유비퀴틴(ubiquitin)과 ubiquitination

   유비퀴틴은 amino acid 76개로 이루어진 작은 단백질로, 주요한 역할은 분해되어야 할 단백질을 표지하는 것이다. 즉, 유비퀴틴이 붙은 단백질은 proteasome에 의해 분해된다. 오랜동안 유비퀴틴의 기능은 이러한 분해표지자(destruction tag)로서의 기능으로 알려져 있었으나 최근에는 신호전달의 매개체의 기능, endocytosis를 유도하는 기능, 또한 DNA의 repair mechanism 조절 기능 등이 알려지고 있다. 이 글은 유비퀴틴의 분해표지자로서의 기능에 초점을 두어 작성한다. 세포신호전달의 매개체로서의 기능은 이 글을 참고하고, 알츠하이머에서의 유비퀴틴에 대해서는 이 글을 참고한다.


Ubiquitin


유비퀴틴은 주로 ubiquitin B 라는 유전자(Entrez UBB)에서 만들어지는데, 일반적인 단백질들과는 좀 다르게, ubiquitin B 1의 유전자는 3개의 ubiquitin 으로 나뉘어 진다.

실제 서열에서 보면 다음과 같다.

위에서 검은색 배경으로 된 nucleotide가 mRNA editing 때 deletion 이 되면 잘못된 ubiquitin인 ubiquitin B+1 이 만들어 지며, 이 형태의 mutant ubiquitin 이 Alzheimer에서 축적되는 유비퀴틴이다. 


유비퀴틴(UniProt의 ubiquitin)의 단백질 서열은 다음과 같다.

        10         20         30         40         50         60 

MQIFVKTLTG KTITLEVEPS DTIENVKAKI QDKEGIPPDQ QRLIFAGKQL EDGRTLSDYN 


        70 

IQKESTLHLV LRLRGG

  유비퀴틴의 한쪽 끝이 다른 유비퀴틴의 중간에 있는 라이신(lysine, K)에 결합하는 방식으로 polyubiquitin chain 이 형성되는데, 분해표지자로서의 polyubiquitin chain 은 유비퀴틴 내부의 48번째 K를 통한 polyubiquiitin chain 이다. 반면 63번째 K를 통한 polyubiquitin chain 은 신호전달매개체의 역할을 한다. polyubiquitin이 기질(substrate)에 결합함으로써 destruction tag(K48) 또는 signaling platform(K63)으로 작용하게 된다.

ubiquitination 이 되는 화학적 기작은 다음과 같을 것으로 추정된다.

즉, substrate에 있는 lysine 기의 amine이 ubiquitin의 말단에 있는 glycine의 C로 nucleophilic attack 을 한다(A). 이 때, substrate의 lysine의 amine은 base와, glycine의 산소는 H와 상호작용을 하면서(B) ubiquitination이 진행될 수 있는 환경이 된다. 그 후 ubiquitin은 E2 (또는 E3)에서 떨어진 후 기질로 이동하게 된다^[각주:1].

위의 단백질 서열에서 볼 수 있듯이 유비퀴틴은 6개의 라이신을 갖고 있는데, 그 중 6, 11, 29, 48, 63 번째 라이신을 통한 polyubiquitin chain이 알려져 있는데, 주요한 것은 48과 63 번째 라이신을 통한 polyubiquitin chain이다. 11, 29, 48K-pUB가 proteasome 의존적인 기질 분해를 유도하는 것으로 보고되었으며, 6, 63K-pUB가 nonproteolytic, reversible하게 기질을 조절하는 것으로 보고되었다. 특히 63K-pUB의 경우 DNA repair (transcription coupled repair, TCR), stress response, endocytosis, signal transduction 에 관여하는 것으로 보고되고 있다.


