GTPase

Small GTPases의 종류와 기능

단일 polypeptide로 된 small GTPases는 20 ~ 40 KDa의 저분자량으로 GTP를 가수분해하여, small GTP - binding proteins (small G proteins) 라고도 한다. 이들 small GTPases는 Ras, Rho, Rab, Arf, Ran 등 5종류가 있다. Small GTPases는 다양한 기능을 가지고 있어, 유전자 표현조절, 세포증식 및 이동, cytoskeletal rearrangement 등과 관련되어 있다. 세포의 신호전달시 small GTPases는 분자 스위치로 작용하여, 비활성화된 GDP 결합상태 (세포질 내에 대부분 존재) 와 활성화된 GTP 결합상태 (세포막에 주로 존재) 를 오고 가게 된다. 대부분의 small GTPases는 C-말단에 isoprenoid들이 결합, post-translational modification되어 활성화된다. Isoprenoid는 farnesyl과 geranylgeranyl의 두 종류가 있어, Ras는 farnesylation에 의하여, Rho는 geranylgeranylation에 의하여 활성화된다. 활성화에는 guanine nucleotide exchange factor (GEF) 가 필요하며, 비활성화 GTPases를 활성화 상태로 변환시킨다. 비활성화에는 GTPase activating protein (GAP) 이 필요하며, GTP 가수분해를 촉진시켜 GTPase가 비활성화된 GDP 결합상태로 변환시킨다. 또한 GTPase 기능조절인자로 GDP dissociation inhibitor (GDI)가 있으며 이들의 기능연구도 활발히 되고 있다. 

Rho GTPase의 종류와 기능

Rho는 인체 내에 20여 가지가 알려져 있다. Rho는 actin cytoskeleton assembly, 평활근 (SMC) 수축, 세포와 세포의 부착 (adhesion), 세포운동과 이동, 유전자전사, 효소활성화 등의 여러 가지 기능을 가지고 있다. Rho는 Rac, Rho, Cdc42 세 가지로 크게 나눌 수 있고, 각각은 서로의 기능에 영향을 미친다. RhoA, B, C, Rac 1, 2, 3, Cdc42, RhoD, Rnd1, Rnd2, PhoE/Rnd3, RhoG, TC10 등이 밝혀져 있다. Actin cytoskeleton assembly에서 Rho는 스트레스 섬유 (stress fiber)와 국소 유착 (focal adhesion)을, Rac는 세포 주변에 lamellipodia를 형성하고, Cdc42는 microspikes 혹은 filopodia를 형성한다. 성장인자나 자극물질에 의하여 이러한 기능을 나타내는 데 Rho는 lysophatidic acid (LPA), Rac는 PDGF, insulin, Cdc42는 bradykinin, IL-1 등에 의하여 유발된다. 인체내 Rho는 85 가지의 활성자들 (GEFs) 과 70 가지의 비활성자들 (GAPs) 에 의하여 조절된다. GDIs는 현재 Rho GDI a, b, r 세 종류가 알려져 있다. 이들 조절인자는 아직까지도 그 기능이 정확하게 알려진 게 많지 않다.

1. Actin cytoskeleton 

Rho, Rac, Cdc42는 actin cytoskeleton의 organization (filament bundling) 과 formation (actin polymerization) 을 초래하는 신호전달계를 활성화한다. Rho에 의한 organization의 기전은 두 가지의 목표물질 p160 Rho kinase (ROCK) 와 mDia-을 활성화하여 actin - myosin filament assembly를 초래한다. p160 ROCK는 여러 가지 기질을 가지고 있으나 myosin light chain (MLC) phosphatase가 중요물질이다. 인산화가 되면 phosphatase가 비활성화되고 인산화된 MLC가 증가되어 mysin II와 actin의 cross - linking이 증가된다. 

