265: 골지체 카제인 키나아제 (Golgi Casein Kinase)

Author: David S. Goodsell Translator: PDBj

Fam20C를 파란색, Fam20A를 녹색, ATP를 자홍색으로 나타낸 골지체 카제인 키나아제. 여기서는 2개의 단백질의 2량체를 나타냈다. 결정 중에서 이 단백질은 더욱 결합하여 4량체를 형성하는데 그 의미는 아직 연구 중이다.
Fam20C를 파란색, Fam20A를 녹색, ATP를 자홍색으로 나타낸 골지체 카제인 키나아제. 여기서는 2개의 단백질의 2량체를 나타냈다. 결정 중에서 이 단백질은 더욱 결합하여 4량체를 형성하는데 그 의미는 아직 연구 중이다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

초기에 발견된 생체분자의 상당수는 입수나 정제가 용이한 단백질을 이용한 것이었다. 예를 들어 초기에 결정된 단백질의 구조는 대량으로 얻을 수 있는 고래 근육에서 유래한 미오글로빈(myoglobin)이나 혈액에서 쉽게 정제할 수 있는 헤모글로빈(hemoglobin)이었다. 1800년대 후반에는 우유에서 가장 풍부하게 들어 있는 단백질인 카제인(casein)은 인을 포함하는 것으로 나타났다. 이후의 연구에서 이 인은 단백질에 포함된 아미노산의 세린에 부가된 인산기의 일부로 밝혀졌다. 그리고 많은 인단백질이 발견되었고 단백질에 인산기를 부가하는 키나아제(kinase)나 인산기를 제거하는 포스파타아제(phosphatase)도 다수 발견되었다.

어디에나 있는 키나아제

PDB 아카이브에서 ‘카제인 키나아제’(casein kinase)를 검색하면 많은 구조를 찾을 수 있을 것이다. 그러나 이 키나아제라는 이름은 다소 부적절하다. 카제인을 인산화함으로써 발견되었기 때문에 ‘카제인 키나아제’라고 불리고 있지만 대부분의 카제인 키나아제에 있어서 인산화하는 기능은 주요 생물학적 기능이 아니다. 오히려 세포의 세포질에서 신호전달에서 필수적인 역할을 하므로 골지체에서 만들어져 분비되는 카제인과 접하는 일은 일반적으로 없다. 실제로 우유의 카제인을 인산화하는 키나아제가 발견된 것은 2012년 이후다.

진짜 카제인 키나아제

골지체 카제인 키나아제(golgi casein kinase, 여기에 나타낸 것은 PDB 엔트리 5yh2의 구조)는 카제인 및 기타 다양한 분비 단백질에 인산을 부가한다. 이는 비슷한 2종류의 단백질이 복합체를 만들고 있을 때 가장 활성이 높다. Fam20C가 촉매 서브유닛으로 카제인에 결합하여 인산을 ATP에서 단백질로 옮긴다. Fam20A는 촉매로서의 활성은 없지만 Fam20C에 결합해 활성을 더욱 높인다. 이 때문에 구조적으로는 다른 키나아제와 비슷하지만 효소는 아니어서 가짜 키나아제(pseudokinase)라고 불리는 경우가 많다. 게다가 3번째 단백질 Fam20B는 이들 두 단백질과 비슷하지만 당에 인산을 부가한다.

우유에 포함된 카제인

이 그림은 카제인 미셀(황갈색, 아래 중앙)과 지방구(노란색, 왼쪽 상단)의 단면도이다. 미셀에는 일정한 구조를 취하지 않고 작은 인산칼슘 나노클러스터(calcium phospate nanocluster, 흰색)와 상호 작용하는 α 카제인과 β 카제인(α/β-caseins)이 다수 포함된다. 또한 표면에서 뻗은 κ 카제인(κ-casein) 사슬도 포함되어 있다. 지방구는 단백질이 많이 매립된 다층막으로 둘러싸여 있고, 지방분자(노란색)와 카로틴 분자(주황색)로 채워져 있다. 유청 단백질은 미셀 주위에 짙은 색으로 나타내고 있다. 이 그림에 대한 자세한 정보는 PDB-101 갤러리에서 볼 수 있다.
이 그림은 카제인 미셀(황갈색, 아래 중앙)과 지방구(노란색, 왼쪽 상단)의 단면도이다. 미셀에는 일정한 구조를 취하지 않고 작은 인산칼슘 나노클러스터(calcium phospate nanocluster, 흰색)와 상호 작용하는 α 카제인과 β 카제인(α/β-caseins)이 다수 포함된다. 또한 표면에서 뻗은 κ 카제인(κ-casein) 사슬도 포함되어 있다. 지방구는 단백질이 많이 매립된 다층막으로 둘러싸여 있고, 지방분자(노란색)와 카로틴 분자(주황색)로 채워져 있다. 유청 단백질은 미셀 주위에 짙은 색으로 나타내고 있다. 이 그림에 대한 자세한 정보는 PDB-101 갤러리에서 볼 수 있다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

