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EF-Tu

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목차

1. 개요

EF-Tu는 단백질 생합성 과정에서 아미노아실-tRNA를 리보솜으로 수송하는 역할을 하는 원핵생물의 신장 인자이다. GTP와 결합하여 aa-tRNA와 3원 복합체를 형성하며, mRNA 코돈과 안티코돈 결합이 확인되면 GTP를 GDP로 가수분해하여 aa-tRNA를 리보솜에 전달한다. EF-Tu는 번역 정확성을 높이는 데 기여하며, 세포 골격 유지 및 샤페론 유사 기능도 수행한다. 항생제는 EF-Tu를 표적으로 번역을 억제하며, 작용 기전에 따라 두 그룹으로 분류된다.

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EF-Tu
단백질 정보
기호EF-Tu
명칭엘롱게이션 팩터 써모 언스테이블
EF-Tu (파란색) 와 tRNA (빨간색), GTP (노란색) 의 복합체
EF-Tu (파란색) 와 tRNA (빨간색), GTP (노란색) 의 복합체
PfamGTP_EFTU
InterproIPR004541
SCOP1ETU
CATH1ETU
Pfam_clanCL0023
PROSITEPDOC00273
CDDcd00881
GTP_EFTU_D2 정보
기호GTP_EFTU_D2
PfamPF03144
InterProIPR004161
CDDcd01342
GTP_EFTU_D3 정보
기호GTP_EFTU_D3
명칭엘롱게이션 팩터 Tu 도메인 3
PfamPF03143
InterProIPR004160
CDDcd01513
기능
역할단백질 생합성에서의 분자 스위치
관련 리뷰 논문EF-G 및 EF4: 세균 리보솜의 전좌 및 역전좌
관련 유전자인간 미토콘드리아 엘롱게이션 팩터 tu (EF-Tu) 유전자: cDNA 서열, 게놈 위치, 게놈 구조 및 유사유전자 식별

2. 번역 과정에서의 역할

EF-Tu는 단백질 생합성의 폴리펩타이드 신장 과정에 참여한다. 원핵생물에서 EF-Tu의 주요 기능은 올바른 아미노아실-tRNA (aa-tRNA)를 리보솜의 A 부위로 수송하는 것이다. EF-Tu는 G 단백질로서, 구아노신 삼인산(GTP)를 사용하여 그 기능을 수행한다.[48] 리보솜 밖에서 GTP와 결합한 EF-Tu (EF-Tu • GTP)는 aa-tRNA와 결합하여 안정한 EF-Tu • GTP • aa-tRNA 3원 복합체를 형성한다.[8]

세포질에서 비활성화된 EF-Tu • GDP는 원핵생물 신장 인자 EF-Ts에 의해 활성화된다. EF-Ts는 EF-Tu에 결합된 GDP를 방출하도록 유도한다. EF-Ts가 해리되면 EF-Tu는 GTP와 복합체를 형성하는데, 이는 세포질에서 GDP보다 GTP의 농도가 5~10배 더 높기 때문이다.[48][53] 결과적으로 재활성화된 EF-Tu • GTP는 다른 aa-tRNA와 결합할 수 있게 된다.

2. 1. 아미노아실-tRNA와의 결합

EF-Tu는 GTP와 결합한 상태에서 아미노아실-tRNA (aa-tRNA)와 결합하여 안정한 삼중 복합체(EF-Tu•GTP•aa-tRNA)를 형성한다.[8][48] 이 복합체는 리보솜의 A 자리에 결합하여 mRNA의 코돈과 tRNA의 안티코돈이 정확하게 일치하는지 확인하는 과정을 거친다.[4][45] 이때, 개시 코돈과 셀레노시스테인으로 충전된 aa-tRNA를 제외하고, 올바르게 충전된 모든 aa-tRNA와 거의 동일한 친화력으로 결합한다.[9][10][49][50] 이는 서로 다른 아미노산 잔기가 다양한 곁사슬 특성을 가지고 있지만, 해당 잔기와 관련된 tRNA는 곁사슬 결합 친화도의 차이를 보상하기 위해 다양한 구조를 가지고 있기 때문이다.[11][12][51][52]

