[논문]산화 스트레스에 의존한 식물 및 진핵세포 2-시스테인 퍼록시레독신의 기능 조절

장호희; 김선영; 이상열

doi:10.5010/jpb.2006.33.1.001

산화 스트레스에 의존한 식물 및 진핵세포 2-시스테인 퍼록시레독신의 기능 조절
Oxidative Stress-dependent Structural and Functional Regulation of 2-cysteine Peroxiredoxins In Eukaryotes Including Plant Cells 원문보기

식물생명공학회지 = Korean journal of plant biotechnology, v.33 no.1, 2006년, pp.1 - 9

장호희 (환경생명과학 국가핵심연구센터) , 김선영 (경상대학교 응용생명과학부) , 이상열 (경상대학교 응용생명과학부)

초록
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도처에 분포하는 peroxiredoxins (Prxs)은 세포 내 방어신호전달 과정에서 다양한 기능을 하는 것으로 나타났다. Prxs는 크게 typical 2-Cys Prx, atypical 2-Cys Prx와 1-Cys Prx의 세 부류로 분류되는데, 이것들은 cysteine 잔기의 수와 촉매기전에 따라 구분된다. 세 종류의 단백질 중, N-말단에 peroxidatic cysteine 잔기를 포함하는 typical 2-Cys Prx는 $H_2O_2$ 분해과정 동안 과산화물-의존적인 sulfenic acid로의 산화와 thiol-의존적 환원과정이 순환되어 일어난다. Sulfenic acid는 고농도의 $H_2O_2$와 Trx, Trx reductase와 NADPH를 포함하는 촉매 요소의 존재하에 cysteine sulfenic acid로 과산화 될 수 있다 과산화된 2-Cys Prx는 ATP 의존성 효소인 sulfiredoxin의 작용에 의해 천천히 환원된다. 세포가 강력한 산화나 열 충격 스트레스에 노출되면, 2-Cys Prx는 LMW 단백질에서 HMW complex로 구조를 변화시켜 peroxidase에서 chaperone으로 기능의 전환을 일으킨다. 2-Cys Prx의 C-말단 부분 역시 이러한 구조적 전환에 중요한 역할을 한다. 따라서, C-말단이 잘려진 단백질은 과산화가 되지 않고 단백질의 구조와 기능이 조절될 수 없다. 이러한 반응들은 활성 자리인 peroxidatic cysteine 잔기에 의해 일차적으로 유도되며, 그것은 세포에서 '$H_2O_2$ sensor' 로서 작용하다. 2-Cys Prx의 가역적인 구조와 기능 변화는 세포가 외부자극에 적응하는 수단으로 작용하며, 아마도 세포내 방어신호체계를 활성화 시키는 것으로 생각된다. 특히, chloroplast에 존재하는 식물 2-Cys Prx는 촉매반응 동안 주된 구조적인 변화를 나타내는 역동적인 단백질 구조를 가지고 있어서, 산화-환원 의존적으로 super-complex를 형성하고 가역적으로 thylakoid membrane에 부착한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Peroxiredoxins (Prxs) are ubiquitously distributed and play important functions in diverse cellular signaling systems. The proteins are largely classified into three groups, such as typical 2-Cys Prx, atypical 2-Cys Prx, and 1-Cys Prx, that are distinguished by their catalytic mechanisms and number of Cys residues. From the three classes of Prxs, the typical 2-Cys Prx containing the two-conserved Cys residues at its N-terminus and C-terminus catalyzes $H_2O_2$ with the use of thioredoxin (Trx) as an electron donor. During the catalytic cycle, the N-terminal Cys residue undergoes a peroxide-dependent oxidation to sulfenic acid, which can be further oxidized to sulfinic acid at the presence of high concentrations of $H_2O_2$ and a Trx system containing Trx, Trx reductase, and NADPH. The sulfinic acid form of 2-Cys Prx is reduced by the action of sulfiredoxin which requires ATP as an energy source. Under the strong oxidative or heat shock stress conditions, 2-Cys Prx in eukaryotes rapidly switches its protein structure from low-molecular-weight species to high-molecular-weight protein structures. In accordance with its structural changes, the protein concomitantly triggers functional switching from a peroxidase to a molecular chaperone, which can protect its substrate denaturation from external stress. In addition to its N-terminal active site, the C-terminal domain including 'YF-motif' of 2-Cys Prx plays a critical role in the structural changes. Therefore, the C-terminal truncated 2-Cys Prxs are not able to regulate their protein structures and highly resistant to $H_2O_2$-dependent hyperoxidation, suggesting that the reaction is guided by the peroxidatic Cys residue. Based on the results, it may be concluded that the peroxidatic Cys of 2-Cys Prx acts as an '$H_2O_2$-sensor' in the cells. The oxidative stress-dependent regulation of 2-Cys Prx provides a means of defense systems in cells to adapt stress conditions by activating intracellular defense signaling pathways. Particularly, 2-Cys Prxs in plants are localized in chloroplasts with a dynamic protein structure. The protein undergoes conformational changes again oxidative stress. Depending on a redox-potential of the chloroplasts, the plant 2-Cys Prx forms super-molecular weight protein structures, which attach to the thylakoid membranes in a reversible manner.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 2.Cys Prx의 산화-환원 조절에 의한 세포 내 신호전달에 있어서 현재까지 정립된 개념에 대한 최근 정보를 살펴보고자 한다.
자체에 의하여 쉽게 불활성 된다는 보고에 대해서는 peroxidase로서의 기능만으로는 설명하기에 어려운 반응들이 많이 존재한다 (Yang et aL 2002). 따라서, 본 총설에서는 다양한 생체반응에 관여하는 2-Cys Prx 효소가 어떠한 mechanism을 통하여 반응을 조절하는지의 기능 조절 mechanism과 기능적 변화에 따른 단백질의 구조적 변신과정을 살펴보고자 한다. 또한 2.

