Introduction
Nuclear Factor-kappaB(NF-κB)는 세포의 생존, 면역 반응 등에 광범위하게 작용하는 전사인자(Transcription Factor, TF)이다. 다른 많은 전사 인자가 그렇듯 NF-κB 역시 작용하는 세포의 종류와 작용 시점 등(통칭하여 context라 하자)에 따라 서로 다른 여러 가지 기능을 하게 된다. NF-κB에 의해 유도되는 유전자와, NF-κB의 활성을 유도하는 자극, NF-κB의 비정상적 활동으로 인해 유발되는 질병 등은 현재까지 알려진 것만 해도 너무 많아 일일이 열거하는 것이 별 의미를 갖지 못할 정도로 많이 있다. 이 글은 NF-κB에 대한 전반적인 이해를 돕기 위해 작성한다.
NF-kappaB의 구성
NF-kappaB는 여러 protein들의 dimer를 통칭하는 것이다. 그림으로 보자면 다음과 같다.
Isoforms of NF-kappaB. (2. Circuitry of nuclear factor kappaB signaling. 2006; 210, 171-86, Immunol Rev.; Hoffmann A, Baltimore D)
RelA, c-Rel, RelB는 별다른 proteolytic modification 을 거치지 않고, NF-kB1과 NF-kB2는 원래 p105, p100 의 커다란 형태로 발현이 되는데, 나중에 UPS-mediated proteolytic PTM에 의해 p50과 p52가 된다. 이 때, NF-kB1과 NF-kB2 중 UPS에 의해 분해되는 부분은 IkB isoform들의 구조와 비슷한데, 실제로도 p50, p52 부분을 통한 NF-kB activation 을 억제하는 역할을 하고 있다. 그림 B에서 보는 바와 같이 일반적인 heterodimer 들은 TF로서의 역할을 할 수 있지만 p50-, p52-homodimer와 p52:p50 heterodimer 는 transcriptional activation domain (TAD)을 갖고 있지 않아 DNA에 binding 을 할 수는 있지만 transcription을 activation 시킬 수 없다. 반면 repressor로 되어 있는 dimer들은 아예 DNA binding domain이 없기 때문에 DNA 자체에 binding 할 수 없게 된다. 이런 식으로 어떤 NF-kB는 TF로 작용을 할 수 있고 어떤 dimer들은 repressor로 작용을 할 수 있게 된다. 또한 예측할 수 있듯이 각 homo-dimer, hetero-dimer 는 역할이 다르다. 또한 p50, p52는 non-canonical pathway를 통해 만들어지는 것으로 알려져 있다.
Activation Mechanism
일반적인 상황에서 NF-κB는 세포질 내(cytoplasm)에 존재하게 된다. 이것은, NF-κB의 핵 안으로의 이동을 막는 IκB(Inhibitor-kappaB)와 결합을 하고 있기 때문인데, IκB와 NF-κB가 결합을 하고 있는 상태에서는 NF-κB의 NLS(Nuclear localization signal)이 막혀 있기 때문에 이 상태에서는 핵 안으로 들어갈 수 없다. NF-κB의 활성을 유도하는 많은 자극들은 바로 이 IκB의 분해를 유도하는 단계로 수렴을 하게 된다. 바로 그 단계가 IKK complex 의 활성화 이다. 따라서 NF-κB의 전형적인(conventional) 활성화 단계는 다음과 같이 몇 개의 tier로 생각해 볼 수 있다.
1. upstream stimulus to activation of IKK complex
2. IκB degradation by IKK complex, which leads to liberation of NF-κB
3. negative feedback to turn off NF-κB activation
1. Upstream Stimulus to Activation of IKK-complex
NF-κB의 활성을 유도하는 대표적인 자극은 종양세포괴사인자(TNF-alpha, Tumor Necrosis Factor-alpha)이다. trimer를 구성하고 있는 TNFR에 TNFalpha 가 결합을 하면 receptor의 구조적인 변화로 인하여 세포질 내의 수용체 구조 역시 변형이 이루어 진다. 이 변형은 세포질 내의 다른 단백질들과의 결합을 유도하는 쪽으로의 변형이기 때문에 세포질에 존재하고 있던 여러 단백질들이 TNFR의 세포질 부분에 결합을 하게 된다. 그 중에 대표적인 것은 RIP/TRADD/TRAF2/5 등이 있다. 그 중 TRAF2/5가 ubiquitination 이 되어(현재는 trans-auto-ubiquitination으로 생각되고 있다) E3-ligase activity를 나타내게 된다. A20가 RIP1에 대한 E3-ligase로 작용하여 RIP1을 ubiquitination 시킨다. 단, 이 때 생성되는 ubiquitination은 흔히 알려진 48번째 lysine in ubiquitin(K48)-mediated polyubiquitination이 아닌, K63-mediated polyubiquitination 이다. 이와 같은 ubiquitination은 substrate의 분해를 유도하는 대신 signaling mediator로 작용하게 된다. RIP1에 생성된 K63-polyubiquitin chain은 TAK1-complex가 binding 할 수 있는 platform 으로 작용하게 된다. TAK1 complex는 TAB2/TAB3/TAK1 등으로 구성되어 있으며, kinase activity는 TAK1이 갖고 있고, TAB2/3는 adaptor molecule로 작용하게 된다. RIP1에 TAK1-complex가 결합을 하면 unknown upstream kinase에 의하여 TAK1이 phosphorylation, activation 된다. K63-polyubiquitin chain은 또한 IKK-complex를 구성하고 있는 NEMO가 binding 할 수 있는 platform으로도 작용을 하여 RIP1과 TRAF2/5 등에 생성된 K63-polyubiquitin chain 에 TAK1-complex와 IKK-complex가 binding 을 하게 되고, 따라서 TAK1복합체가 IKK복합체의 phosphorylation, activation 을 유도할 수 있게 된다.
