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비접힘 단백질 반응과 세포의 운명 조절
비접힘 단백질 반응과 세포의 운명 조절 저자 손조은 (University of Toronto, The Hospital for Sick Children)
등록일 2019.02.14
자료번호 BRIC VIEW 2019-R05
조회 803  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
세포의 분비 능력은 생리적 요구와 병적인 변화 등에 의해 끊임없이 도전을 받는다. 소포체(ER)의 단백질 접힘(Folding) 용량을 시시각각으로 변화하는 요구에 맞추기 위해, 세포는 비접힘 단백질 반응(Unfolded protein response, UPR)으로 알려진 활발한 세포 내 신호 전달 경로를 이용한다. UPR의 항상성 활성화는 전체 분비 경로의 주요 양상들을 조절하는 적응 프로그램을 시행하는 반면에 부적응 UPR은 최종적으로 세포 사멸을 유발한다. 본 논문에서는 UPR이 어떻게 ER 스트레스 자극의 강도와 지속 시간에 대한 정보를 통합하여 세포 운명을 조절하는지에 대한 최신 연구에 대해 논의할 것이다. 이러한 발견들은 당뇨병, 신경 퇴행성 질환 및 암을 비롯한 다양한 종류의 인간 질병 발생 기전에 대한 이해를 진보시키며, 다양한 질병들을 치료할 수 있는 새로운 치료법의 가능성을 열어줄 것이다.
키워드: ER 스트레스, 비접힘 단백질 반응, ATF6, IRE1, PERK, 세포 운명
분야: Molecular_Biology
본 자료는 The Unfolded Protein Response and Cell Fate Control. Molecular Cell, 69 (2), pp. 169-181.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 중심부 UPR 신호 전달 구성 요소
3. 만성적인 ER 스트레스와 자가세포사멸
4. UPRosome, 다중 조절 지점
5. 생리적 및 질병적 특성에서의 UPR
6. 맺은말


1. 서론

소포체(ER)는 모든 세포 단백질의 1/3 이상을 합성, 가공하는 분지 세관(branching tubules)과 평평한 주머니의 네트워크이다. ER, 원형질막, 골지체 및 리소좀에 위치하는 것을 목표로 하는 단백질의 대부분은 ER 내강(Lumen)으로 이송되는 동안에 ER 막에 결합된 리보솜에서 번역된다. 이와 유사하게, 세포로부터 분비되는 대부분의 단백질은 ER에서 그들의 여정을 시작한다. ER을 목적지로 하는 단백질들은 리보솜에 부착 된 상태에서 이들 단백질을 ER 막으로 향하게 하는 신호 펩타이드 서열을 가지고 있다. 일반적으로 이러한 신호 펩타이드는 단백질 번역이 완료되기전에 protease에 의해 제거된다. 일단 ER 내강에 들어가면 단백질은 당질화 및 결합 형성을 비롯한 다양한 번역 후 변형(post-translational modifications)을 거치며 고유의 3차원 모양으로 접힌다.

이러한 과정은 샤페론, 당질화 효소 및 산화 환원 효소 네트워크를 포함하는 단백질 접힙 및 수정 기전에 의해 촉매된다. ER의 이온 및 전자 환경은 이러한 단백질 접힘 활동의 작동에 최적화 되어있다. ER은 세포질에 비해 훨씬 높은 칼슘 농도와 산화적인 산화 환원 전위를 유지한다. 세포는 ER의 독특한 환경과 기능을 유지하기 위해 많은 양의 에너지를 소모한다. 샤페론은 단백질의 구조적 성숙 과정에서 단백질들의 응집을 방지하여 분비 단백질의 결합 및 접힘을 돕는다. 많은 경우에서, 단백질의 접힘 및 구조적 성숙에는 당의 결합 및 제거가 포함된다. 종합적으로, 이러한 효소 과정들을 통해 분비 단백질은 최종 분비 경로로 이동되기 전에 ER에서 접히고 변형되어 단백질 복합체로 조립되게 된다.

이러한 단백질 접힘 기능에도 불구하고, 분비 경로에 있는 많은 단백질들에 대해 접힘이 제대로 이루어질 성공률은 종종 매우 낮다. 불완전하게 접힌 단백질은 세포에 의해 용인되지 않으며 엄격한 품질 관리 시스템에 의해 제거된다. ER 관련 분해(ER-associated degradation, ERAD)라는 과정을 통해 비접힘 단백질은 유비퀴틴화 및 26S proteasome에 의한 분해를 위해 세포질로 되돌아 간다. ER 에서의 단백질 접힘을 처리할 수 있는 용량은 세포 유형에 따라 크게 다르다. 많은 단백질을 분비하는 세포들은 크게 잘 발달된 ER을 가지고 있는 덕분에 많은 단백질을 처리할 수 있는 용량이 있다. 예를 들어, 췌장의 각 베타 세포는 1 분당 최대 백만 개의 인슐린 분자를 합성하고 분비 할 수 있다. 또한 형질 세포(plasma cell)는 매일 자신의 무게만큼의 항체를 분비 할 수 있다.