Ubiquitination Cascade


polyubiquitin chain은 ubiquitin이 E1 -> E2 -> E3 를 거쳐 substrate(기질)에 붙음으로써 형성되는데, substrate specificity는 주로 E3 enzyme에 있는 것으로 보이지만, E2와 E3의 조합에 의해서도 substrate specificity가 결정되는 경우도 있는 것 같다. Ubiquitin은

E1    + Ub -> E1.Ub     
E1.Ub + E2 -> E2.Ub + E1
E2.Ub + E3 -> E3.Ub + E2
E3.Ub + S  -> S.Ub  + E3

의 sequential한 단계를 거쳐 기질에 유비퀴틴이 결합하게 된다. 현재 polyubiquitin chain이 E3에서 만들어진 후 한번에 substrate로 이동하는 것인지, 아니면 substrate에서 polyubiquitin chain 이 생성되는 것인지는 명확하지 않다. K48-pUB이 proteasome을 통한 substrate의 분해를 유발하기 위해서는 ubiquitin이 최소한 4개가 결합되어야 하는 것으로 보고되었으나 in vitro에서 한 실험이다. 또한 분해가 일어날 때 substrate의 중간에서도 분해가 시작될 수 있는 것이 보고되었다.

   E1 < E2 < E3 순으로 종류가 증가한다. E3에 속하는 ligase들은 두 개의 다른 기작으로 구분할 수 있다. HECT domain 을 갖고 있는 E3는 ligase activity를 갖고 있고, RING domain 을 갖고 있는 E3는 단순히 E2와 substrate를 연결해 주는 molecular scaffold 로 기능을 한다. ubiquitin 이 substrate에 붙은 후, ubiquitin chain의 elongation을 유도하는 E4도 제안되기는 했는데 아직 많이 사용되는 개념은 아니다. c-Cbl, SCF, APC 와 같은 것이 RING domain 을 갖고 있는 E3 ligase이다. 

Ubiquitin-Proteasome System (UPS)

   proteasome 내에는 polyubiquitin chain 을 인지하여 결합할 수 있는 도메인이 존재한다. 따라서 polyubiquitin chain으로 tagging 된 단백질은 S.Ub.Ub...Ub.Proteasome 의 모양새로, 즉 polyubiquitin chain 을 매개로 proteasome 에 근접하게 되며, 이 상태에서 proteasome의 denaturation 능력에 의하여 substrate는 denaturation 되면서 proteasome 내부로 풀려 들어간 후, proteasome 내부의 protease effect에 의해 분해가 된다. 이 때 단일 아미노산으로 분해되는 것은 아니고, proteasome 의 subunit들의 protease 의 인지서열의 분포에 따라 분해되는 amino acid의 길이가 결정된다. 분해된 아미노산 서열은 단백질 metabolism에 의해 재사용되거나 MHC에 loading된다. 면역반응이 활성화된 경우에는 MHC에 loading이 더 잘 되도록 하기 위하여 proteasome 내부의 protease activity를 갖는 subunit이 바뀌기도 한다(이것을 immunoproteasome이라고도 한다). substrate가 proteasome 내부로 들어가기 전 polyubiquitin chain은 substrate로부터 떨어져 나와 여러 개의 ubiquitin 으로 분해되어 재사용된다. 이와 같이 ubiquitin과 proteasome에 의하여 진행되는 단백질 분해과정은 세포 내에서 가장 중요하고 활발하게 일어나는 단백질 분해 과정으로 Ubiquitin-Proteasome System (UPS) 라고도 한다.

1. 이것은 유기화학의 많은 반응들을 이해하는 식으로 이해해야 한다. B 단계에서 O가 C와 이중결합을 형성할 때 C와 N의 결합이 끊어지고, N이 다시 주위의 H와 결합을 하면 A 단계로 가게 된다. 물론 이런 반응도 일어날 것인데, 결과적으로 그런 식으로 진행된 반응은 변화가 없는 것처럼 보인다. 하지만 C로 가는 반응이 존재하여 ubiquitination 이 일어나는 것이다. 이것은 가역반응의 동적평형으로 설명할 수 있겠다 [본문으로]