[생물 임용 노트]신호 전달 - 2) 세포 내 신호 전달 : 수용체 타이로신 카이네스(RTKs)

Receptor tyrosin kinase(RTKs)

세포막 밖에 리간드 결합 영역(ligand binding domain)이 있고, 세포질 쪽 효소 활성 자리가 있고, 두 영역은 세포막을 횡단하는 하나의 분절에 의해 연결되어 있다.

인슐린 경로

세포막 수용체에서 세포질 민감성 효소, 세포질 민감성 효소에서 핵까지 경로가 연결되어 있어 신호가 전달된다. 최종적으로 핵에서 특정 유전자의 발현을 촉진한다.

활성형 인슐린 수용체(INS-R)

활성형 인슐린 수용체(INS-R)는 세포막 바깥으로 돌출된 2개의 동일한 소단위체인 α 소단위와, C말단이 세포질 쪽으로 돌출되어 막을 횡단하는 β 소단위로 구성된다.

• α 소단위 : 인슐린 결합 자리
• β 소단위 : 세포 속 영역에 단백질 카이네스 활성화 - ATP의 인산기 하나를 표적 단백질의 Tyr-OH로 전달

인슐린이 결합하여 β 소단위위 타이로신 카이네스 활성을 촉진시켜 인슐린 경로가 시작된다.
각 β 소단위는 (αβ)₂ 이합체 상태에서 상대편 β 소단위위 C말단 근처 3개의 특정 Tyr 잔기를 인산화시킨다. 이는 일종의 자가 인산화이다. → 효소 활성 자리가 노출되어 다른 표적 단백질의 Tyr 잔기를 인산화하는 것이 가능해진다.

인슐린 반응의 신호전달 기작

• 과정

1. 인슐린이 수용체에 결합 시 수용체 C말단이 자가 인산화
2. 인슐린 수용체가 IRS-1의 Tyr 잔기를 인산화
3. Grb2의 SH₂ 영역에 IRS-1이 결합 - 이때 Grb-2는 결합 단백질로 촉매 기능은 없음
4. Grb2의 SH₃ 영역에 SOS가 결합
5. SOS는 구아노신 뉴클레오타이드 교환인자(GEF)로 작용하여 G-protein의 일종인 Ras의 GDP를 GTP로 치환
6. Ras는 활성화되어 단백질 카이네스 일종인 Raf-1을 활성화하고, Raf-1은 MEK를, MEK는 ERK를 인산화시켜 활성화하는 인산화 연쇄 반응이 일어남
7. ERK는 활성화 시 핵으로 들어가 Elk-1 같은 전사 인자를 인산화시켜 인슐린에 의해 조절되는 유전자의 전사를 조절

MAPKs 연쇄 반응

ERK는 세포 외부로부터 핵의 유사분열(mitosis)과 세포질 분열을 유도하는 신호로 작용하는 분열촉진물질 활성화 단백질(MAPKs, mitogen-activated protein kinase)의 일원이다.

• MAPK를 인산화시켜 활성화시키는 효소를 MAP 카이네스 카이네스(MAPKK)라고 하며 이것이 MEK이다.
• MAPKK를 인산화 시켜 활성화 시키는 효소를 MAP 카이네스 카이네스 카이네스(MAPKKK)라고 하며 이것이 Raf-1이다.
• 이러한 연쇄 반응으로 초기 신호가 수백~수천 배로 증폭된다.

IRS-1 경로의 분지

인슐린으로부터 신호 전달 경로는 IRS-1 분지점에서 여러 지류로 뻗어 나간다.

IRS-1 경로의 분지

• 과정

1. PI-3K(phosphoinositide 3-kinase)의 SH₂ 영역에 IRS-1이 결합하고 PI-3K는 PIP₂를 PIP₃로 전환
2. PIP₃에 결합한 PKB가 PPK-1에 의해 인산화되고 GSK3를 인산화시켜 불활성화
3. GS가 활성화
4. Glycogen 합성이 증가
5. PKB 또한 GLUT4를 내막 소포에서 세포막으로 이동하는 것을 촉진하여 포도당의 흡수를 증가시킴

RTKs의 장점과 종류

EGF, PDGF 수용체도 INS-R과 같은 구조를 갖는다. 하지만 INS-R은 특이적으로 리간드 결합 전에 이미 (αβ)₂ 이합체로 존재한다.

• 장점
• 하나의 수용체 활성화로 여러 IRS-1을 활성화 → 신호 증폭
• IRS-1을 통해 여러 신호를 통합하는 것이 가능
• IRS-1은 SH₂ 영역을 갖는 단백질과 결합이 가능하기에 여러 신호를 활성화하는 것이 가능

JAK-STAT 신호 전달 체계

포유동물의 적혈구 조절체계에 이용된다.

JAK-STAT 신호 전달계

• 과정

1. EPO 결합 → 수용체 이합체화 → JAK 결합 → 수용체의 Tyr 잔기 인산화 (1>)
2. STAT의 SH₂ 영역을 통해 수용체의 ⓟ-Tyr 잔기 결합 시 JAK과 가까이 있는 STAT 인산화 (2>)
3. 인산화된 STAT가 이합체를 형성하면 NLS가 드러나고 이들이 핵으로 이동하여 적혈구 성숙에 필요한 유전자를 전사 (3>)
4. 활성화된 JAK는 Grb₂를 통한 MAPK 연쇄 반응을 활성화시켜 특정 유전자의 발현 양상을 바꾸기도 함(4>)

신호 전달의 crosstalk

신호전달의 crosstalk 예시

실제로 신호 전달계 사이에는 광범위한 교차반응이 일어난다. 대사 조절 회로의 경우 고도로 뒤섞이고 여러 겹으로 경로가 짜여 있는 것을 볼 수 있다.

• 예시> 인슐린의 2가지 경로 : β-아드레날린성 신호 약화 / β-아드레날린성 신호를 통한 ERK 활성화

1. INS-R은 직접 GPCR의 Tyr 잔기를 인산화하고, PKB에 의한 GPCR의 Ser 잔기의 인산화로 β-아드레날린성 수용체를 세포 내로 함입시켜 민감성을 감소 시킴
2. INS-R에 의한 Tyr 잔기가 인산화되고 Grb₂ 같은 SH₂ 영역 단백질을 끌어들이는 핵심점으로 작용한다.