이렇게 튼튼한 ER이 있음에도 불구하고, 세포는 때때로 분비 능력의 한계점 근처까지 일을 한다. 광범위한 세포 교란은 ER에서 단백질 접힘의 효율을 방해 할 수 있으며, 이 기관 내에서 ER stress라고 알려진 잘못 접진 단백질의 축적을 유도한다. ER 스트레스를 유발하는 조건은 영양 결핍, 저산소증, 중간 접힘 형태를 안정화 시키거나 응집을 일으키게 되는 분비 단백질의 돌연변이 및 칼슘 항상성의 이상 등이 있다. 췌장 베타 세포의 경우, ER 스트레스는 증가된 인슐린 중간체 단백질을 적절하게 접을 수 없게 되는 상황에서 발생할 수 있다. 신경세포와 같은 세포에서 접힘에 결함이 있는 단백질이 지속적인 발현 분비될 경우에도 만성적인 ER 스트레스를 유발한다. 따라서 세포는 생존에 위협이 되기 전에 ER 스트레스를 감지하고 대응하기위한 정교한 감시 시스템을 발전 시켰다.

단백질 접힘 용량이 단백질 접힘 요구와 균형을 이루도록하기 위해 세포는 ER 내강에서 잘못 접힌 단백질의 양을 지속적으로 모니터링 한다. 잘못 접힌 단백질이 임계값 이상으로 축적되게 되면, 항상성을 회복하기 위하여 세포 내에서는 unfolded protein response (UPR)라고 하는 신호 전달 경로를 작동시킨다. 이 총설 논문에서는 UPR 신호 전달의 메커니즘, 그 규칙 및 병리학적 상황과의 관련성에 대해 논의할 것이다.

2. 중심부 UPR 신호 전달 구성 요소

단백질 분비 초기 경로에서 발생하는 단백질 축적에 의한 스트레스를 경험하는 세포에서 일어나는 ER과 핵 사이의 소통은 1988년 포유류에서 처음 보고되었다. 이 현상은 S. cerevisiae에서 유전적으로 규명되었으며, ER 스트레스 변환기인 Inositol-protein 1 (Ire1p)과 후속 전사인자인 Hac1 (ATF/CREB1과 상동성이 있음)에 의해 조절되는 선형적인 신호전달 체계를 밝혀내도록 하였다. ER 스트레스는 빵 효모에서 단백질 접힘, 품질 조절 및 분비에 관여하는 많은 유전자 집단의 상향 조절을 일으킨다. 척추 동물에서 UPR은 IRE1, ATF6 (Activating transcription factor-6) 그리고 PERK와 같이 ER에 위치한 3 개의 신호 변환기의 자극에 의해 시작되는 상호 연결된 신호 전달 경로의 복잡한 네트워크의 구축으로 발전하였다 (그림 1). UPR의 활성화는 단백질 접힘 오류를 완화하기 위해 1) 단백질 합성을 줄이고 잘못 접힌 단백질의 분해를 촉진시키는 초기 반응과, 그에 뒤따라오는 반응으로 2) 단백질 항상성 조절과 관련된 수백가지 표적 유전자의 전사 상향 조절이라는 시간적으로 다른 두 가지 반응을 세포에서 일으킨다 (그림 1). PERK는 ER 스트레스 조건 하에서 올리고머화 및 자가 인산화를 일으키는 인산화효소이며, eIF2a의 인산화를 통해 일반적인 단백질 번역을 억제한다. 이 반응은 스트레스를 받는 세포에서 ER로 들어가는 단백질의 과부하를 줄이며 또한 전사 인자 ATF4를 암호화하는 mRNA의 단백질 번역을 허용하여 항산화 반응의 강화, ER의 단백질 접힘 능력의 향상 및 자식 작용의 증가 등에 기여한다. 만성적인 ER 스트레스 조건에서 지속적인 ATF4 발현은 세포 사멸을 유도한다 (그림 2). 중요한 점은 eIF2a 인산화가 ''통합 스트레스 반응''으로 알려진 다양한 스트레스 경로가 합쳐지는 지점을 대표한다는 것이며, 이는 염증, 바이러스 감염, 영양 결핍 및 Heme 결핍 등에 의해 활성화되는 특정 인산화효소에 의해 통제된다.

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그림 1. 세 가지 UPR 센서 및 신호 전달. 이 세가지 UPR 센서는 신호 전달 시스템을 활성화 시켜, ER에서 단백질 접힘 용량을 증가시키고 단백질 과부하를 감소시킨다. 이러한 작용은 ER에서 단백질 접힘 항상성을 회복시키며, 세포의 생존을 증가시킨다.

