단백질의 당화(Protein Glycosylation)

안녕하세요?

이번 포스팅에서는 단백질의 수식화라고 번역해야 할까요? Protein의 PTM (Post Translational Modification) 중에 하나인 단백질의 당화 (Protein Glycosylation)에 대해서 포스팅 하고자 합니다.

먼저 단백질의 PTM이 무엇인지 모르신다면, 다음의 포스팅을 읽어 보시기를 추천합니다.

링크 : 단백질의 PTM

우선 이 단백질의 당화를 간단하게 정의하자고 하면, 단백질 (Protein)에다가 설탕 (Sugar)가 붙는 과정이라고 간단하게 정의할 수 있겠습니다. 물론 이 과정을 거쳐서 생성된 단백질을 당단백질 (Glycoprotein)이라고 따로 부르는 것은 덤 입니다.

우선 흥미로운 것은 이게 어디에서 일어나는 지를 생각하면, 좀 흥미로운 대목이기는 합니다.

위 그림에서는 단백질의 당화 (Protein Glycosylation)이 일어나는 곳에 대한 모식도입니다. 우선 RNA는 라이보좀 혹은 리보좀 (Ribosome) 이라고 불리는 단백질 중합체 (Protein Complex)에 의해서, 아미노산 (Amino acid)가 합쳐져서 폴리 펩타이드 (Poly peptide) 혹은 단백질로 불리는 물질이 조립되게 됩니다.

그런데 이 조립된 단백질은 그냥 세포질 안을 떠도는 것이 아니라 ER이라고 해서 한글로 번역하면 소포체, 소포체 안으로 들어가게 됩니다. 그리고 여기서 처음으로 Precursor라고 위 그림에서 빨간색 동그라미를 친 부분에 있는 물체가 일종의 전구체가 되어서 막 조립이 되었다고 해야 할까요?  번역(Translation)이 된 단백질에다가 전구체(Precursor)가 당을 붇으게 됩니다.

이게 주로 N-glycosylation이라고 해서 단백질의 당화의 한 종류 중에 하나가 일어나는 과정입니다. N-glycosylation은 20개의 아미노산 중에 하나인 Asparagine에 다음과 같은 구조로 결합을 하게 됩니다.

옆의 그림과 같이, Asparagine의 질소 원자를 기점으로 해서 당과 연결이 되어 있다고 해서 N-Glycosylation이라고 합니다. 즉, 질소 (N)을 기점으로 연결이 되었다고 정확하게 쓰자면 N linked Glycosylation이라고 부르는데, 줄여서 N-glycosylation이라고 하는 것 입니다.

단백질의 Asparagine에다가 첫번째 그림에서 있는 전구체(Precursor)를 붙여주는 역할을 하는 효소(Enzyme)을 Oligosaccharyl transferase라고 하는데, 이 효소는 아무 Asparagine에다가 당을 붙여주지 않고, 특정한 아미노산 서열을 만족하는 Asparagine에다가 붙이는 특징이 있습니다.

주로 많이 일어나는 아미노산의 배열은 Asn-X-Ser/Thr이라고 해서 풀이하자면,  Asparagine 다음에 종류 상관 없이 아무 아미노산 이 오고, 이후에  Serine 혹은  Threonine이 오면 당이 붙는 다고 합니다.

하지만 위 예시가 절대적이지만은 않은게, [Effects of Glycosylation on the Enzymatic Activity and Mechanisms of Protease] 라는 논문을 보면 다음과 같은 예외가 있다고 합니다.

Asn-X-Cys라고 해서 Asparagine 다음 종류 상관없이 아무 아미노산, 다음 Cysteine 이라는 아미노산이 오는 배열에는 전체 단백질 당화가 일어나는 경우 중 1%가 일어난 다고 합니다.

다음으로 Asn-Gly라고 해서 Asparagine 다음에 Glycine이 오면 당이 붙는 경우는 전체의 0.5%가 있었다고 합니다. 다음으로 Asn-X-Val라고 해서 Asparagine 다음 종류 상관없이 아무 아미노산, 이후 Valine 이라는 아미노산이 있을 경우 당이 붙는 경우는 0.5% 미만으로 보고가 되었다고 합니다.