젖은 단백질, 지방, 영양소를 포함한 복잡한 혼합물로 성장기의 유아가 필요로 하는 모든 것을 제공한다. 우유에 포함된 단백질의 대부분은 카제인이지만 사람의 젖에 포함된 카제인의 양은 그보다 적다. 카제인 사슬은 거의 정해진 구조를 취하고 있지 않다(그 때문에 PDB 아카이브에는 현재 카제인의 엔트리는 없음). 그리고 우유 속에서 큰 미셀(micelle)에 결합하고 있다. 카제인 분자에는 고도로 인산화된 영역이 있으며, 미셀 안에 있고 칼슘과 인산으로 이루어진 작은 미네랄 나노 클러스터와 결합되어 있다. 나머지 부분은 소수성이며 서로 붙어 있다. κ 카제인(kappa-casein)이라 불리는 특수 카제인은 미셀 표면을 덮고 있다. κ 카제인의 바깥쪽은 음전하를 띠고 당화되어 있다. 이것은 미셀 전체를 가용화하는 데 도움이 되고 있다.

우유와 치즈

잘 알려진 우유의 특징으로는 카제인의 미셀 구조에 기인하는 것이 몇 가지 있다. 큰 미셀은 큰 지방구와 함께 빛을 산란시키고, 그로 인해 우유는 불투명하고 흰색이 된다. 또한 치즈 제조 공정도 미셀의 구조에 의존하고 있다. 우유는 렌넷(rennet)으로 처리되는데 여기에는 κ 카제인의 신장 부분을 잘라내는 효소가 들어 있다. 잘라낸 미셀은 거의 녹지 않고 응집하여 응유(curd)가 된다. 그리고 주위에 있는 유단백질은 액체인 유청(whey, 유청)을 만든다.

구조 보기

인산화된 세린

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골지체 카제인 키나아제는 S-X-E(‘S’는 인산기를 부가하는 세린, ‘X’는 무엇이든 좋으며 ‘E’는 글루탐산)라는 특징적인 배열 패턴(모티브)을 갖는 단백질에 대해 이 위치에서 인산기를 부가하는 경향이 있다. 이 효소는 이미 인산화된 세린이 ‘E’ 위치에 있는 경우에도 잘 작용한다. PDB 엔트리 2lid에는 이 배열 패턴에 인산이 부가된 사례가 포함되어 있다. 이 단백질은 노른자에서 볼 수 있고 고도로 인산화된 단백질 비텔로게닌(vitellogenin)이다. 여기에 나타낸 예는 말벌에서 얻은 비텔로게닌 유사물질이다. 이 구조를 보다 자세히 보기 위해 그림 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브 조작이 가능한 이미지로 전환해 보기 바란다.

이해를 높이기 위한 토픽

  1. RCSB PDB의 Pairwise Structure Alignment Tool을 사용하여 Fam20C(PDB 엔트리 5yh2의 B 사슬)와 Fam20A(PDB 엔트리 5yh2의 A 사슬)의 구조를 비교해 보십시오. 또한 Fam20B(PDB 엔트리 5xoo의 A 사슬)와도 비교해 보십시오.
  2. PDB에는 인산화된 세린 아미노산을 포함한 단백질 구조가 많이 등록되어 있습니다. 그것들을 찾으려면 PDBj의 포스포세린(SEP) 페이지에서 ‘관련 PDB 엔트리’ 탭을 표시하거나 RCSB PDB의 포스포세린(SEP) 페이지에서 ‘is present in a polymer sequence’를 클릭해 보십시오.

참고문헌

  1. Worby, C.A., Mayfield, J.E., Pollack, A.J., Dixon, J.E., Bannerjee, S. 2021 The ABCs of the atypical Fam20 secretory pathway kinases. J Biol Chem 296 100267
  2. Roy, D., Ye, A., Moughan, P.J., Singh, H. 2020 Composition, structure, and digestive dynamics of milk from different species. Front. Nutrition 7 577759
  3. 5yh2 Zhang, H., Zhu, Q., Cui, J., Wang, Y., Chen, M.J., Guo, X., Tagliabracci, V.S., Dixon, J.E., Xiao, J. 2018 Structure and evolution of the Fam20 kinases. Nat Commun 9 1218-1218
  4. 2lid Havukainen, H., Underhaug, J., Wolschin, F., Amdam, G., Halskau, O. 2012 A vitellogenin polyserine cleavage site: highly disordered conformation protected from proteolysis by phosphorylation. J Exp Biol 215 1837-184

이 기사는 RCSB PDB의 PDB-101로 제공되고 있는 「Molecule of the Month」의.2022년1월의 기사를 한국어로 번역한 것입니다.전재·인용에 대해서는 이용 규약을 봐 주세요.

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