IRE1a는 가장 보존 된 UPR 신호 전달 체계를 개시한다. 광범위하게 발현되는 IRE1인 IRE1a는 세포질 표면부에 세린/트레오닌 인산화효소와 endoribonuclease (RNase) 도메인을 포함하는 I형 세포막 관통형 단백질이다. ER에 축적된 비접힘 단백질에 대한 반응으로, IRE1a의 내강 도메인은 자체 결합을 통해 IRE1a이 자기 인산화를 일으키도록 유도하여 구조적 변화를 일으켜, RNase 도메인을 활성화시켜 XBP1의 mRNA의 인트론을 잘라내도록 하는 반응을 일으킨다 (그림 1). 이 독특한 splicing 과정은 mRNA의 ORF (open reading frame)을 이동시켜 XBP1s (그림 1)로 알려진 안정적이고 활성화된 전사 인자를 생성한다. XBP1이 다른 전사 인자와 결합하여 상호 작용하는 능력을 가지고 있기 때문에, XBP1 표적 유전자의 범위는 조직의 상황과 자극에 따라 달라질 수 있다. ER 스트레스의 세포 실험 모델에서, XBP1은 단백질 접힘, 분비, ERAD, ER로의 단백질 이동 및 지질 합성을 조절하는 인자를 암호화하는 유전자의 발현을 조절한다. IRE1a의 RNase 도메인은 또한 특정 서열 및 2차 구조를 포함하는 직접적인 핵산 분해 반응(조절된 IRE1 의존성 분해, RIDD)을 통해 여러 RNA의 안정성을 조절한다. 이 IRE1a의 추가 생산은 수많은 ER 및 세포질에 위치한 RNA의 분해와 관련되어 있으며, 포도당 대사, 염증 및 세포 사멸의 조절에 중요한 생물학적 기능을 가지고 있다. RIDD와 XBP1 mRNA 스플라이싱 사이에는 뚜렷한 활성 차이가 있으며, 이는 RNase 활성을 조절하는 기전 혹은 RNA 기질을 IRE1a로 전달하는 기전이 다르게 존재할 수 있다는 것을 보여준다. XBP1 mRNA 스플라이싱의 효율은 여러 수준에서 조절된다. 예를 들어, ER 막으로의 mRNA 전달은 스플라이싱 되지 않은 형태의 XBP1 (XBP1u)의 일시적인 발현에 의해 매개된다. XBP1u는 매우 불안정하고 26S proteasome에 의해 빠르게 분해되지만, 번역 과정 중에 nascent chain은 소수성 도메인을 통해 리보솜을 ER 막에 결합시켜 번역 중지 서열과 함께 작용하여 세포질에서 XBP1 mRNA의 효율적인 처리를 가능하게 한다 (그림 3A). 흥미롭게도, XBP1u mRNA는 소수성 도메인을 통해 그 nascent chain을 SRP (Signal-recognition particle) 경로에 결합하는 과정을 이용하여 IRE1/Sec61 복합체에 전달된다. XBP1 mRNA가 절단 된 후, RtcB (tRNA ligase)는 세포질 스플라이싱 과정를 완료하여 XBP1s의 발현을 유도한다.

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그림 2. ER 스트레스에 의해 유도되는 자가 세포 사멸 신호 체계. 만성적인 ER 스트레스에 노출되었을 때, PERK와 IRE1a는 세포의 이상, 인플라마좀의 활성화 및 자가세포사멸을 일으키는 다양한 신호전달 체계를 활성화시킨다.

ATF6a는 세포질 도메인에 bZIP 전사 인자를 포함하는 ER 세포막 관통형 단백질이다. ER 스트레스 조건에서, ATF6은 골지체로 옮겨져 S1P 및 S2P 단백질 분해효소에 의해 절단되어 그 세포질 도메인을 방출한다 (ATF6f). ATF6f는 ERAD 경로를 강화하는 것을 포함하여, 몇몇 UPR 유전자 세트들을 상향 조절한다. 흥미롭게도 ATF6f는 XBP1s와의 결합을 통해 상호작용하며, 이는 특정 유전자 발현 프로그램을 유도 할 수 있다. 전반적으로 UPR의 전사 프로그램은 ER 단백질 항상성을 복원하고 세포의 기능을 유지하기 위한 복잡한 신호 전달 네트워크로 작동된다.

ER 내강에서 잘못 접힌 단백질의 검출 또는 감지의 기초가 되는 기전은 여전히 잘 알려져 있지 않다. 포유동물에서 세가지 주요한 센서의 활성화에 ER 샤페론 BiP/Grp78이 기본적인 역할을 담당한다 (그림 3B). 안정 상태에서, BiP는 ATPase 도메인을 통해 PERK 및 IRE1a의 ER 내강 도메인과 결합하여 그것들을 비활성 단일 분자 상태로 유지시킨다. ER 스트레스 조건에서, BiP는 기질 결합 도메인을 통해 잘못 접힌 단백질에 결합하여 알로스테릭 조절기로 작동하여 센서를 방출하고 그것들이 이중 분자로 결합하도록 한다. ATF6는 또한 ER에서 BiP와 상호 작용하여 COP-II 단백질 소포를 코팅하기위한 결합 부위를 마스킹한다. 따라서 ER 스트레스에서 BiP의 방출은 ATF6를 골지체로 이동시켜 이후 과정과 활성화가 되게끔 한다. 효모에서는 구조적 생화학적 분석을 통해 IRE1이 잘못 접힌 단백질에 리간드 형태로 결합한다는 직접 인식 모델이 제시되었다. 효모에서 BiP/Kar2는 커다란 IRE1 클러스터를 분해하는 것 외에도 IRE1 활성화/비활성화에 대한 임계값 설정에 참여할 수 있다 (그림 3C). 그러나 in vitro 조건에서 IRE1a의 재조합 ER 내강 도메인이 잘못 접힌 단백질에 결합하지 않는다는 것과, 이 영역의 결정 구조에 있는 공간 제약으로 인해 결합이 적합하지 않을 수 있다는 예측으로 인해 포유 동물의 IRE1a에 대한 직접 인식 모델은 논란의 여지가 있어왔다. 그러나, 최근의 연구는 잘못 접힌 단백질이 IRE1a에 결합하여 올리고머화를 유발하는 알로스테릭 변화를 유도 할 수 있다고 제안했다. 따라서 포유 동물에서 ER 스트레스 센서의 활성화는 최적의 UPR 반응을 일으키기 위해 잘못 접힌 단백질의 결합하는 것과 더불어 BiP도 포함 될 수 있다. 또 다른 ER 샤페론 또한 UPR을 조절한다. 예를 들어, PDIA6은 IRE1a 및 PERK 신호 전달의 감소를 조절하지만, ATF6와는 관여하지 않는다. 또한, PDIA5는 선택적으로 ATF6 활성화를 조절한다. 종합적으로, 이러한 결과들은 ER 샤페론과 foldase의 복잡한 네트워크가 ER 단백질 항상성 감시 기전의 근간이 되며, 이 감지 과정을 신호 전달 체계로 연결한다는 것을 제시한다.