Swiss 3T3 세포에 LPA를 부가하면 Rho가 활성화되고 앞서 언급한 actin assembly 경로를 통하여 스트레스 섬유가 형성되고 국소유착이 초래된다. 국소 유착 부위에는 스트레스 섬유가 fibronectin과 같은 세포외기질에 integrin을 통하여 연결되어 있다. Vinculkin, a - actinin, talin 같은 분자들이 integrin과 함께 집합되어 스트레스 섬유의 고정장치 (anchor)로 작용한다. Dominant active ROCK는 Swiss 3T3와 MDCK 세포에서 스트레스섬유를 형성하게 하고, dominant negative ROCK는 LPA 혹은 Rho 활성형태에 의한 스트레스 섬유 형성을 억제한다. 

Actin polymerization은 Arp2/3 (actin - related protein 2/3) 와 Formin과 같은 인자들에 의하여 이루어진다. Rac와 Cdc42는 다른 형채의 actin - rich protrusion (lamellipodia와 filopodia)을 생성하지만 Wiskott - Aldrich syndrome protein (WASP) family를 통하여 Arp2/3 를 간접적으로 활성화한다. 즉, Rac는 WASP family verprolin homologous protein를, Cdc42는 WASP를 통하여 활성화한다. Formin은 Rho에 의하여 활성화되어 filaments의 linear elongation을 유도한다. 

2. 평활근 (SMC) 수축

비근육세포에서는 Rho에 의하여 actin assembly가 이루어지지만 평활근세포에서는 수축이 일어난다. 여러 종류의 agonist들에 의하여 동맥평활근세포에서 Rho 활성화가 이루어진다. 이는 actin과 myosin 수축을 증진시키기 위하여 p160 ROCK가 MLC 인산화를 자극하여 이루어진다. 활성화된 Rho가 ROCK와 myosin phosphatase의 myosin binding subunit (MBS)와 결합된다. 활성화된 ROCK가 MBS를 인산화하면 myosin phosphatase가 억제된다. ROCK dominant active를 부가하면 MLC 인산화를 통하여 혈관평활근 수축이 나타난다. p160 ROCK 억제제 (Y27632) 는 각종 고혈압 실험쥐에서 혈압을 저하시키고 agonist들에 의한 혈관과 기관지 평활근 수축을 억제한다. ROCK에 의한 평활근근육 수축이 고혈합의 병인으로 제시되고 있다.

3. 세포유착

세포와 세포의 유착들에는 toght junction와 adherens junctions를 포함한 여러 가지 형태로 나눌 수 있다. 원주상피 (columnar epithelium)의 연접복합체 (junctional complex)에서 tight junctions는 가장 상단에 위치하여 이온과 수용성물질들의 확산장벽으로 작용한다. Rho는 상피세포의 tight junction이 울타리 역할을 유지하도록 한다. Adherens junctions는 actin filaments가 밀집하여 결합된 구조물로 cadherin과 같은 adhesion molecule로 이루어져 있다. a - catenin 과 b - catenin 등은 cadhein 연관 세포질단백으로 b - catenin 은 cadherin과 a - catenin를 연결하는 다리 역할을 한다. Rac와 Cdc42에 의하여 filopodia와 lamellipodia 같은 actin - rich protrusion 형성이 cadherin 결합과 연관되면 adherens junction assembly가 초래된다.

Rac GEF로 알려진 Tiam1은 MDCK 세포에서 adherens junctions를 형성하고 유지하도록 한다. Tiam 1은 E - cadherin에 의하여 유도되는 세포와 세포유착을 증가시키고, 세포유착부위에 actin polymerization이 동반되게 한다. 반면에 collagen에 부착된 MDCK 세포에서 Rac 활성화가 되면 세포유착이 되기보다는 세포이동이 유도된다. Rac에 의하여 세포의 이동과 유착과 같이 서로 다른 작용을 하게 되는 것은 세포의 종류와 환경에 따라 크게 영향을 받는 것 같다.