1. 개요
G 단백질은 GTP 결합 단백질 중 하나로, 보통 GPCR(G protein-coupled receptor)과 상호작용한다고 알려져있다. G 단백질하면 보통 α, β, γ 총 3개의 서브유닛으로 구성되어 있는 heterotrimeric G 단백질을 일컬으며, monomeric한 형태는 다른 클래스로 분류하지만 대체로 섞어쓰는 경향이 있다. 어쨌거나 모두 GTPase 활성을 이용하는 ‘스위치’로서 다양한 생체 반응에 기여한다. [1][2]2. 발견
G 단백질의 존재를 모르던 시절, 아데닐산고리화효소(Adenylyl cyclase, 줄여서 AC)라는 효소의 활성을 실험적으로 재현하는 실험이 진행되었다. 이 때는 G 단백질을 몰랐기 때문에 AC와 그 기질인 ATP만 넣어주면 cAMP가 생길 것으로 생각했었다. 물론 ATP만 넣는 것으로 cAMP 생성 반응이 일어나긴 했으나, 이는 사실 당시 제조 기술로는 순도 높은 ATP 시약을 못 만들어서 GTP가 섞여있었기 때문이었다. 그러나 제조 기술이 발달하면서 ATP 시약에 들어있는 불순물(이 경우 GTP)이 줄어들면서, cAMP가 생성이 안되는 현상이 일어났다. 이후 마틴 로드벨(Martin Rodbell)이 GTP를 넣으니 반응이 다시 진행되는 것을 확인하면서[3][4] GTP의 중요성이 발견되었고, 이는 곧 G 단백질의 발견으로 이어졌다. 이후 1994년 마틴 로드벨과 알프레드 G. 길먼(Alfred Goodman Gilman)은 G 단백질의 발견으로 노벨상을 수상하였다.[5]3. 구조
억제성 G 단백질을 예로 들면 대략적으로 다음 그림과 같은 구조를 가진다. [6]
α 서브유닛은 GTP가 결합할 뉴클레오티드 결합 자리를 가지며, switch(SW) I, II 루프로 β 서브유닛과 붙어있다. β 서브유닛은 γ 서브유닛과 단단히 결합하기 때문에 βγ 복합체로 묶인 채 행동하게 된다. β 서브유닛의 N 말단, γ 서브유닛의 C 말단이 지질과 붙기 때문에 G 단백질은 막에 붙은 채 행동할 수 있다.
4. GTPase 사이클
G 단백질은 GPCR과 상호작용하여 GTPase 사이클을 진행하는데, 그냥 α 서브유닛에 있던 GDP가 GTP로 교체되었다가(활성화) GDP로 다시 가수분해(비활성화)되는 것이 반복된다고 생각하면 된다. 아래 그림을 보면 이해가 될 것이다. G 단백질의 α 서브유닛의 구조가 바뀌면서 GDP가 GTP로 교체되면 β, γ 서브유닛도 활성화되고, 이렇게 활성화 된 G 단백질은 GPCR에서 떨어져 다음 목표 단백질로 이동한다. 이후로는 여느 신호전달 경로와 마찬가지로 여러 단백질들의 연쇄반응을 통해 최종적인 반응을 이끌어내게 된다. GPCR은 리간드가 붙어 있는 동안은 계속 활성화 상태를 유지하고, 이 상태에서 G 단백질들과 일시적으로만 상호작용하기 때문에[7][8][9], 여러 G 단백질들을 만나서 활성화시킬 수 있다.[10] 이 후 경로는 GPCR 문서를 참고하자.
이 GTPase 사이클은 빛 신호 전달 연구에서 처음 발견되었으며 [11] G 단백질의 공통적인, 즉 중요한 매커니즘이다. GTPase로 인한 사이클은 GTP가 GDP로 가수분해 될 때까지는 계속 활성화가 유지된다[12].
G 단백질이 GTPase 사이클에서 어떤 식으로 상호작용 되는지는 다음 3가지 측면에서 의견이 갈린다.
- 수용체와 G 단백질과의 상호작용은 어떻게 이루어지는가?
G 단백질은 비활성 상태의 GPCR과 따로 떨어져있는 것으로 생각되나 최근에는 비활성 상태의 GPCR과 미리 복합체를 이루고 있다는 연구 결과도 나오고 있다.[13][14] 이 모델의 경우는 신호 전달이 더 빠르고, G 단백질을 선택적으로 고를 수 있다는 장점이 있다.[15] 위에 언급했듯 G 단백질은 활성화된 GPCR과는 일시적인 상호작용을 한다.
- G 단백질의 α 서브유닛과 βγ 복합체는 분리되는가?
α 서브유닛과 βγ 복합체가 분리되어서 따로 활동한다고 받아들여지고 있는 것[16]도 마찬가지로 아직 가설 단계로, 정말로 모든 G 단백질이 그러는지 확실히 밝혀진 게 아니다[17]. 실제로 붙은 채로도 활성을 지니는 사례도 있기 때문에 정확히는 모른다. [18] α 서브유닛이 타겟 단백질과 결합하는 부분이 βγ 복합체와 결합하는 부위와 겹치기 때문에 분리될 가능성이 높는 의견이 있으나[19], 실험적으로 타겟 단백질과 온전한 G 단백질이 결합한다는 결과도 있다[20].
- G 단백질은 타겟 단백질과 어떤 식으로 상호작용하는가?
이 역시 수용체와 마찬가지로 활성화 후에 만난다는 결과와 미리 복합체를 이루고 있다는 결과도 있다[21] 아마 이것도 케바케인 것으로 추측된다.