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그림 3. IRE1a 홠겅화 및 XBP1 스플라이싱 조절 기전. 스플라이싱 되지않은 XBP1 mRNA가 번역됨에 따라, nas-cent 펩타이드의 소수성 부분은 번역된 XBP1 mRNA를 ER 막으로 표적화하여, 이를 통해 활성화된 IRE1a에 의한 XBP1 mRNA처리 과정을 증가시킨다.

3. 만성적인 ER 스트레스와 자가세포사멸

세포에서 단백질 접힘 항상성이 회복되지 못하면, UPR 신호체계는 계속 지속되게 되며 최종적으로는 세포 사멸을 촉진시키는 '말단 UPR'이라고 불리는 다른 신호 체계로 변형된다 (그림 2). ER 스트레스가 해결되지 않을 경우, 두가지 UPR 인산화 효소인 PERK와 IRE1a가 세포 변성과 사망에 기여하는 세포 사멸 유발(pro-apoptotic)을 야기한다는 많은 연구결과들이 있다. 예를 들어, eIF2a 인산화로 인해 단백질 번역이 일시적으로 정지되는 것은 분비 부하를 감소시켜 유익 할 수 있지만, 지속적인 PERK 신호로 인한 지속적인 번역 정지는 세포 생존에 악영향을 끼친다. 뿐만 아니라, PERK의 과도한 활성화는 CHOP/GADD153 전사 인자를 상향 조절할 수 있는데, 이는 BIM와 같은 자가 세포 사멸 유도성 BCL-2 인자들의 발현을 촉진시킬 뿐만 아니라, 항 세포사멸 BCL-2를 암호화하는 유전자의 발현을 억제하여 세포 사멸을 촉진시킨다. 이와 유사하게, 만성적인 ER 스트레스에 의해 과도하게 활성화 되었을 때, 인산화 된 IRE1a는 올리고머로 조립되어 그 RNase 부분이 RIDD 기질에 대한 친화성을 얻게 되어 핵 내에서 수백 개의 ER mRNA의 붕괴를 일으키게 하며, 이는 ER의 단백질 접힘을 위한 여러 성분을 고갈시켜 이후 시점에서 ER 스트레스를 더 악화시킨다. 앞서 언급한 연구에서는 PERK와 IRE1a는 중간 상태가 존재하여 세포의 운명에 대해 다양한 결과를 야기할 수 있다는 것을 보여주었지만, 회복이 불가능한 높은 수준의 ER 스트레스에서 IRE1a 올리고머화가 다수의 염증성 및 자가세포사멸 단백질의 활성화 및 증가를 유도하는 것으로 나타났다. 예를 들어, IRE1a의 RNase는 과도하게 활성화 되어있을 때, 일반적으로 TXNIP와 같은 자가세포사멸 표적들을 억제하는 microRNA를 낮추어 (ER 막에서 직접적인 전구체 절단을 통해 이루어질 가능성이 있음), 그 수치를 빠르게 증가시키도록 한다. 증가 된 TXNIP 단백질 수준은 NLRP3 inflammasome과 caspase-1 의존성 세포 사멸 경로를 활성화시켜 염증과 세포사멸을 일으킨다. 최종적으로, 지속적인 IRE1a 활성은 세포 사멸 신호 조절 인산화효소 1 (ASK1)과 그 하위 표적 c-Jun NH2- 말단 인산화효소 (JNK)에 대한 활성화 플랫폼으로 작용할 수 있으며, 이는 완화되지 않은 스트레스 조건에서 자가세포사멸을 조절할 수 있는 과정이다. UPR 센서의 많은 사멸 신호는 궁극적으로 cyto-chrome c 및 Smac/Diablo와 같은 특정 미토콘드리아 단백질을 세포질로 방출되어, 이들이 그 하위 실행자 caspase (Caspase-3)를 활성시키도록 유도한다. BCL-2 계열은 사멸 유도 단백질과 사멸 억제 단백질 두 그룹 모두에 속하며, 미토콘드리아 외막의 짜임새를 조절함으로써 ER stress를 포함하는 '내재성' 자가세포사멸 신호 체계를 지배한다. 세포 내 손상이 하나 이상의 BH3-only 단백질의 발현 및/또는 번역 후 활성화를 유도 할 때 내재적 미토콘드리아 세포 사멸 경로가 개시된다. 적어도 4개의 별개의 BH3-only 단백질이 (BID, BIM, NOXA, PUMA) 최종 UPR 단계에서 활성화된다. 이 BH3-only 단백질들은 각각은 특이적인 방법을 통해 ER stress에 의해 활성화된다. 예를 들어, BIM은 PERK에 의해 유전자 전사단계에서 상향 조절되며 단백질 생성물은 ER 스트레스에 반응하여 안정화된다. 일단 활성화되면, BH3- only 단백질이 미토콘드리아 보호 단백질 (BCL-2, BCL-XL)에 길항작용하거나 MOMP (미토콘드리아 외막 투과화)로 불리는 과정에 의해 미토콘드리아 외막을 투과 시키도록 BAX 및 BAK 단백질을 직접 작동시킨다. IRE1a의 RIDD 활성은 또한 특정한 miRNA를 분해함으로써 caspase-2의 mRNA 수준을 제어하여, BID를 활성화시켜 MOMP를 유발한다. 그러나, ER stress 신호 전달에서 caspase-2의 역할은 여전히 논란 중에 있다. CHOP가 개시자 caspase-2를 통해 세포 사멸을 유도하기 위해 사멸 수용체 DR5를 상향 조절한다고 보고되었지만, 이 경로는 ER 스트레스 조건에서 세포 사멸을 조절할 수 없다는 새로운 보고가 있다. BOK은 잘 연구 되지 않은 다중 도메인 BCL-2 속의 구성원이다. 최근 연구에 따르면 ER 막에서 BOK가 확인되었으며 ER 막에 대한 반응으로 세포 사멸에 기여하는 것으로 밝혀졌다. 정상 조건 하에서, BOK는 ERAD를 통해 proteasome에 의해 지속적으로 분해되는 반면, UPR이 변형되면 MOMP를 유도하도록 안정화된다. 마지막으로 네크로토시스(necroptosis)는 ER stress 하에서 세포 사멸에도 관여 할 수 있는데, 이는 비정상적인 염증과 연관되어있다. 전반적으로 ER 스트레스 유발성 세포 사멸의 조절은 단일 경로에 의해 좌우되지 않으며 세포 유형 특이적으로 작용할 수 있는 많은 다양한 기작의 상호 작용으로 인한 결과이다.