이처럼 N-glycosylation이 특정한 단백질의 아미노산 서열을 만족하는 Asparagine에 일어나는데, 여기서 한가지 궁금해 하시는 것이 있으실 것으로 생각이 됩니다.

그럼 처음으로 당을 가지고 오는 Precursor는 어디서 오는 걸까요?

위 그림에서는 처음으로 Precursor가 만들어 지는 과정을 보여주고 있습니다. 우선 Dolichol이라는 특별한 지질(Lipid)이 ER (소포체)의 표면에 Phosphate가 2개 붙은 채로 세포질 (cytosol)에 노출되어 있습니다. 

먼저 세포질 내에 있는 UDP-GlcNAc (N-acetyl glucosamine)이라는 물질이 붙어 있는 GlcNAc를 붙여 주어서 처음으로 당을 Dolichol에 붙이게 됩니다.

먼저 짤막하게 설명을 하자면, N-acetyl glucosamine (GlcNAc)라는 것은 단백질에 붙는 당의 한 종류입니다. 이런 당은 GlcNAc 말고도 여러가지가 있는데, 이 포스팅을 진행하면서 나오게 될 것입니다.

이렇게 GlcNAc라는 당이 2개가 Dolichol이라는 지질에 붙게 되면, 다음으로는 Mannose라는 종류의 당이 5개 붙는 과정을 거치게 됩니다.

이런 단계를 거치고 나면, 다음으로 Flip이라고 해서 뒤집어 지는 과정을 거치게 됩니다. 즉, 지금까지는 세포질(cytosol)에 노출되어 있던 여러개의 당이 연결된 부분-글리칸(glycan)이 소포체(ER)안으로 뒤집어 져서 들어가게 됩니다.

위 그림에서는 이후 ER안으로 dolichol에 붙은 glycan이 어떤 과정을 거치는 지를 보여주고 있습니다. 우선 Mannose라는 종류의 당이 소포체 안에서 4개 더 붙게 되며, 이후 Glucose, 소위 포도당이라고 하는 당이 3개 붙는 것으로 마무리가 됩니다. 이렇게 14개의 당이 붙는 것으로 precursor가 완성이 되며, 이 precursor가 ER안으로 막 번역(Translation)이 되어서 들어온 단백질에 붙게 되는  것입니다.

이런 N-glycosylation이 언제나 14개 당만 붙어 있지 않습니다. 다음 아래와 같이 Protein folding이라고 해서 단순한 아미노산 (Amino acid)배열에서 3차 구조를 이루는 과정이 있습니다.

위 그림은 N-glycosylation이 어떻게 protein folding에 영향을 주는 지를 보여주고 있습니다. 위 그림에서 Calnexin이라는 단백질은 일종의 Chaperone이라고 해서 단백질이 제대로 3차 구조를 이루고 있지 않으면 접어서 적절한 3차 구조로 바꾸어 주는 단백질 입니다.

먼저 막 번역(Translation)이 이루어진 단백질에 Glycan이라고 해서 여러개의 당이 붙은 구조물이 붙은 모습입니다. 여기서 Calnexin이 3차 구조로 접힘(Folding)이 되지 않은 단백질에 붙은 Glycan의 특정한 당을 인식하고 결합니다. 그러면 Calnexin에 의해서 작대기 모양으로 펴져 있던 단백질이 특정한 모양으로 3차 구조를 이루면서 접혀지고, 이후 Calnexin에 붙은 특정한 당은 Calnexin과 같이 떨어져 나가게 됩니다.

이런 과정을 거치면서 단백질에 붙은 Glycan-당이 여러개 붙은 구조물이 일종의 식별하는 태그 역할을 해서 단백질의 3차 구조 형성에 역할을 하게 됩니다. 그리고 이러한 과정에서 여러개의 당이 Glycan에 추가되고 제거되기를 반복해서 모양이 변하게 됩니다.