성능/효과

H₂O₂를 제거하면 2-Cys Prx의 HMW complex는 Srxl의 작용에 의해 LMW 단백질로 분해됨과 동시에 chaperone에서 peroxidase로 기능적 전환이 일어난다. 결론적으로, 정상세포에서 진핵세포 2-Cys Prx는 작고 중간 크기 구조로 존재하여 peroxidase와 chaperone의 두 가지 기능을 나타내지만 세포가 열 충격이나 산화 스트레스를 받게 되면 2-Cys Prx의 LMW 형태는 HMW complex 로 구조적 전환이 일어나서 chaperone 활성이 크게 증가하 게 되어 세포를 산화스트레스로부터 보호한다 (Figure 4).
결론적으로, 진핵세포 2-Cys Prx는 낮은 농도의 H2O2에서는 항산화 단백질로서 기능을 하지만 높은 H2O2농도에서 는 단백질의 기능이 peroxidase에서 molecular chaperone으 로 바뀌게 되며 이러한 기능조절을 위해서, 2-Cys Prx는 'YF-motif 를 가지는 C-말단 부위의 도움으로 H₂O₂에 의한 peroxidatic cysteine의 과산화를 통하여 단백질의 구조가 빠르게 변하게 되는 것이다. 이러한 결과는 산화스트레 스에 대한 단백질의 구조와 기능을 바꾸는 C-말단 YF- motif 를 가지는 진핵세포 2-Cys Prx의 조절 메커니즘은 진핵세포의 진화 과정 중에 선택적으로 유도되었음을 제시하 고 있다.
과산화에 의한 2-Cys Prx의 peroxidase 기능 의 영구적인 불활성은 아주 효율적인 세포시스템에 존재하기에는 너무 비경제적이다. 이러한 결과들로부터, H₂O₂ 가 높은 농도로 존재할 때 2-Cys Prx는 peroxidase 이외의 다른 기능을 가질 것이라고 유추할 수 있다. 이런 상황에서, 과산화된 2-Cys Prx를 환원시킬 수 있는 효소인 sulfire doxin (Srxl)이 효모로부터 밝혀졌다 (Figure 3) (Biteau et al.
두 가지 종류의 2-Cys Prx isotype 중 C-말단 YF-motif를 가지는 효소는 산화 스트레스에 의한 불활성에 매우 민감한 반면, 다른 isotype는 C-말단 꼬리가 결핍되어 있고 과산화에 저항성 이 있다. 이러한 결과로부터, 진핵세포 2-Cys Prx의 C-말단 부위는 H2O2에 의한 불활성에 대한 민감성과 구조적 변화에 중요한 영향을 준다는 결론을 내릴 수 있다. 진핵세포의 2-Cys Prx가 산화 스트레스와 열 충격에 노출되었을 때 단백질의 구조와 기능이 전환된다는 결과 (Jang et al.
진핵세포 2-Cys Prx는 구조적 변화와 함께 peroxidase와 chaperone 의 두 가지 기능을 나타내며 사lap여'one 기능에 의하여 열 충격과 화학적 스트레스에 의한 기질 변성을 효과적으로 방지하였다. 특히 2-Cys Prx의 기능적 전환은 4차 구조에 서의 다양한 변화와 밀접하게 연관되어 있다는 것을 알았다, Size exclusion chromatography, native-PAGE와 전자현미경 분석법에 의한 결과로부터 2-Cys Prx가 여러 가지 크기의 단백질 복합체, 즉 high molecular weight (HMW) complex 구조의 sphere 모양 (1000 kDa 이상)과 ring 모양 의 중간크기 복합체 그리고 불규칙한 low molecular weight (LMW) 단백질(의 40에서 120 kDa)들로 구성되어 있다는 사실을 알았다. HMW complex는 chaperone 기능을 나타내 는 반면, LMW 단백질은 peroxidase기능을 나타내고 중간 크기의 단백질에서는 peroxidase와 chaperone의 두가지 기능 모두를 나타내었다.

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