4. UPRosome, 다중 조절 지점

UPR 신호의 양상을 제어하는 것은 ER 스트레스 하에 있는 세포의 운명을 결정하는 근본적인 작용이다. 적응 중 신호에서 세포 사멸성 UPR 로의 변화를 설명하는 메커니즘이 잘 확립되어 있지는 않지만, 스트레스 자극의 세기와 지속 시간에 대한 정보가 어떻게 통합되는지를 설명하기위한 몇 가지 모델이 제안되었다. PERK 및 IRE1의 ER 내강 도메인은 구조적으로 유사하고 기능적으로 상호 교환 가능하다. 그러나, 그들의 일시적인 행동 양상은 실험 조건에 따라 다르게 나타난다. 가벼운 ER 스트레스 조건 하에서 XBP1 mRNA 스플라이싱의 활성화는 일시적이며, 장기간 자극 이후에 감소되어 세포가 자가세포사멸를 일으킬 수 있도록 한다. 이와 대조적으로, 증가 된 IRE1a 올리고머화에 의해 증가된 RIDD의 활성은 시간이 지남에 따라 지속되어 세포 사멸에 기여한다. PERK의 경우, eIF2a 인산화의 수준은 두가지 탈인산화효소 복합체인 ER 스트레스 유도성 PPP1R15A/GADD34 (ATF4/CHOP의 표적) 및 PPP1R15B/CReP 인산화 효소에 의해 억제된다. 처음에는UPR 신호가 ER 스트레스 수준에 직접적이고 선형적으로 변화하는 것으로 간주되었다. 그러나 최근 연구 결과에 따르면 세 가지 주요 UPR 센서는 번역 후 변형과 보조 인자의 결합을 통해 엄격히 규제된다. 예를 들어 UPRosome의 개념은 많은 요소가 역동적으로 결합하여 그 신호 출력을 조절하는 지지체와 같은 장소로 IRE1a를 정의하기 위해 제안되었다. UPRosome은 또한 지지체로 작동하는 다른 신호 전달 경로와 UPR 사이의 소통을 가능하게하는 플랫폼 역할을 할 수 있다 (그림 4A). 예를 들어 TRAF2에 대한 IRE1의 결합은 JNK 및 자식작용 경로를 활성화시키는 반면, 어댑터 단백질 Nck와의 상호 작용은 핵 인자 kB (NF-kB)와 결합한다. 어떤 인자들은 IRE1a와 기본적인 수준이나 혹은 ER 스트레스 의존적인 방식으로 물리적인 결합을 하며, IRE1a 신호 전달과 관련된 특정 분자 이벤트를 조절한다. Nonmuscle myosin-IIB (NMIIB) 및 액틴 세포 골격과의 상호 작용은 IRE1a 클러스터를 안정화시키는 데 기여하여 최적으로 활성화되도록 한다. 유사하게, ABL 인산화효소 구성원 인 c-Abl 및 Arg-단백질 지지체는 ER 세포막에서 IRE1a RNase를 활성화시켜 세포 사멸을 촉진한다. N-MYC Interactor (NMI)과의 결합은 JNK 활성화를 특이적으로 향상시키며, XBP1 mRNA 스플라이싱 수준에 영향을 주지는 않는다. 또한 IRE1a 신호 전달의 속도와 변화폭은 BCL-2 계열 단백질을 포함하여 이전에 세포 사멸과 연관된 여러 단백질에 작용하는 양성 및 음성 조절자와의 결합에 의해 제어된다 (그림 4A). BH3-only 단백질인 BIM과 PUMA는 신호 감소 단계에서 BCL-2와의 결합을 통해 IRE1a의 지속적인 신호 전달을 선택적으로 향상시킨다. 이와 대조적으로, ER에 위치하는 단백질 BAX inhibitor-1 (BI-1)은 IRE1a의 세포질 도메인과 상호 작용하여 계속된 ER 스트레스 후에 신호 감쇠를 가속시킨다. Fortilin과 같은단백질은 최근 ER 스트레스 하에서 직접 상호 작용을 통해 IRE1a 신호 전달을 억제하며, 세포 사멸 저항성을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 몇가지 번역 후 변환의 사례가 IRE1 및 PERK에서 보고된다 (그림 4A). 단백질 인산화효소 A (PKA)에 의한 IRE1 인산화는 ER 스트레스가 없는 경우 RNase 도메인과 결합 할 수 있으며, 그 탈인산화는 PP2A 및 ER 탈인산화효소 PP2Ce에 의해 매개 될 수 있다. PARP16은 IRE1과 PERK를 ADP-ribosylate화 하는 것으로 나타났으며, ER 스트레스가 없을 때조차도 그 활성을 향상시킨다. 게다가, IRE1의 특정 시스테인의 S-nitrosylation은 그 RNase 활성을 억제하는 반면, PERK 신호 전달을 강화시킬 수 있다. E3 ligase CHIP은 Lys(545)와 Lys(828)에서 IRE1a 유비퀴틴화를 유도하며, 이는 IRE1a 인산화와 TRAF2 결합/JNK 활성화에 선택적으로 영향을 미친다. 마지막으로, IRE1a 안정성의 제어는 또한 UPR을 조정하는 것과 관련이 있다. DDRGK1은 최근에 IRE1a의 안정성을 조절하는 것으로 밝혀진 Ufm1 (Ubiqui-tin-fold modifier 1) 시스템의 중요한 구성 요소이다. 또한, 다른 연구결과는 IRE1a 수준이 ERAD 경로에 의해 제어되며, 이는 예상과 달리 BiP에 의존적인 과정이라는 것을 제안하였다. ER 스트레스 하에서 BiP가 방출되고 IRE1a가 안정화되는 것이 제안되었다 (그림 2C). 따라서 다중 체크포인트는 단백질-단백질 상호 작용을 통해 IRE1a 신호 전달을 조절하여 그 활성화를 위한 스트레스의 역치를 설정한다.

