EF-Tu
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.
| 기호 | EF-Tu |
|---|---|
| 명칭 | 엘롱게이션 팩터 써모 언스테이블 |
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| Pfam | GTP_EFTU |
|---|---|
| Interpro | IPR004541 |
| SCOP | 1ETU |
| CATH | 1ETU |
| Pfam_clan | CL0023 |
| PROSITE | PDOC00273 |
| CDD | cd00881 |
| 기호 | GTP_EFTU_D2 |
|---|---|
| Pfam | PF03144 |
| InterPro | IPR004161 |
| CDD | cd01342 |
| 기호 | GTP_EFTU_D3 |
|---|---|
| 명칭 | 엘롱게이션 팩터 Tu 도메인 3 |
| Pfam | PF03143 |
| InterPro | IPR004160 |
| CDD | cd01513 |
| 역할 | 단백질 생합성에서의 분자 스위치 |
|---|---|
| 관련 리뷰 논문 | EF-G 및 EF4: 세균 리보솜의 전좌 및 역전좌 |
| 관련 유전자 | 인간 미토콘드리아 엘롱게이션 팩터 tu (EF-Tu) 유전자: cDNA 서열, 게놈 위치, 게놈 구조 및 유사유전자 식별 |
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단백질 도메인 -
CD4
CD4는 보조 T 세포 표면에서 T 세포 수용체의 공동수용체로 작용하여 항원제시세포와 상호작용을 돕고 T 세포 활성화 신호를 증폭시키는 면역계의 당단백질이며, HIV의 숙주 세포 침투 수용체로 작용하여 HIV 감염 및 AIDS 발병에 중요한 역할을 한다. -
단백질 도메인 -
인터루킨 4
인터루킨 4(IL-4)는 B 세포와 T 세포를 자극하고 형질세포로 분화시키는 사이토카인으로, 체액성 및 후천성 면역 조절, IgE 및 IgG4 생산 유도, MHC 클래스 II 생산 촉진과 함께 알레르기 질환, 기관지 천식, 만성 염증, 상처 치유, 암 발병 및 진행, HIV 질환 등 다양한 질병에 관여하는 것으로 알려져 있다. -
단백질 생합성 -
리보솜
리보솜은 rRNA와 단백질로 구성된 두 개의 소단위체로 이루어진 세포 내 단백질 합성 복합체로서, 세포질 내에서 mRNA의 코돈을 해독하여 폴리펩타이드 사슬을 합성하는 번역 과정을 수행하며, 원핵세포와 진핵세포의 구조적 차이로 인해 항생제 개발의 표적이 되고, RNA 세계에서 기원한 자기 복제 복합체로 추정된다. -
단백질 생합성 -
종결 코돈
종결 코돈은 표준 유전 암호에서 단백질 합성을 종료시키는 역할을 하는 UAG(앰버), UAA(오커), UGA(오팔 또는 엄버) 세 가지 코돈이며, 넌센스 돌연변이, 논스톱 돌연변이 등 다양한 유전 질환과 관련이 있을 수 있다.
2. 번역 과정에서의 역할
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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. 리보솜 밖에서 GTP와 결합한 EF-Tu (EF-Tu • GTP)는 aa-tRNA와 결합하여 안정한 EF-Tu • GTP • aa-tRNA 3원 복합체를 형성한다.
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. 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. 이 복합체는 리보솜의 A 자리에 결합하여 mRNA의 코돈과 tRNA의 안티코돈이 정확하게 일치하는지 확인하는 과정을 거친다. 이때, 개시 코돈과 셀레노시스테인으로 충전된 aa-tRNA를 제외하고, 올바르게 충전된 모든 aa-tRNA와 거의 동일한 친화력으로 결합한다. 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.
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. 그 후 aa-tRNA는 A 부위에 완전히 들어가고, 아미노산은 P 부위의 폴리펩타이드 근처로 이동한다. 그러면 리보솜은 폴리펩타이드를 아미노산에 공유 결합시키는 반응을 촉매한다.
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.
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.
3. EF-Tu는 aa-tRNA 결합을 대략적으로 확인하여 아미노산이 올바른 tRNA에 결합하지 않은 복합체를 제거한다.
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. 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.
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. 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.
3.2. 올리고뉴클레오타이드 결합 도메인 (도메인 II, III)
EF-Tu의 도메인 II와 III는 올리고뉴클레오타이드 결합 도메인으로, 둘 다 베타 배럴 구조를 갖는다.
도메인 II는 베타 배럴 구조를 가지며, 하전된 tRNA에 결합하는 데 관여한다. 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.
4. 생물학적 기능
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 하이오뉴모니아와 같은 병원성 세균의 세포 표면에서 문라이팅하여 다양한 숙주 분자에 결합할 수 있다. 세레우스 바실루스에서도 EF-Tu는 표면에서 문라이팅하며, 환경 센서로 작용하여 물질 P에 결합한다.
4.1. 세포 골격 유지
EF-Tu는 세균의 세포 골격에서 많이 발견되며, 세포 형태를 유지하는 세포 골격 요소인 MreB와 함께 세포막 아래에 존재한다. EF-Tu에 결함이 생기면 세균 형태에 결함이 발생한다. 또한, EF-Tu는 일부 샤페론과 유사한 특성을 보이며, 일부 실험적 증거에 따르면 다양한 변성된 단백질의 생체 외 재접힘을 촉진한다.
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. EF-Tu의 결함은 세균 형태의 결함을 초래하는 것으로 나타났다. 또한, EF-Tu는 일부 샤페론과 유사한 특성을 나타내며, 일부 실험적 증거에 따르면 다양한 변성된 단백질의 생체 외 재접힘을 촉진하는 것으로 나타났다. EF-Tu는 병원성 세균인 황색포도상구균, 마이코플라즈마 폐렴균, 마이코플라즈마 하이오뉴모니아의 세포 표면에서 문라이팅하는 것으로 밝혀졌으며, EF-Tu가 처리되어 다양한 숙주 분자에 결합할 수 있다. 세레우스 바실루스에서도 EF-Tu는 표면에서 문라이팅하며, 환경 센서로 작용하여 물질 P에 결합한다.
5. 질병과의 연관성
EF-Tu는 리보솜과 함께 항생제의 주요 표적 중 하나이다.
5.1. 항생제 작용 기전
리보솜과 함께 EF-Tu는 항생제를 통한 번역 억제의 가장 중요한 표적 중 하나이다. 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. 두 번째 그룹에는 키로마이신과 에나시록신 항생제가 포함되며, GTP 가수분해 후 리보솜에서 EF-Tu의 방출을 막는다.