효소 다중기능성

3. 원시 대사

1976년 로이 젠슨은 원시 효소가 마치 조각보처럼 대사 네트워크를 만들기 위해서는 매우 다양한 기능을 수행해야 했을 것이라는 이론을 제시했다. 이 때문에 그의 이론은 '조각보 모델'이라고 불린다. 이 이론에 따르면, 초기의 효소들은 여러 가지 반응을 촉매할 수 있는 능력을 가졌지만, 시간이 지나면서 특정 반응에만 특화된 전문적인 상동 효소로 진화하면서 원래의 다양한 기능은 점차 사라지게 되었다.^[13] 그 결과, 현재 생명체의 중심 대사에 관여하는 많은 효소들은 서로 구조적 상동체를 가지고 있으며, 이러한 유사성은 생명의 최후 보편 공통 조상이 나타나기 이전에 이미 형성된 것으로 여겨진다.^[14]

4. 다기능성 분포

다중 기능성은 단지 하나의 특이한 현상이 아니라, 현대 생물의 게놈에서 매우 흔하게 발견되는 특징이다. 여러 실험을 통해 대장균(''Escherichia coli'')에서 다중 기능 효소 활성이 얼마나 널리 퍼져 있는지 평가해 왔다. 한 연구에서는 대장균의 특정 유전자 하나씩을 제거한 104가지 돌연변이 균주(Keio collection^[15])를 대상으로 실험했다. 이 중 21가지 균주는, 원래 제거된 유전자와 관련 없는 다른 대장균 단백질을 인위적으로 많이 만들어내도록 했을 때(ASKA collection의 플라스미드 풀 사용^[16]) 다시 정상적으로 기능할 수 있었다. 이렇게 관련 없는 ORF가 유전자 제거의 효과를 회복시키는 메커니즘은 크게 8가지로 나눌 수 있다.^[4]

# 동위 효소 과발현(상동체)

# 기질 모호성

# 수송 모호성(청소)

# 촉매 다중 기능성

# 대사 흐름 유지 (예: 아민 전이 효소 서브 유닛이 없을 때 합성 효소의 큰 구성 요소를 과발현)

# 대사 경로 우회

# 조절 효과

# 알려지지 않은 메커니즘

유사한 다른 연구에서는, ORF 컬렉션을 과발현시킨 대장균이 237가지의 서로 다른 독성 환경 중 86가지 환경에서 저항성이 10배 이상 증가하는 것을 확인했다.^[17] 이는 효소의 다기능성이 다양한 스트레스 환경에 대한 적응력을 높이는 데 기여할 수 있음을 시사한다.

5. 상동성

상동체는 때때로 서로의 주요 반응에 대해 다중 친화성(promiscuity)을 나타내는 것으로 알려져 있다.^[18] 이러한 교차 다중 친화성은 알칼리성 인산분해효소 슈퍼패밀리의 구성원들을 통해 가장 많이 연구되었으며, 이들은 여러 화합물의 황산염, 포스포네이트, 모노인산염, 이인산염 또는 삼인산염 에스테르 결합에 대한 가수분해 반응을 촉매한다.^[19] 상동체는 분리되었음에도 불구하고 다양한 정도의 상호 다중 친화성을 갖는다. 다중 친화성의 차이는 특히 필요한 중간체를 포함하는 메커니즘에 기인한다.^[19]

6. 다기능성의 정도

효소는 특정 기질에 대한 특정 반응을 매우 효율적으로 촉매하도록 진화했다(미카엘리스-멘텐 반응속도론 참조). 하지만 이러한 주요 활성 외에도, 일반적으로 훨씬 낮은 수준의 다른 부가적인 활성(혼합 활성 또는 부수적 활성)을 가지고 있다. 이러한 부가 활성은 특정 진화적 선택의 결과가 아니므로 일반적으로 생물의 생리 활동에 직접적인 역할을 하지는 않는다.