위 그림 자료는 G 단백질 서브유닛이 분리되지 않으며, 비활성 상태의 수용체 및 타겟 단백질과 미리 결합을 이루고 있는 상황을 전제로 만들어져 있다[22].
4.1. G 단백질의 비활성화
α 서브유닛의 활성을 유지시키는 GTP는 수초내로 GDP로 스스로 가수분해 되지만, 이는 신호 전달 측면에서 보면 꽤 느린 반응이다. GDP로 가수분해되는 수초동안 반응이 지속된다는 의미니까! 우리는 G 단백질의 작용으로 세상을 볼 수 있다. 우리가 케이크를 잠깐 봐서 G 단백질이 활성화 되었다고 생각해보자. α 서브유닛에게만 GTP 가수분해를 맡기면, 우리는 수초 동안 케이크 환각을 보아야 할 것이다.또한 RGS(regulator for G protein signaling, G 단백질 신호 조절자) 단백질과 Ras같은 GAP(GTPase activating protein) 단백질들도 GTPase 활성을 높이는 역할을 할 수 있다.
5. Gα 서브유닛
G 알파 서브유닛 참고.6. Gβγ 복합체
G 베타-감마 복합체 참고[1] Bourne HR, Sanders DA, McCormick F. The GTPase superfamily: a conserved switch for diverse cell functions. Nature. 1990;348:125–132.[2] Bourne HR. GTPases everywhere! In: Dickey BF, Birnbaumer L, eds. Berlin: Springer Verlag; 1993:3–15. GTPases in Biology; Vol. 1.[3] Rodbell M, Birnbaumer L, Pohl SL, Krans HM. The glucagon-sensitive adenyl cyclase system in plasma membranes of rat liver: An obligatory role of guanylnucleotides in glucagon action. J Biol Chem. 1971;246:1877–1882.[4] Rodbell M, Krans HM, Pohl SL, Birnbaumer L. The glucagon-sensitive adenyl cyclase system in plasma membranes of rat liver: Effects of guanylnucleotides on binding of 125I-glucagon. J Biol Chem. 1971;246:1872–1876.[5] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1994/press.html[6] Wall MA, Coleman DE, Lee E, et al. The structure of the G protein heterotrimer Gi α1β1γ2. Cell. 1995;83:1047–1058. 의 구조를 참고하였음.[7] Levitzki A. From epinephrine to cyclic AMP. Science. 1988;241:800–806.[8] Gilman AG. G proteins and dual control of adenylate cyclase. Cell. 1984;36:577–579.[9] Arad H, Rosenbusch JP, Levitzki A. Stimulatory GTP regulatory unit Ns and the catalytic unit of adenylate cyclase are tightly associated: mechanistic consequences. Proc Natl Acad Sci U S A. 1984;81:6579–6583.[10] 여기에서 신호가 첫번째로 증폭된다.[11] Liebman PA, Parker KR, Dratz EA. The molecular mechanism of visual excitation and its relation to the structure and composition of the rod outer segment. Annu Rev Physiol. 1987;49:765–791.[12] 이를 돌려 말하면 이 가수분해 과정을 막으면 문제가 생길 수 있다는 것이다.[13] Hu J., Wang Y., Zhang X., Lloyd J.R., Li J.H., Karpiak J., Costanzi S., Wess J. Structural basis of G proteincoupled receptor-G protein interactions. Nat. Chem. Biol. (2010);6:541–548. doi: 10.1038/nchembio.385.[14] Qin K., Dong C., Wu G., Lambert N.A. Inactivestate preassembly of G(q)-coupled receptors and G(q) heterotrimers. Nat. Chem. Biol. (2011);7:740–747. doi: 10.1038/nchembio.642.[15] Challiss R.A., Wess J. Receptors: GPCR-G protein preassembly? Nat. Chem. Biol. (2011);7:657–658. doi: 10.1038/nchembio.665.[16] Gilman AG. G proteins and dual control of adenylate cyclase. Cell. 1984;36:577–579.[17] 적어도 트랜스듀신(transducing) G 단백질(Gt)의 경우는 분리되는 것으로 보인다.[18] Klein S, Reuveni H, Levitzki A. Signal transduction by a nondissociable heterotrimeric yeast G protein. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000;97:3219–3233.[19] Cabrera-Vera, T.M. et al. Insights into G protein structure, function, and regulation.Endocr. Rev. 24, 765–781 (2003).[20] Xie K, Masuho I, Shih C-C, et al. Stable G protein-effector complexes in striatal neurons: mechanism of assembly and role in neurotransmitter signaling. Palmiter RD, ed. eLife. 2015;4:e10451. doi:10.7554/eLife.10451.[21] Xie K, Masuho I, Shih C-C, et al. Stable G protein-effector complexes in striatal neurons: mechanism of assembly and role in neurotransmitter signaling. Palmiter RD, ed. eLife. 2015;4:e10451. doi:10.7554/eLife.10451.[22] 물론 전제가 어떻든 GTPase 사이클의 원리는 동일하다.[23] Arshavsky VY, Dumke CL, Zhu Y, et al. Regulation of transducin GTPase activity in bovine rod outer segments. J Biol Chem. 1994;269:19882–19887.[24] He W, Cowan CW, Wensel TG. RGS9, a GTPase accelerator for phototransduction. Neuron. 1998;20:95–102.[25] 이 경우 PLC-β1[26] Biddlecombe GH, Berstein G, Ross EM, et al. Regulation of phospholipase C-β1 by Gq and m1 muscarinic receptor. J Biol Chem. 1996;271:7999–8007.[27] Chidiac P, Ross EM. Phospholipase C-β1 directly accelerates GTP hydrolysis by Gαq and acceleration is inhibited by Gβγ subunits. J Biol Chem. 1999;274:19639–19643.