IRE1a 신호 전달은 또한 유비퀴틴화, 아세틸화 및 인산화를 포함한 번역 후 변형에 의해 XBP1 수준에서 조정된다. XBP1u는 또한 proteasome에 의해 분해되는 복합체를 형성함으로써 XBP1s 및 ATF6f의 음성 조절자로 작용한다. 흥미롭게도, XBP1u는 단백질체 중에서 가장 불안정한 단백질 중 하나라고 제안되었다.

PERK와 ATF6은 또한 다르게 조절된다 (그림 4B). PERK의 활성은 p58IK 및 Grp78va로 알려진 BiP의 세포질 변이체에 결합함으로써 조절된다. ER 막 투과 단백질인 Transducin b-like2 (TBL2)는 eIF2a 이외에 인산화된 PERK와 결합하여 단백질 번역을 감소시킨다. 마찬가지로 N-myc down-stream-regulated gene-2 (NDRG2), canopy homolog 2 (CNPY2) 및 small GTPase Rheb는 PERK에 결합하여 신호 전달을 향상시킬 수 있다. 또 다른 연구는 저온 유도성 RNA-Binding Motif 3 (RBM3)이 Nuclear Factor 90 (NF90)과의 결합을 통해 PERK 신호 전달을 억제한다는 것을 제안하였다. 흥미롭게도, 최근의 연구 결과에 의해 ER과 세포 원형질막의 결합을 매개하는 액틴 가교 결합 효소 Filamin A와 PERK 사이의 상호 작용이 밝혀졌다. eIF2a의 탈 인산화는 g-actin 및 그 탈인산화효소와의 상호 작용에 의해 조절된다. ATF6의 기능은 또한 인산화, proteasome에 의한 분해, 글리코실화 및 시스테인의 감소 등에 의해 조절된다. 전반적으로, 이러한 결과들은 그 하위 신호체계의 반응을 결정하기 위해 몇 가지 체크 포인트가 확립된 UPR 신호 체계의 동적이고 복잡한 특성을 설명한다. 그러나 이 절에서 논의 된 대부분의 데이터가 단일 연구결과에 의존한다는 사실을 강조하는 것이 중요하며 이러한 관측의 일반성은 더 검증되어야 한다. 분자들 간의 상호 작용에 대한 전체적인 네트워크 스크리닝 하는 것은 여전히 UPRosome의 구성과 다양한 세포 유형의 ER 스트레스 조건 하에서의 UPRosome 조립의 동적 특성을 정의하는 데 필요하다. 우리는 UPRosome 복합체가 세 가지 주요 UPR 스트레스 센서 수준에 존재할 것으로 예측한다.

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그림 4. UPR, 다중 조절 지점. IRE1 (A) 및 PERK (B) 신호의 미세 조정. UPR 스트레스 센서의 활동은 단백질 안정성뿐만 아니라 그 하위 신호의 세기와 활성화 및 감쇠의 속도를 조절하는 보조인자와의 결합과 번역 후 변형을 통해 조절된다.

