Protein disulfide isomerases

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Protein disulfide isomerases가 어떻게 substrate를 인식하는가?
조재형 (Beth Israel Deaconess Medical Center, HMS)

 

단백질 합성과정에 있어서 가장 중요한 단계는 세포내부에 있는 endoplasmic reticulum (ER) 에 존재하는 thiol isomerases에 의해 단백질 내에 disulfide bond를 올바르게 형성함으로써 native folding 을 이루는 과정이다.

 

PDI는 단백질 합성과정 중 ER에서 disulfide bond oxidation, reduction, 그리고 isomerazation에 관여한다.

 

2021.08.24 - [상식+/- 심장] - 황화물이성질화효소(Protein disulfideisomerase)와 심혈관질환

***저자: Schindelin group에서 밝혀낸 yeast PDI의 crystal structure에 대한 정보라고 생각한다 (참고문헌 5).

 

a and a': catalytic domains

b and b': noncatalytic domains

c: 매우 산성을 띄는 domain

 

이 논문에서는, PDI는 a-b-b’-a’-c로 연결되는 “U”-shape을 하고 있다고 보고하였다. “U”-shape 의 입구는 catalytic a- 와 a’-domains이 서로 마주보고 위치해 있고, CGHC active sequence가 “U” pocket 입구에 위치해 있다. 또한 “U” pocket의 밑에 b-와 b’-domains이 위치해 있으며, “U” pocket안쪽에는 hydrophobic residues 가 많이 존재해 있어서, 이 review paper에서 설명한 것처럼 PDI와folding을 시작하는 substrate 간의 hydrophobic 상호작용이 중요하다는 것을 뒷받침해 주고 있다.

ER의 역할

 

세포내부의 구조들은 그 기능면에서 상당히 다르고, pH나 이온농도와 같은 biophysical conditions에 의해 조절된다. ER의 기능으로는 스테로이드생성, 탄수화물의 대사, 약물대사, 칼슘저장과 인지질의 합성 등이다. 더 중요한 기능으로, ER안에는 folding catalysts가 존재하여 대부분의 단백질에 disulfide bond를 생성함으로써 native 한 형태로 folding 시키는 것이다. 단백질내의 disulfide bond는 두 개의 cysteines의 free thiol group에서 일어나는 covalent linkages로서, folded 단백질의 구조를 안정화시킨다. Disulfide bond의 형성은 ER에서만 일어나는 것은 아니지만, 수많은 substrate 가 ER안에서 disulfide bond를 형성하고 ER안에 존재하는 많은 catalysts로 인하여, ER안에서의 disulfide bond 를 형성하는 복잡한 system은 ER 만의 특성으로 생각된다.

 

1. molecular oxygen에 의한 oxidation

2. oxidized glutathione (GSSG)과 같은 물질에 의한 oxidation 

3. PDI family - thioredoxin superfamily에 의한 oxidation

       (PDI나 GSSG 자신이 oxidase activity의 주도권을 가지고 있지는 않고 microenvironment의 redox potential에 의존)

4. flavin-dependent sulfhydryl oxidases에 의한 oxidation

5. PDI family를 이용한 Ero1에 의한 간접적인 oxidation 

 

Rate-limiting 단계는 단백질의 구조를 변경시키는 마지막 isomerazation반응으로 알려져 있다. 중요한 것은 이 단계를 catalysis 시키는 물질이 PDI family members라는 것이다.

 

PDI family members는 ER 안에서 단백질의 degradation에도 관여한다. 그 외에도 정자-난자의 융합, 혈액응고, 그리고 integrin ligation에도 관여한다.

 

PDI에 의한 thiol isomerazation의 catalysis rate은 substrate binding 친화성과 상관성을 갖지 않는다는 점이다.

적어도 PDI family member중 일부는 substrate의 구조변화에 관여하여, surface에 노출되어 있지 않은 disulfides나 free thiols이 folding에 관여하도록 도와주는 역할을 한다고 생각된다.

 

 

** 단백질의 마지막 구조는 그 primary sequence, post-translational modification, 그리고 용액상태에서의 물리적 특성에 의해 결정된다.

 

 

 

*** PDI-substrate 간의 상호작용에 대한 특이성과 binding site에서의 중요한 motif를 알아내기 위해서는, crystal structure와 여러가지 실험을 통한 결과에서 나온 종합적인 해석이 필요할 것이다.

 

 

1. Hatahet and Ruddock. FEBS J 2007;274:5223-34
2. Goldberger et al. J Biol Chem 1963;238:628-35
3. Chen et al. Blood 1992;79:2226-8
4. Ellgaard and Ruddock. EMBO Rep 2005;6:28-32
5. Tian et al. Cell 2006;124:61-73