2. IκB degradation by IKK complex, which leads to liberation of NF-κB
활성화된 IKK복합체는 NF-κB와 결합하고 있는 IκB를 phosphorylation 시킨다. phosphorylation된 IκB는 비로소 ubiquitination 이 될 수 있는데, 이 때의 ubiquitination은 K48-mediated polyubiquitination 이다. NF-κB/IκB/K48-polyubiquitin complex는 proteasome complex 와 결합을 하게 되는데, 비교적 안정화되어 있는 구조인 NF-κB에 비해 덜 안정화되어 있는 구조인 IκB는 denaturation이 되어 proteasome complex 안쪽으로 들어가서 분해가 된다. proteasome 복합체에 의한 분해는 denaturation 된 단백질의 끝에서부터 시작하지 않을 수도 있는데, 구체적으로 NF-κB/IκB/K48-polyubiquitin 의 분해가 어떠한 식으로 진행되는지는 아직 알려지지 않았다. 분해는 NF-κB chain까지는 일어나지 않고 끝나기 때문에 cytoplasm 으로 떨어져 나온 NF-κB는 IκB를 포함하지 않은 형태가 되어 비로소 핵 안으로 이동할 수 있게 된다.
흔히 알려진 것과는 조금 달리, NF-κB/IκB complex 도 핵 안으로의 이동은 가능하며, basal state에서도 어느 정도 이동을 하고 있는 것으로 보인다. 단 NF-κB/IκB complex의 핵 안으로의 속도가 핵 밖으로 이동하는 속도보다 매우 작기 때문에 평형상태에서는 거의 대부분의 NF-κB/IκB complex가 cytoplasm 에 위치하게 된다.
3. negative feedback to turn off NF-kB activation
NF-κB의 지속적인 활성을 억제하기 위한 negative feedback mechanism은 크게 3가지가 존재 한다. IκB는 NF-κB의 downstream gene이기 문에 NF-κB가 활성화되면 얼마 후 곧바로 IκB가 만들어 진다. 실제로 어떤 경우 NF-κB 활성화 이후 15분 이내에 IκB가 대부분 분해되지만 다시 15분 이내에 곧바로 IκB가 원래의 양만큼 만들어 진다. 이렇게 만들어 진 IκB는 핵 안으로 들어 와서 NF-κB와 결합하여 핵 밖으로 빠져 나옴으로 인해 NF-κB의 활성을 억제한다. 또한 upstream 쪽에서 보면, RIP1의 K63-mediated polyubiquination을 유도하였던 A20은 TAK1에 의해 변화되어 RIP1의 K48-mediated polyubiquitination 을 유도하여 RIP1의 분해를 촉진한다. 또한 basal 상태에서 발생하는 leaky한 RIP1(?)의 activation 을 억제하기 위하여 CYLD가 지속적으로 RIP1을 K48-ubiquitination 시킨다. CYLD는 아직 알려지지 않은 기작에 의하여 TNFalpha 자극에 의해 inactivation 되는 것으로 알려져 있다. 또한 CYLD에 의한 이러한 leaky NF-κB activation 이 억제되지 않 경우에는 cylindromatosis라는 질병이 발생한다.
History
2010-01-17 23:00 : 최초 작성
2011-01-23 22:00 : isoform 관련 부분 추가
목차(회색 부분은 추후 추가될 것을 의미함)
Introduction
Activation Mechanism
1. upstream stimulus to activation of IKK complex
2. IκB degradation by IKK complex, which leads to liberation of NF-κB
3. negative feedback to turn off NF-κB activation
구조적 관점
References
1. The regulatory logic of the NF-kappaB signaling system, 2010; 2:a000216, Cold Spring Harb Perspect Biol.; Ellen O'Dea, Alexander Hoffmann (PMC)1
2. Circuitry of nuclear factor kappaB signaling. 2006; 210, 171-86, Immunol Rev.; Hoffmann A, Baltimore D. (pubmed)
3. NF-kappaB signaling. Wiley Interdiscip Rev Syst Biol Med. 2009 Jul 1;1(1):107. O'Dea E, Hoffmann A. (pubmed)
4.
- Pubmed Central 로, 누구나 글을 읽을 수 있게 공개한다. [본문으로]