5. 생리적 및 질병적 특성에서의 UPR

UPR 구성체가 변형된 유전자 변형 생쥐를 통해 여러 장기에서 다양한 신호 체계 활성들이 있음이 보여졌다. 단백질 폴딩의 조절에 있어서 UPR의 근본적인 역할로 인해, 비정상적인 수준의 ER 스트레스는 자가면역질환, 당뇨, 비만 및 퇴행성 신경질환 등 다양한 병리적 현상들과 관련되어 있다. 2000년대 초부터 누적된 연구 증거들은 분비에 특화된 세포의 기능을 유지하는데 있어 UPR이 근본적인 역할을 담당한다는 사실들을 제시해준다. 사실 XBP1의 생물학적 기능은 IRE1a와 UPR에 연결되기 이전에 면역학 분야의 연구에서 발견되었다. 혈장 B 세포에서 XBP1의 결핍은 분비 세포로의 분화에 중대한 영향을 미치며, 면역 글로불린의 분비 및 그들의 활성화과 관련된 형태학적 변화를 망가뜨린다. XBP1 발현을 유전적으로 제거하였을 때 여러 분비 기관에서 다양한 변화가 나타났으며, 침샘뿐만 아니라 내분비선과 외분비 췌장의 활동에 영향을 미쳤다. XBP1s 표적 유전자를 확인하기위한 연구들을 통해 세포 분화의 중앙 제어 인자인 전사 인자 MIST1와의 직접적은 연결이 밝혀졌으며, 이러한 연구들은 효소 분비 세포 생리학에 영향을 미쳤다. XBP1가 결핍된 동물은 심한 간 기능 장애로 인해 발생한 빈혈로 인해 배아 발생 과정에서 죽는다. 성숙한 생쥐에서 XBP1과 IRE1a는 지질 합성과 콜레스테롤 대사를 제어하는데 서로 다른 역할을 가진다. XBP1이 다양한 조직에서 광범위하게 연구된 것에 반해, IRE1a가 결핍된 생쥐의 제작은 예상치 못한 결과를 나타내었다. 태반에서 IRE1를 복원시켰을 때 전신에서 결실된 쥐에서 나타나는 배아단계 치사 현상이 나타나지 않았다. 이렇게 예상치 못하게 나타난 방법을 사용하여, 혈장 면역 글로불린 농도가 부분적으로 감소되어 있고 혈당 수준의 미묘한 변화가 나타나는 생존 가능한 실험 동물이 제작되었다. 연구자들은 XBP1- 및 IRE1a- 결핍 조직의 표현형들이 완전히 일치하지 않기 때문에 XBP1- 의존적인/IRE1a- 독립적인 기능이 존재할 수도 있다고 추측하였다. IRE1a에는 추가적인 기능들 (RIDD, JNK, NF-kB 조절)이 있으므로 생체 내에서 기능적인 관련성을 평가하는 것은 어렵다. 실제로 이 분야의 최근 발전은 XBP1이 결핍된 동물에서 나타난 표현형의 일부가 RIDD의 과잉 활성화에 기인하며, 이는 UPR 신호 전달의 복잡한 규제 피드백을 반영한다고 제안한다. XBP1에 의한 다양한 조절이 나타나는 면역 세포의 기능 및 분화를 제어하는데 있어 UPR이 중요한 조절 기능을 가진다는 것이 여러 연구에 의해 밝혀졌다. XBP1은 또한 장 상피 세포 기능을 조절하는 것으로 밝혀졌는데, 그 유전자 결핍은 크론병과 유사한 만성 대장 염증을 유발한다. ATF6 알파의 경우에는 생리적인 역할에 대한 데이터가 거의 없다. ATF6 알파와 베타가 이중으로 결핍되었을 때 실험동물이 배아단계 치사성을 나타낸다는 결과는 ATF6 알파와 베타가 관련된 역할을 가진다는 것을 보여준다. 생쥐에서의 ATF6 알파 결핍은 망막 기능의 변화로 이어지며 이는 인간 색맹에서 ATF6 돌연변이가 발견된 최근 연구 결과와 일치하다. IRE1a는 암에서 5번째로 많이 돌연변이가 발견된 인산화효소로 밝혀졌으며, 이러한 돌연변이는 RIDD를 불활성화 시키고 XBP1 mRNA의 스플라이싱에 관여하는 RNase의 변이를 일으키는 것으로 알려졌다. PERK 또는 IRE1 신호 전달을 유전적으로나 약리적으로 억제하는 연구들은 그들이 종양 성장을 촉진시키는데 필수적인 활성을 가짐을 보여준다. 최근 연구 결과에 따르면 UPR은 혈관 신생, 전이, 유전체 안정성, 염증 및 약물 내성을 포함한 암의 모든 주요 특징에 영향을 미칠 수 있다. 흥미롭게도, XBP1은 저산소증 유발 인자 1 (HIF1)과 물리적으로 상호 작용하여 종양 혈관 신생에 기여하는 것으로 나타났다. XBP1은 또한 변화된 지질 대사와 관련된 종양 억제 반응을 약화시킴으로써 난소 암의 진행을 가속화 할 수 있다. 광범위한 연구를 통해 당뇨병에서 UPR 신호의 적응성이 떨어진다는 것이 밝혀졌다. ER 스트레스에 의해 유발된 b 세포 퇴행 설치류 실험 모델을 통한 수 많은 연구를 통해서 조절되지 않은 UPR 신호 전달에 의한 초기 B 세포 손실이 당뇨로 이끄는 원인이 됨을 입증하였다. 이러한 희귀 질환의 형태를 연구하면 일반적인 인간 당뇨병 증후군(1형 및 2형)에서 병태 생리학의 이해를 높일 수 있다. 실제로, PERK 및 IRE1a 신호 전달 조절 장애는 b 세포의 생존에 결정적인 영향을 미친다. 당뇨병에서 UPR 조절 장애의사례가 PERK가 결핍 된 동물에서 나타난다.

PERK 및 XBP1 결실 생쥐는 또한 췌장 분비 기능이 부족함을 보이며 생애 초기에 성장 결함을 나타내어 여러 종류의 분비 특화 세포에서 전체적인 결함을 나타낸다. 흥미롭게도, PERK 유전자 돌연변이(Wolcott-Rallison 증후군이라 불리는)에 의해 야기되는 희귀한 인간 당뇨병은 PERK 유전자 결실 생쥐에서도 그대로 나타난다. b 세포에서 Xbp1이 유전적으로 제거되면 IRE1 과다 활성화가 유발되어 세포 변성과 고혈당이 유발된다.