2. 2. 코돈-안티코돈 인식 및 GTP 가수분해

aa-tRNA가 EF-Tu • GTP와 결합하면, 이 3원 복합체는 활성화된 리보솜의 A 부위로 이동한다. সেখানে tRNA의 안티코돈이 mRNA의 코돈과 결합한다. 올바른 안티코돈이 mRNA 코돈에 결합하면, 리보솜은 구조를 변경하고 EF-Tu의 GTPase 도메인의 기하학적 구조를 변경하여 EF-Tu에 결합된 GTP를 GDP와 Pi로 가수 분해시킨다. 이처럼 리보솜은 EF-Tu에 대한 GTPase 활성화 단백질(GAP)로 기능한다. GTP 가수분해로 인해 EF-Tu의 구조가 급격하게 변화하여 aa-tRNA 및 리보솜 복합체로부터 분리된다.[4][13] 그 후 aa-tRNA는 A 부위에 완전히 들어가고, 아미노산은 P 부위의 폴리펩타이드 근처로 이동한다. 그러면 리보솜은 폴리펩타이드를 아미노산에 공유 결합시키는 반응을 촉매한다.[10]

2. 3. 번역 정확성 유지 기작

EF-Tu는 번역 과정의 정확성을 높이기 위해 다음 세 가지 기작을 사용한다.

1. 리보솜의 A 자리에 있는 tRNA가 mRNA 코돈과 일치하지 않으면 EF-Tu의 GTP가수분해효소 활성화를 유도하지 않는다. 이는 부정확한 tRNA가 리보솜에서 떨어져 나갈 가능성을 높인다.[14]

2. EF-Tu는 aa-tRNA에서 분리된 후 aa-tRNA가 A 자리에 완전히 결합하기 전까지 시간을 지연시킨다(적응 과정). 이 지연 시간 동안 잘못된 aa-tRNA는 A 자리에서 빠져나갈 수 있다.[15][16]

3. EF-Tu는 aa-tRNA 결합을 대략적으로 확인하여 아미노산이 올바른 tRNA에 결합하지 않은 복합체를 제거한다.[11]

이러한 세 가지 기작을 통해 EF-Tu는 번역 오류를 최소화하고 정확한 단백질 합성을 돕는다.

3. 구조

EF-Tu는 대장균(Escherichia coli)에서 약 43 kDa의 분자량을 가진 단량체 단백질이다.[24][25][26] 이 단백질은 GTP 결합 도메인(도메인 I)과 두 개의 올리고뉴클레오타이드 결합 도메인(도메인 II, III)의 세 가지 구조적 단백질 도메인으로 구성된다.

EF-Tu는 세포질 내에서 GTP와 결합하여 재활성화된다. GTP가 결합하면 도메인 I이 도메인 II 및 III에 대해 약 90° 회전하여 tRNA 결합 활성 부위의 잔기를 노출시키는 큰 형태 변화가 일어난다.[30]

3. 1. GTP 결합 도메인 (도메인 I)

EF-Tu의 N-말단 도메인 I은 GTP 결합 도메인이다. 이 도메인은 6개의 베타 가닥 코어를 중심으로 6개의 알파 나선이 배치되어 있는 구조를 갖는다.[8] GTP 결합 도메인 I은 GTP 가수분해를 통해 GDP로의 극적인 형태 변화를 일으켜, EF-Tu가 아미노아실-tRNA(aa-tRNA)로부터 분리되어 리보솜을 떠날 수 있게 한다.[29]

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3. 2. 올리고뉴클레오타이드 결합 도메인 (도메인 II, III)

EF-Tu의 도메인 II와 III는 올리고뉴클레오타이드 결합 도메인으로, 둘 다 베타 배럴 구조를 갖는다.[27][28]

도메인 II는 베타 배럴 구조를 가지며, 하전된 tRNA에 결합하는 데 관여한다.[31] 이 도메인은 구조적으로 EF2의 C-말단 도메인과 관련이 있으며, EF2와 약한 서열 유사성을 보인다. 또한, 번역 개시 인자 IF-2 및 테트라사이클린 내성 단백질과 같은 다른 단백질에서도 발견된다. 도메인 III은 C-말단 도메인을 나타내며, 베타 배럴 구조를 취하고, 하전된 tRNA 및 EF1B (또는 EF-Ts)에 결합하는 데 관여한다.[32]