그러나 이러한 부가 활성은 새로운 기능을 획득하는 진화적 발판이 될 수 있다. 환경 변화 등으로 새로운 선택 압력이 가해졌을 때, 기존의 부가 활성이 생존에 유리하게 작용하면, 유전자 중복과 선택 과정을 거쳐 새로운 주요 활성으로 발전할 가능성이 있다.

네 가지 다른 가수분해 효소(사람 혈청 파라옥소나제(PON1), 슈도모나스 포스포트리에스테라제(PTE), 단백질 티로신 인산가수분해효소(PTP), 사람 탄산 탈수 효소 II(CAII))에 대한 연구는 흥미로운 점을 보여준다. 효소의 주요 활성은 변화에 대해 상대적으로 견고한 반면, 부가 활성은 약하고 변화에 더 유연한 경향이 있다. 예를 들어, 지향적 진화 실험을 통해 특정 부가 활성을 강화하도록 선택했을 때, 처음에는 기존의 주요 활성이 크게 감소하지 않으면서(견고성), 선택되지 않은 다른 부가 활성들은 큰 영향을 받는(유연성) 현상이 관찰되었다.^[5]

슈도모나스 디미누타(*Pseudomonas diminuta*)의 포스포트리에스테라제(PTE)를 아릴에스테라제(P-O 결합 대신 C-O 결합을 가수분해)로 진화시킨 실험이 대표적인 예이다. 18번의 진화 단계를 거치면서 특이성(''K''_M 비율 기준)이 10⁹배나 변화했다. 주목할 점은, 초기 단계에서는 기존의 PTE 활성을 유지하면서 새로운 아릴에스테라제 활성이 크게 증가했지만, 후기 단계에서는 아릴에스테라제 활성을 더욱 높이기 위해 기존 PTE 활성이 일부 감소하는 상충 관계(trade-off)가 나타났다는 것이다.^[6]

이는 효소 진화에 대한 중요한 점을 시사한다. 첫째, 고도로 전문화된 효소(단일 기능)가 진화할 때, IAD(Innovation-Amplification-Divergence) 모델에 따르면 유전자 중복 후 일시적으로 여러 기능을 수행하는 일반 효소 단계를 거쳐 다시 전문화될 수 있다. 둘째, 효소의 부가 활성은 주요 활성보다 변화에 더 유연하여 진화적 변형이 용이하다는 것이다.

효소는 일반적으로 안정성과 촉매 효율성 사이에서 균형을 이루는 것뿐만 아니라, 특이성(specificity)과 진화 가능성(evolvability) 사이에서도 절충점에 놓여 있다. 효소가 특정 기질과 반응에만 고도로 전문화될수록(높은 특이성), 다른 새로운 기능을 획득하기는 어려워진다(낮은 진화 가능성). 반대로, 여러 기질이나 반응에 작용할 수 있는 일반적인 효소는(넓은 다기능성), 주된 활성은 낮을 수 있지만 새로운 환경에 적응하며 진화하기에 유리하다.^[20] 이러한 예로는 식물의 1차 및 2차 대사에 관여하는 효소가 있다.

다기능성의 정도는 다른 요인에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, *Enterobacter aerogenes*의 글리세로포스포디에스테라제 (''gpdQ'')는 결합하는 두 종류의 금속 이온에 따라 다기능적 활성의 정도가 달라지는데, 이는 세포 내 이온 농도에 따라 조절될 수 있음을 시사한다.^[21]

어떤 경우에는 단일 아미노산 돌연변이만으로도 활성 부위의 특이성을 완화시켜 다기능성을 증가시킬 수 있다. ''E. coli''의 L-Ala-D/L-Glu 에피머라제 (''ycjG'')의 D297G 돌연변이나 슈도모나스의 무코네이트 락톤화 효소 II의 E323G 돌연변이는 원래 없던 O-숙시닐벤조에이트 합성효소 (''menC'') 활성을 부가적으로 나타내게 된다.^[22] 반대로, 다기능성이 감소하는 경우도 있다. ''Abies grandis''에서 유래한 γ-휴물렌 신타아제는 원래 파네실 이인산염으로부터 52가지나 되는 다양한 세스퀴테르펜을 만들었지만, 여러 돌연변이를 거치면서 생성물의 종류가 줄어들었다.^[23]