비정상적인 단백질 응집체의 축적은 알츠하이머, 파킨슨병, 헌팅톤병 및 근위축성 측삭 경화증(ALS)을 비롯한 여러 가지 신경 퇴행성 질환의 특징이다. UPR의 활동은 인간의 사후 조직, 동물 모델 및 유도 만능 줄기 세포(iPSC) 유래 인간 신경세포 등을 비롯한 대부분의 질병에서 광범위하게 연구되어 왔다. 전반적으로 질병의 진행, 조직 병리학적 변화, 단백질 응집 및 ER 스트레스의 발생 간에 직접적인 상관 관계가 형성되었다. UPR 구성 성분을 선택적으로 표적하는 연구들은 신경 퇴행 과정에서 복잡하고 예기치 않은 체계가 관련되어 있음을 밝혔다. UPR은 3가지 경로를 통해 뇌 질환에 기여할 수 있다: (1) ER 스트레스 수준(적응 프로그램)을 줄임으로써 단백체 항상성 증진, (2) 신경 세포 손실을 유발하는 퇴행성 경로, (3) 단백질 번역 억제를 통한 시냅스 기능 장애. 기초 뇌 기능과 관련하여 XBP1은 BDNF 발현 활성화를 통해 학습 및 기억 관련 과정을 개선하여 시냅스 가소성에 기여한다. oligodendrocytes와 Schwann 세포는 myelin 시트를 합성하는 능력이 크기 때문에 UPR이 생리적인 관련성을 가질 수 있는 신경계의 주요 세포 유형이다. 사실, 다발성 경화증과 척수 손상 모델을 사용한 연구는 UPR 신호가 만성적인 ER 스트레스의 해로운 결과를 피할 수 있는 장벽으로 작용한다는 것을 보여주었다. 최근의 발전은 질병 모델에서 탁월한 치료 효과를 갖는 UPR의 특정 성분을 차단하는 선택적 화합물의 동정을 이끌었다. 예를 들어, 작은 분자에 의한 PERK 또는 IRE1a의 억제는 종양 성장을 억제시키는 반면, PERK 또는 eIF2a 인산화를 표적으로 하는 것은 여러 신경 퇴행성 질환의 진행에 긍정적인 결과를 갖는다. 또한 IRE1a 억제제는 인슐린 전구체 비접힘 ("Akita") 또는 자가 면역 췌장 islet 침윤(non-obese diabetic [NOD] 마우스)으로 인한 당뇨 모델을 포함하여 다양한 설치류 모델에서 당뇨병의 진행을 지연시키거나 심지어 치료하기도 하였다. 만성 ER 스트레스는 또한 여러 조직에서의 콜라겐의 비정상적인 축적을 포함하는 조직 섬유화와 관련되어있다. 주목할만한 것은, medaka 물고기를 사용한 연구는 UPR가 손상 될 때 생리적인 ER 스트레스의 주요 근원은 잘못 접힌 콜라겐이 침착되는 것임을 보여주었다. 이러한 관찰은 collagens이 매우 복잡한 접힘 과정을 포함된 분비 경로의 주요한 물질이라는 사실과 일치합니다. 전반적으로, 새로 나타나는 많은 증거들이 UPR이 질병과 관련이 있으며, 질병 유형 및 신호 지점에 따라서 다른 역할을 한다는 것을 뒷받침 해준다.

6. 맺음말

UPR은 반대되는 세포 운명 결과물을 가지는 일종의 품질 관리 경로이다. ER 스트레스에 반응하여, UPR은 초기에 ER 항상성을 회복시키기 위해 접히지 않은 단백질의 부하를 줄이고 분비 경로의 용량을 증가시키는 적응성 단백질 방출 경로를 사용한다. 그러나 회복 불가능한 ER 스트레스 하에서 포유 동물의 UPR은 세포 염증을 촉진하기 위해 염증 유발 및 세포 사멸 신호를 전달하는 신호 플랫폼으로 조립된다. 두 결과 모두 진화 과정에서 다세포 생물에게 유익한 것으로 조정될 수 있다. 그러나 현대 시대에 만성 질환은 세포 변성을 일으키는 UPR 회로를 조절하지 못할 수도 있다. 중요한 점은, 특정 결과로의 UPR 신호 전달은 UPR 신호를 미세 조정하고 다른 스트레스 경로와의 상호작용을 중재하는 특정 UPRosome 복합체의 조립에 의해 엄격히 규제된다는 것이다. 상세히 설명한 바와 같이 만성적인 ER 스트레스로 인한 세포 손상은 다양한 인간 질병에서 병리생리학의 중심으로 부상하고 있다. 따라서, UPR이 생명 신호로부터 죽음 신호로 전환하는 방법에 대한 이해의 진보는 이러한 ER 스트레스 관련 질병을 퇴치하기 위한 새로운 전략을 유도 할 수 있다. IRE1a 및 PERK를 표적으로 하는 것뿐만 아니라 최근에 밝혀진 ATF6를 표적으로 하는 신규 저분자 조절제의 개발은 이들 신호 전달 단백질이 많은 질병의 발병에 기여하는 것을 분석할 수 있는 기회를 제공한다. 이와 같이 앞으로의 연구는 (1) 이 경로가 질병 조절을 위한 표적으로 사용 가능한지 여부를 결정하기 위해 이러한 마스터 UPR 조절자를 표적으로 하는 화합물을 최적화하고 (2) 이후 선도 화합물을 최적화하여 UPR-조절 약물의 첫 시작점이 될 수 있도록 할 것이다. 마지막으로, 많은 인간 질병에서 세포 파괴와 관련이 있는 중요한 하위 말단 신호 전달을 개선하기 위한 유용한 수단으로서 ER 단백질 항상성 형성을 조절하는 복합 치료법이 미래에 나타날 수 있다.

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손조은(2019). 비접힘 단백질 반응과 세포의 운명 조절. BRIC View 2019-R05. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3177 (Feb 14, 2019)
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