포도당 6-인산 이성질화효소

1. 개요

포도당 6-인산 이성질화효소는 포도당 6-인산과 과당 6-인산 사이의 가역적인 이성질화를 촉매하는 이량체 효소이다. 세포 내, 외부에서 다양한 기능을 수행하며, 세포질에서는 해당과정, 오탄당 인산 경로, 포도당신생합성에 관여한다. 세포 외부에서는 신경영양인자, 자가분비 운동성 인자, 성숙 인자로 작용하며, 백혈구에서 분비되어 세포 분화를 조절하는 역할을 한다. 이 효소의 결핍은 용혈성 빈혈을 유발할 수 있으며, 혈청 내 수치 증가는 다양한 암의 바이오마커로 활용된다. 또한, HER2와 상호작용하여 유방암 치료에 대한 내성을 유발할 수 있다. 일부 원핵생물에서는 만노스 6-인산 이성질화효소 활성을 나타내는 이기능성 효소로 존재하기도 한다. 한국에서는 이 효소를 이용하여 이성화당을 제조하며, 옥수수 전분 등을 원료로 하여 포도당보다 단맛이 강한 과당을 생산한다.

2. 구조

포도당 6-인산 이성질화효소는 두 개의 동일한 단위체로 구성된 64 kDa의 이량체이다. 두 단위체는 두 개의 돌출부를 통해 상호작용한다. 각 단위체의 활성 부위는 두 개의 도메인과 이량체 계면 사이의 틈에 의해 형성된다.

포도당 6-인산 이성질화효소는 큰 도메인과 작은 도메인, 두 개의 도메인으로 구성된다. 큰 도메인은 αβα 샌드위치 구조를 가지며, N-말단과 C-말단에 팔 모양의 돌출부가 있다. 작은 도메인은 α-나선으로 둘러싸인 5가닥의 β-시트를 가지고 있다. 작은 도메인의 몇몇 잔기들은 인산염과 결합하는 역할을 하는 반면, 큰 도메인 및 C-말단 도메인의 다른 잔기들, 특히 His³⁸⁸은 포도당 6-인산 이성질화효소에 의해 촉매되는 당의 개환(開環) 단계에서 중요하다. 이성질화 활성은 이량체 계면에서 일어나기 때문에 포도당 6-인산 이성질화효소의 이량체 구조는 이 효소의 촉매 기능에 중요하다.

포도당 6-인산 이성질화효소의 세린 잔기의 인산화는 그 분비 형태에 대한 입체 구조의 변화를 유도한다고 가정된다.

3. 메커니즘

포도당 6-인산 이성질화효소는 포도당 6-인산과 과당 6-인산 간의 상호전환을 촉매한다. 이 반응은 포도당 고리를 열고, 엔다이올 중간생성물을 통해 포도당을 과당으로 이성질화하고, 과당 고리를 닫는 3가지 주요 단계로 구성된다.

1. 고리 열림: 포도당 6-인산은 피라노스 형태로 효소에 결합한다. His³⁸⁸이 C5 산소를 양성자화시키고, Lys⁵¹⁸이 C1 하이드록실기를 탈양성자화시키는 "푸시-풀(push-pull)" 메커니즘으로 고리가 열려 사슬형 알도스가 생성된다.
2. 이성질화: 기질은 C3-C4 결합 주위로 회전하여 이성질화 위치를 잡는다. Glu³⁵⁷이 C2를 탈양성자화시켜 Arg²⁷²에 의해 안정화된 시스-엔다이올레이트 중간생성물을 생성한다. Glu³⁵⁷은 C1에 양성자를 제공하고, C2의 하이드록실기는 양성자를 잃어 사슬형 케토스인 과당 6-인산이 생성된다.
3. 고리 닫힘: 기질은 C3-C4 결합에 대해 다시 회전하고, Lys⁵¹⁸로 C5 하이드록실기를 탈양성자화시켜 고리가 닫힌다.

과당 6-인산에서 포도당 6-인산으로 전환될 때, 탄소 C2에 잘못된 키랄성이 부여되면 만노스-6-인산이 생성될 수 있지만, 효소는 매우 낮은 속도 외에는 이 반응을 허용하지 않는다. 포도당 6-인산의 α 아노머인 α-D-글루코피라노스-6-인산에 포도당 6-인산 이성질화효소가 우선적으로 결합하여 고리를 연 후, 알도스에서 케토스로 전환한다.

4. 기능

이 유전자에 의해 암호화된 포도당 6-인산 이성질화효소는 포도당 6-인산과 과당 6-인산 사이의 가역적인 이성질화를 촉매하는 이량체 효소이다. 반응이 가역적이기 때문에 그 방향은 포도당 6-인산 및 과당 6-인산의 농도에 의해 결정된다.