위 그림은 N-glycosylation에 의해서 생성된느 Glycan의 모양중에 일부입니다. 어디까지나 예시이며, 수많은 변형이 나올 수 있습니다. 

위 그림에서 나와있어서 짐작하실 수 있다시피, N-glycosylation으로 생성되는 Glycan은 크게 3 종류로 나눌 수 있는데, High mannose type, Hybrid type, Complex type이 있습니다.

그럼 여기서 나온게 단백질의 당화(Protein Glycosylation)의 전부냐고 하시면 그것도 아닌게, N-Glycosyaltion다음으로 많이 일어나는 것이 O-glycosylation이라는 것이 있습니다.

가장 큰 특징으로는 N-glycosylation이 ER안에서 일어났다면, 이 O-glycosylation은 ER, Golgi (골지체), 혹은 세포질 (Cytosol)에서 일어나며, dolichol을 비롯한 Precursor의 도움없이 바로 효소에 의해서 일어납니다.

옆의 그림은 Threonine이라는 아미노산에 O-glycosylation이 일어난 모습을 묘사한 그림입니다. 우선 Threonine 아미노산의 산소 원자인 O를 가지고서 당의 한 종류인 N-acetyl galactosamine이 붙었기 때문에 O linked glycosylation, 줄여서는 O-glycosylation이라고 부르는 것입니다.

비록 옆의 그림에서는 Threonine에 O-glycosylation이 일어나는 것을 묘사했지만, Threonine말고도 Serine이라는 아미노산에서도 일어난다고 합니다.

특히 mucin type O-glycosyaltion이라고 해서 포유류의 O-glycosylation은 주로 이런 mucin type이 차지하는데, 주로 N-acetyl galactosamine(GalNAc)라는 당을 Serine이나 Threonine이라는 아미노산에 붙이는 것으로 시작하는 특징이 있습니다.

위 그림은 O-glycosylation에 대한 일부의 예시입니다. 주로 포유류에서 일어나는 Mucin type이 그림의 위쪽에 위치하고 있으며, 그외의 형태는 아랫쪽에 위치하고 있습니다.

이런 O-glycosylation은 모든 당단백질(Glycoprotein)중에서 12%가 O-glycosylatin이며, 그 12%중에서 10%의 당단백질은 N-glycosylation과 O-glycosylation 둘다 일어난 다고 합니다.

그리고 mucin type O-glycosylation이 된 당단백질들은 주로 세포질이나 Nucleus(핵)에서 발견되는 특징 또한 있다고 알려져 있습니다. 다만 N-glycosylation에 비해서 상대적으로 연구가 적게 되어 있기 때문에, 알려져 있는 것도 적기는 적은 편이기는 합니다.

그럼 이런 단백질의 당화가 왜 중요하냐 하는 물음이 떠오르실 건데요. 그 예시를 하나 보여드리겠습니다.

위 그림은 암세포의 전이에 단백질의 당화가 어떤 역할을 하는 지를 보여주고 있습니다. 먼저 암세포의 세포막 표면에 나온 막단백질(membrane protein)에 있는 Glycan이 세포외 기질에 있는 Lectin이라고 해서 당을 잡는 역할을 하는데, 특화된 단백질에 잡혀 있으면, 암세포는 세포 조직안에 붙어서 어디로 나갈 수 없습니다.

하지만, 단백질의 당 구조가 바뀌면? 예, Lectin이 더 이상 암세포를 잡을 수 없기 때문에, 원래 암세포가 있던 위치에서 떨어져 나가서 다른 데로 떠돌기 시작하는데, 이게 바로 암이 전이되는 과정이 시작되는 것입니다.

비록 단편적인 예이긴 하지만, 단백질의 당화가 왜 중요한지 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 이 외에도 단백질의 당화가 하는 역할을 너무나 많기 때문에 이 포스팅 안에서 다루기에는 너무 길고 복잡한 글이기에 이만 여기서 줄이도록 하겠습니다.