4. 생물학적 기능

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EF-Tu는 단백질 합성 외에도 다양한 생물학적 기능을 수행한다. 세균의 세포 골격 유지, 샤페론과 유사한 기능, 숙주 분자와의 결합 등이 그 예이다. 특히, ''황색포도상구균'', ''마이코플라즈마 폐렴균'', ''마이코플라즈마 하이오뉴모니아''와 같은 병원성 세균의 세포 표면에서 문라이팅하여 다양한 숙주 분자에 결합할 수 있다.[22] ''세레우스 바실루스''에서도 EF-Tu는 표면에서 문라이팅하며, 환경 센서로 작용하여 물질 P에 결합한다.[23]

4. 1. 세포 골격 유지



EF-Tu는 세균의 세포 골격에서 많이 발견되며, 세포 형태를 유지하는 세포 골격 요소인 MreB와 함께 세포막 아래에 존재한다.[17][18] EF-Tu에 결함이 생기면 세균 형태에 결함이 발생한다.[19] 또한, EF-Tu는 일부 샤페론과 유사한 특성을 보이며, 일부 실험적 증거에 따르면 다양한 변성된 단백질의 ''생체 외'' 재접힘을 촉진한다.[20][21]

4. 2. 샤페론 유사 기능

EF-Tu는 일부 샤페론과 유사한 특성을 나타내며, 실험적 증거에 따르면 다양한 변성된 단백질의 ''생체 외'' 재접힘을 촉진하는 것으로 나타났다.[20][21][60][61]

4. 3. 기타 기능

일부 병원성 세균에서 EF-Tu는 세포 표면에 위치하여 숙주 분자와 결합하는 등 다양한 기능을 수행하는 것으로 알려져 있다. EF-Tu는 세균의 세포 골격에서 다량으로 발견되었으며, 세포 형태를 유지하는 세포 골격 요소인 MreB와 함께 세포막 아래에 존재한다.[17][18] EF-Tu의 결함은 세균 형태의 결함을 초래하는 것으로 나타났다.[19] 또한, EF-Tu는 일부 샤페론과 유사한 특성을 나타내며, 일부 실험적 증거에 따르면 다양한 변성된 단백질의 ''생체 외'' 재접힘을 촉진하는 것으로 나타났다.[20][21] EF-Tu는 병원성 세균인 ''황색포도상구균'', ''마이코플라즈마 폐렴균'', ''마이코플라즈마 하이오뉴모니아''의 세포 표면에서 문라이팅하는 것으로 밝혀졌으며, EF-Tu가 처리되어 다양한 숙주 분자에 결합할 수 있다.[22] ''세레우스 바실루스''에서도 EF-Tu는 표면에서 문라이팅하며, 환경 센서로 작용하여 물질 P에 결합한다.[23]

5. 질병과의 연관성

EF-Tu는 리보솜과 함께 항생제의 주요 표적 중 하나이다.[8]

5. 1. 항생제 작용 기전

리보솜과 함께 EF-Tu는 항생제를 통한 번역 억제의 가장 중요한 표적 중 하나이다.[8] EF-Tu를 표적으로 하는 항생제는 작용 기전에 따라 두 그룹, 구조적 계열에 따라 네 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 그룹에는 펄보마이신과 GE2270A 항생제가 포함되며, 이들은 EF-Tu•GTP•aa-tRNA 삼중 복합체 형성을 억제한다.[38] 두 번째 그룹에는 키로마이신과 에나시록신 항생제가 포함되며, GTP 가수분해 후 리보솜에서 EF-Tu의 방출을 막는다.[39][40][41]

5. 2. 항생제 내성 연구

EF-Tu는 리보솜과 함께 항생물질에 의한 번역 저해의 가장 중요한 표적 중 하나이다.[48] EF-Tu를 표적으로 하는 항생물질은 작용 기전에 따라 두 그룹으로 분류된다. 첫 번째 그룹은 풀보마이신 (pulvomycin)과 GE2270A를 포함하는 그룹으로, EF-Tu•GTP•aa-tRNA 삼자 복합체의 형성을 저해한다.[69] 두 번째 그룹은 키로마이신 (kirromycin)과 enacyloxin을 포함하는 그룹으로, GTP의 가수 분해 후 리보솜으로부터의 해리를 저해한다.[70][71][72]

참조

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