한편, 포유류의 트립신과 키모트립신, 그리고 고세균 *Pyrococcus horikoshii*의 이소프로필말레이트 이성질화 효소/호모아코니타제처럼 넓은 기질 특이성을 가진 효소(다기능성과는 다르지만 개념적으로 유사)에 대한 연구는, 활성 부위 주변 루프(loop) 구조의 유연한 움직임이 효소가 다양한 기질을 받아들이고 반응을 촉진하는 능력(촉매 탄성)에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었다.^[24][25]

6. 1. 독성

6. 2. 식물 2차 대사

7. 생물 촉매

생물 촉매 작용은 자연계에 존재하지 않는 새로운 화학 반응을 만들어내는 데 활용된다. 이를 위해 특정 반응에 대해 약하게나마 활성을 보이는 효소를 찾아낸 뒤, 지향적 진화 또는 합리적 설계와 같은 방법을 통해 원하는 기능을 갖도록 효소를 진화시킨다.^[30]

이렇게 진화시킨 효소의 대표적인 예로는 ω-트랜스아미나제가 있다. 이 효소는 케톤을 키랄 아민으로 바꾸는 반응을 촉매하도록 진화될 수 있으며,^[31] 현재 다양한 종류의 ω-트랜스아미나제가 개발되어 상업적으로 이용되고 있다 (예: Codexis^[32]).

또 다른 예로는 시스테인 생합성 효소 (cysM)를 들 수 있다. 이 효소는 원래 시스테인을 만드는 데 관여하지만, 친핵체에 대한 비특이적인 활성을 이용하여 비단백질 아미노산과 같이 자연계에 흔하지 않은 아미노산을 합성하는 데 활용될 가능성이 있다.^[33]

8. 반응 유사성

효소 반응 간의 유사성(EC)은 결합 변화, 반응 중심 또는 하부 구조 지표를 사용하여 계산할 수 있다(EC-BLAST [https://web.archive.org/web/20190530132101/http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/software/rbl/ 보존 문서]).^[34]

9. 약물과 다기능성

효소 다중 기능성은 약물이 효소에 결합하여 원래 효소의 기능이 아닌 비활성화 반응을 촉매하는 경우에도 나타나는 활동이다.^[5] 이는 단백질 내 리간드가 결합할 수 있는 부위가 제한적이라는 점과 관련될 수 있다. 포유류는 외래물질 대사 시스템을 통해 외부 화합물을 처리하는데, 이는 약물 대사와도 연관된다.^[35]

9. 1. 외래 물질 대사

참조

_[1] 논문 Enzyme promiscuity: a mechanistic and evolutionary perspective
_[2] 논문 Catalytic improvement and evolution of atrazine chlorohydrolase 2009-04
_[3] 논문 Reconstruction of ancestral metabolic enzymes reveals molecular mechanisms underlying evolutionary innovation through gene duplication
_[4] 논문 Multicopy suppression underpins metabolic evolvability 2007-12
_[5] 논문 The 'evolvability' of promiscuous protein functions 2005-01
_[6] 논문 Diminishing returns and tradeoffs constrain the laboratory optimization of an enzyme
_[7] 논문 Chemical Paleogenetics Molecular Restoration Studies of Extinct Forms of Life
_[8] 논문 Assessing the accuracy of ancestral protein reconstruction methods 2006-06
_[9] 논문 Single-step assembly of a gene and entire plasmid from large numbers of oligodeoxyribonucleotides 1995-10
_[10] 논문 A despecialization step underlying evolution of a family of serine proteases 2003-08
_[11] 논문 Resurrecting ancient genes: experimental analysis of extinct molecules http://pages.uoregon[...] 2004-05
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_[19] 논문 Cloning, overexpression, purification, and characterization of O-acetylserine sulfhydrylase-B from Escherichia coli 2006-06
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