며 이는 교뇌소뇌 형성 부전 1B형(PCH1B)과 일치한다.

5.1. 자가면역 질환

엑소좀 복합체는 여러 자가면역 질환에서 자가항체의 표적이 된다. 특히, 경피증과 다발성 근염 또는 피부근염 증상이 함께 나타나는 피부근염/경화증 중복 증후군 환자에게서 엑소좀 복합체에 대한 자가항체가 발견된다. 이러한 자가항체는 환자의 혈청에서 다양한 검사법으로 검출할 수 있다. 과거에는 송아지 흉선 추출물을 사용한 오크터로니 이중 면역 확산법, HEp-2 세포(사람 후두암 유래 배양 세포)에 대한 면역 형광법, 또는 인간 세포 추출물로부터의 면역 침강법이 주로 사용되었다. 엑소좀 복합체가 확인되기 전에는 이 패턴을 PM/Scl 복합체라고 불렀다. 이들 환자의 혈청을 사용한 면역 형광법에서는 세포의 인에서 특징적인 염색이 나타났으며, 이는 자가항체가 인식하는 항원이 리보솜 생합성에 중요할 수 있음을 시사했다. 최근에는 재조합 단백질 엑소좀 단백질을 이용하여 라인 면역 분석법(LIAs)과 효소 결합 면역 흡착 분석법 (ELISAs)으로 이러한 항체를 검출한다.

이러한 질환에서 항체는 주로 복합체의 두 단백질, 즉 PM/Scl-100(RNase D 유사 단백질)과 PM/Scl-75(고리에서 RNase PH 유사 단백질 중 하나)를 표적으로 하며, 이 단백질들을 인식하는 항체는 PM/Scl 중복 증후군 환자의 약 30%에서 발견된다. 비록 이 두 단백질이 자가항체의 주요 표적이지만, 다른 엑소좀 서브 유닛과 관련 단백질(C1D 등)도 이러한 환자에서 표적이 될 수 있다. 현재, 이러한 항체를 감지하는 가장 민감한 방법은 완전한 단백질 대신 PM/Scl-100 단백질에서 파생된 펩타이드를 ELISA에서 항원으로 사용하는 것이다. 이 방법을 사용하면 자가항체는 PM/Scl 중복 증후군 환자의 최대 55%에서 발견되지만, 경피증, 다발성 근염 또는 피부근염 단독 환자에서도 검출될 수 있다.

자가항체는 여러 다른 자가면역 질환의 특징을 가진 환자에서 주로 발견되므로, 이러한 환자의 임상 증상은 매우 다양할 수 있다. 가장 흔히 나타나는 증상은 개별 자가면역 질환의 전형적인 증상이며, 레이노 현상, 관절염, 근염 및 경피증을 포함한다. 이러한 환자의 치료는 대증적이며 개별 자가면역 질환의 치료와 유사하며, 종종 면역억제제 또는 면역 조절제를 사용한다.

5.2. 암 치료

엑소좀 복합체는 항암 화학요법에 사용되는 항대사 물질인 플루오로우라실에 의해 억제된다. 플루오로우라실은 고형 종양 치료에 가장 성공적인 약물 중 하나이다. 플루오로우라실로 처리된 효모 세포에서 엑소좀 복합체의 활성이 분자 생물학적 전략에 의해 차단되었을 때와 동일한 리보솜 RNA 처리 결함이 발견되었다. 리보솜 RNA의 올바른 처리가 부족하면 세포에 치명적이므로, 이는 약물의 항대사 효과를 설명한다.

5.3. 신경 질환

엑소좀 구성요소 3의 돌연변이는 영아 척수 운동 신경 질환, 소뇌 위축, 진행성 소두증, 심각한 전반적 발달 지연을 유발하며 이는 교뇌소뇌 형성 부전 1B형(PCH1B, [http://www.omim.org/entry/614678 MIM 614678])과 일치한다.

6. 서브유닛 목록

* 고세균에서, 엑소좀의 여러 단백질은 엑소좀 복합체의 전체 코어를 형성하기 위해 여러 사본으로 존재한다.
* 사람의 경우, 두 개의 다른 단백질(Dis3, Dis3L1)이 이 위치에 연관될 수 있다. 세포의 세포질에서는 Dis3L1이 엑소좀과 연관되는 반면, 핵에서는 Dis3이 코어 복합체에 결합할 수 있다.
* 복합체의 리보핵산 분해 활성에 기여한다.