:포도당 6-인산 ⇄ 과당 6-인산

포도당 6-인산 이성질화효소는 세포 내부와 외부에서 다른 기능을 가지고 있다. 세포질에서 이 단백질은 오탄당 인산 경로뿐만 아니라 해당과정 및 포도당신생합성에 관여한다. 세포 외부에서 포도당 6-인산 이성질화효소는 뉴로류킨이라 불리는 척수 뉴런 및 감각 뉴런에 대한 신경영양인자로 기능한다. 동일한 단백질은 또한 암세포에 의해 분비되는 데, 이는 자가분비 운동성 인자라고 하며, 전이를 자극한다. 세포 외 포도당 6-인산 이성질화효소는 또한 성숙 인자로 기능하는 것으로 알려져 있다.

클로닝 기술을 통해 포도당 6-인산 이성질화효소가 단백질 뉴로루킨과 거의 동일하다는 것이 밝혀졌다. 뉴로루킨은 척수 및 감각 뉴런의 신경영양 인자이다. 근육, 뇌, 심장 및 신장에서 다량으로 발견된다. 뉴로루킨은 또한 렉틴에 의해 자극된 T 세포에 의해 분비되는 림포카인으로 작용한다. 이는 항체 분비 세포를 활성화하는 반응의 일부로 B 세포에서 면역글로불린 분비를 유도한다.

클로닝 실험은 또한 포도당 6-인산 이성질화효소가 자가 분비 운동성 인자(autocrine motility factor, AMF)로 알려진 단백질과 동일하다는 것을 밝혀냈다. 암세포에서 생성되고 분비되는 AMF는 성장 인자로서 세포 성장과 운동성을 자극한다. AMF는 MAPK/ERK 또는 PI3K/AKT 경로를 활성화하여 암 전이에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. PI3K/AKT 경로에서 AMF는 gp78/AMFR과 상호 작용하여 소포체 칼슘 방출을 조절하며, 따라서 ER 스트레스에 대한 반응으로 세포 자멸사를 방지한다.

포도당 6-인산 이성질화효소는 메신저 분자로서 작용한다는 증거가 있다. 백혈구에 의해 생성 및 분비되며, 여러 세포 유형의 분화를 조절하는 작용을 한다.

5. 원핵생물의 이기능성 포도당 6-인산 이성질화효소

일부 고균 및 세균에서 포도당 6-인산 이성질화효소는 만노스 6-인산 이성질화효소 활성을 나타내는 이기능성(二機能性) 효소이다. 진핵생물의 포도당 6-인산 이성질화효소와 서열 유사성은 낮지만, 이기능성 효소는 당 인산 결합 부위를 형성하는 트레오닌 및 세린의 클러스터를 포함할 정도로 서열이 유사하다. 포도당 6-인산 이성질화효소는 포도당 6-인산과 과당 6-인산의 상호전환을 위해 포도당의 개환(開環) 및 이성질화에 동일한 메커니즘을 사용하는 것으로 생각된다.

6. 임상적 중요성

포도당 6-인산 이성질화효소 결핍은 해당과정 효소 결핍으로 인한 용혈성 빈혈의 약 4%를 차지한다. 최근 몇몇 결핍 사례가 확인되었다.

혈청 포도당 6-인산 이성질화효소 수치 증가는 대장암, 유방암, 폐암, 신장암 등 다양한 암의 예후 바이오마커로 사용된다. 암세포에서 자가분비 운동성 인자(AMF)로 작용하여 세포 이동을 조절하고 침윤 및 전이를 유도하므로, 포도당 6-인산 이성질화효소 저해제는 항암 치료의 표적이 될 수 있다. 한 연구에 따르면 유방 종양 스페로이드(BTS)의 외부 층이 포도당 6-인산 이성질화효소를 분비하여 상피간엽 전환(EMT), 침습 및 전이를 유도한다. ERI4P 및 6PG와 같은 저해제는 BTS의 전이를 차단하지만, 해당과정이나 섬유아세포 생존력은 차단하지 않는다. 또한, 포도당 6-인산 이성질화효소는 정상 세포가 아닌 종양 세포에서만 분비된다. 따라서, 이 효소의 저해제는 더 안전하고 표적화된 항암 치료 접근법이 될 수 있다.

포도당 6-인산 이성질화효소는 HER2와 양성 피드백 루프를 형성하여 HER2 발현을 증가시키고, HER2 과발현은 다시 포도당 6-인산 이성질화효소 발현을 증가시킨다. 결과적으로 포도당 6-인산 이성질화효소 활성은 트라스투주맙을 사용한 HER2 기반 치료에 대한 유방암 세포의 내성을 부여할 가능성이 있어, 환자 치료 시 추가적인 표적으로 고려해야 한다.

7. 이성화당 (한국)

이성화당은 전분을 효소 또는 산으로 가수 분해하여 얻은, 주로 포도당으로 이루어진 당액을 효소 또는 알칼리로 이성화한 과당 또는 포도당을 주성분으로 하는 당을 말한다. 전분은 포도당으로 구성되어 있지만, 포도당을 더 단맛이 강한 과당으로 이성화시킴으로써 단맛을 더 강하게 할 수 있다. 옥수수, 감자, 또는 고구마 등의 전분을 효소로 당화시킨 후, 포함된 포도당의 일부를 글루코스 이소머라아제라는 효소로 과당으로 이성화시킨 것이다.