266: 올리고당 전이 효소 (Oligosaccharyltransferase)
거의 모든 살아있는 세포는 당질(carbohydrate)의 복잡한 피막으로 덮여 있다. 이들 당질은 세포막을 구성하는 단백질이나 지질과 연결되어 있다. 당질은 여러 종류의 단당이 무수히 다른 방법으로 결합하여 이루어져 있다. 이 당사슬 피막은 세포가 살아가는 데 중요한 다양한 역할을 담당하고 있다. 예를 들어 어떤 구조의 경우 당질은 부피가 켜져 세포 표면으로의 접근을 제어하는 보호 실드를 형성하고 있다. 혈청 단백질과 같은 분비 단백질은 종종 글리코실화(glycosylated, 당사슬 부가)되며, 이로 인해 용해성과 안정성이 향상되어 있다. 당사슬은 또한 모양이나 크기에 여러 종류가 있는데, 일반적으로는 생물마다 특징이 다른 당사슬군을 가지고 있다. ABO 식 혈액형(ABO blood types)은 우리 자신이 가진 세포 표면의 글리코실화에서 볼 수 있는 개인차의 친숙한 예로 수혈 등 의료행위를 할 때 자신의 당사슬 패턴과는 다른 기증자를 사용하는 일이 없도록 해야 한다.
단백질을 당화하다
당사슬은 세린(serine)이나 트레오닌(threonine)의 산소 원자에 결합하는 방법(O-글리코실화, O-glycosylation)과 아스파라긴(asparagine)의 질소에 결합하는 방법(N-글리코실화, N-glycosylation) 등 2종류로 단백질에 결합하는 것이 가장 일반적이다. N-글리코실화 반응은 올리고당 전이 효소(oligosaccharyltransferase)가 수행한다. 우리 세포는 이 효소의 유사형 2종류(OST-A(여기에 나타낸 것은 PDB 엔트리 6s7o)와 OST-B(PDB 엔트리 6s7t여기에는 나타내지 않음))를 만들고 있다. 우선 다양한 효소 집합체가 지질로 된 거치대 위에 당사슬을 하나하나 구축해 나간다. 다음으로 올리고당 전이 효소가 이름 그대로 지질에서 단백질 상의 아스파라긴 아미노산으로 당사슬을 전이한다. 우리 세포의 경우 이 당사슬의 전이는 소포체(endoplasmic reticulum)에서 이루어지며, 당사슬은 소포체와 골지체(Golgi apparatus, Golgi body)에 있는 다른 효소에 의해 더욱 수식되고 정돈된다. 이렇게 만들어진 당단백질은 세포 표면으로 운반되거나 세포 밖으로 배출된다.
바이러스와 다당류
우리는 항상 바이러스와 줄다리기를 하며 당단백질을 놓고 싸우고 있다. 바이러스는 세포를 찾아 감염시킬 필요가 있고 세포 표면에 있는 당사슬은 세포가 바이러스로부터 물리적으로 몸을 보호하는 방법 중 하나가 되고 있다. 그러나 바이러스는 이 방어책을 회피하기 위해 진화해 왔다. 예를 들어 인플루엔자 바이러스는 적혈구 응집소(hemagglutinin, 헤마글루티닌) 분자를 사용해 세포 표면에 있는 당 분자를 인식해 감염 시에 이용한다. 우리의 면역체계도 이 싸움에 휘말려 있다. 본래 구비된 면역계(intrinsic immune system)는 병원체 표면에 있는 낯선 당사슬을 인식한다. 예를 들어 세균 표면에 있는 당지질처럼 세포 입장에서 희귀한 것이 인식 대상이 된다. 그러나 인간면역결핍 바이러스(Human Immunodeficiency Virus, HIV)나 SARS 코로나바이러스 2형(SARS-CoV-2)과 같은 생명을 위협하는 바이러스는 우리의 면역체계를 회피하기 위해 스스로를 사람을 닮은 당사슬로 코팅하고 있다.
OST-A가 활동하는 모습
올리고당 전이 효소A는 단백질 합성장치와 연계해 단백질이 만들어질 때 당사슬을 부가한다. 여기에 나타낸 구조(PDB 엔트리 6fti)는 전이 반응 후 과정의 한 단계를 보여준다. 리보솜(ribosome)이 단백질 사슬을 구축하고 이것이 단백질 전도 채널 Sec61에 의해 소포체로 수송된다. 올리고당 전이 효소는 적절한 아스파라긴의 장소에서 새로운 단백질 사슬에 대해 당사슬을 부가한다. 이 효소는 단백질 배열 중 특징적인 패턴을 인식해 사슬 안에서 옆이 프롤린이 아닌 2개 뒤의 아미노산이 세린 또는 트레오닌으로 되어 있는 아스파라긴에 당사슬을 부가한다.
구조 보기
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세균이 가진 보다 단순한 올리고당 전이 효소(PDB 엔트리 5ogl)를 보면 당사슬 전이 반응의 상세한 내용을 알 수 있다. 당사슬은 당사슬의 화학반응을 활성화하는 피로인산(pyrophosphate)을 통해 지질에 결합한다. 효소는 수용체가 되는 아스파라긴을 당사슬 근처에 배치한다. 이 두 분자를 결합시켜 분자 간 반응을 촉매하려면 근처에 2가 금속 이온이 필요하다. 이미지 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브 조작이 가능한 이미지로 전환하여 이 구조를 보다 자세하게 봐주기 바란다.
이해를 높이기 위한 토픽
- 당단백질 구조가 PDB에 다수 등록되어 있습니다. N-글리코실화된 단백질을 보려면 RCSB PDB의 상세검색에서 Structure Attribute->Glycosylation Site->N-Glycosylation을 선택하여 검색해 보십시오.
- 당질에 대해 더 잘 배우고 PDB 아카이브에서 그것들을 어떻게 봐야 하는지 알려면 RCSB PDB의 PDB-101에 있는 PDB 아카이브에서 당질 보기(Exploring Carbohydrates in the PDB Archive, 영어)를 참조해 보십시오.
참고문헌
- 6s7o 2019 Cryo-electron microscopy structures of human oligosaccharyltransferase complexes OST-A and OST-B. Science 366 1372-1375
- 6fti 2018 Structural basis for coupling protein transport and N-glycosylation at the mammalian endoplasmic reticulum. Science 360 215-219
- 6ogl 2017 Molecular basis of lipid-linked oligosaccharide recognition and processing by bacterial oligosaccharyltransferase. Nat Struct Mol Biol 24 1100-1106
- 2017 Biological roles of glycans. Glycobiology 27 3-49
- 2006 Glycosylation in cellular mechanisms of health and disease. Cell 126 855-867