스캐폴드 단백질

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Function of Scaffold Proteins[1]

생물학에서 스캐폴드 단백질신호 전달에서 매우 중요한 조절자로서의 역할을 지닌다. 스캐폴드 단백질의 정확한 기능은 아직 밝혀지지 않았지만, 그들은 신호 전달 물질들을 단백질 복합체로 합성하면서 신호 전달 과정에서 많은 상호 작용을 하는 것으로 알려진다. 이러한 신호 전달 과정에서 스캐폴드 단백질은 신호 형질 도입을 조절하고, 원형질막, 세포질, 세포 핵, 골지체,엔도솜, 그리고 미토콘드리아와 같은 세포 내 특정 위치로 (복합체로 구성된) 신호 전달 물질들을 전달하는 과정에 큰 역할을 한다.

역사[편집]

가장 먼저 발견된 신호 전달 스캐폴드 단백질은사카로미세스 세레비시아 효모에서 추출한 Ste5 단백질이다. Ste5 단백질의 세 개의 특정 부위에 키네이스 단백질인 Ste11, Ste7, Fus3이 붙어 복합키네이스 화합물을 형성하면서 상호 작용하는 것으로 밝혀 졌다.[2]

기능[편집]

스캐폴드 단백질은 최소한 네 개의 기능을 가진다.

  • 신호 전달 물질 복합체 형성기능
  • 이러한 복합체를 세포의 특정 부위로 전달해 주는 기능
  • 음성피드백, 양성피드백과의 상호 작용을 통한 신호 전달 형질 도입을 조절하는 기능
  • 다른 단백질로부터 특정 신호 전달 단백질을 보호하는 기능[1]

신호 전달 물질 복합체 형성[편집]

이 특별한 기능은 스캐폴드 단백질의 가장 기본적인 기능으로 알려 졌다. 스캐폴드 단백질은 생화학 캐스캐이드의 신호 전달 물질 요소들을 복합체로 합성해준다. 이러한 복합체 형성은 신호 전달 물질끼리의 불필요한 상호 반응을 최소한으로 줄여 신호 전달 과정에서의 효율성을 향상시킬 수 있고, 신호 전달 과정에서 필요한 요소들을 스캐폴드 복합체에서 모아 줌으로써 신호 전달 과정에서의 효율성을 향상시킬 수 있다. 어떻게 스캐폴드 단백질이 신호 전달과정에서의 효율성을 높이는냐의 가장 대표적인 예는 스캐폴드 단백질이 키네이스 단백질과 그 추출물을 한데 묶음으로서, 키네이스 인산화 과정이 원활하게 일어 날 수 있도록 하는 데에 있다.또한, 몇몇 신호 전달 단백질은 활성화되기 위해서 다중의 상호 작용을 필요로 하는데, 이러한 스캐폴드 단백질의 복합체 상호 작용은 후속 상호작용이 일사불란하게 일어나도록 해준다.[3][4] 스캐폴드 단백질은 이러한 신호 전달 물질들의 분자병용 변화를 야기하는 신호 전달 단백질과의 상호 작용에서의 촉매제로서의 역할도 수행한다.[5] 이러한 변화는 이러한 신호 전달 단백질의 활성을 촉진할뿐만아니라 억제하기도 한다. 대표적인 예가 (MAPK) 과정의 미토겐 활성화 키네이스 단백질에 있는 Ste5 스캐폴드 단백질이다. Ste5 단백질은 MAPKK Ste7에 의한 활성화를 위한 특정한 키네이스 단백질의 작용을 촉매적으로 촉진함으로써 Fus3 MAPK을 통한 mating signaling을 직접적으로 관여하는 것으로 알려졌다.[6]

신호 전달 물질의 세포 내부로의 전달[편집]

스캐폴드 단백질이 세포 내부의 특정 부위에 신호 전달 물질을 전달해 주는 작용은 신호 전달 중간 산물 생산에서 매우 중요한 과정이다. 이러한 과정의 가장 대표적인 예는 스캐폴드 단백질의 일종인 키네이스 A 단백질인데, 이 단백질은 cyclic AMP-dependent 단백질을 세포 내 다양한 장소로 보내주는 역할을 한다.[7]

음성 피드백과 양성 피드백과의 상호 작용[편집]

어떻게 스캐폴드 단백질이 음성 피드백, 양성 피드백과 상호작용을 하는지에 대한 많은 가설은 조작된 스캐폴드 단백질과 수학적 모델링 과정을 거쳐서 나오게 된다. 신호 전달 물질인 세 개의 키네이스에 대하여 스캐폴드 단백질은 이 세 개의 키네이스 효소를 모두 묶는다. 이 과정에서 스캐폴드 단백질은 키네이스 효소가 오직 한 가지의 후속 타겟과의 인산화 반응만이 이루어지도록 제한하고, 이 특성이 신호 전달 반응의 무분별한 확장을 제한하고 키네이스 특이성을 향상시킨다.[3][8][9] 이러한 능력은 스캐폴드 단백질과 키네이스와의 상호 작용, 세포 내에서의 기저 인산염 작용, 스캐폴드 단백질 위치, 신호 전달 물질의 발현 정도에서의 안정성과 관련되어 있다고 보여진다. [3][8]

적절한 신호 전달 단백질을 비활성화로부터 보호작용[편집]

신호 전달 과정은 종종 활성화작용의 역반응을 일으키거나 신호 전달 물질의 분해를 촉진하는 효소들에 의해 비활성화된다. 스캐폴드 단백질은 활성화된 신호 전달 분자를 비활성화나 분해로부터 보호한다고 알려져 왔다. 수학적 모델링을 통한 연구에 의하면 스캐폴드 단백질과 결합하지 않은 키네이스는 그들이 후속 타겟과의 인산화 과정이 일어나기 전에 포스파타아제에 의해 탈인산화 과정이 일어날 가능성이 매우 높았다. [8]

Scaffold protein summary[편집]

Scaffold Proteins Pathway Potential Functions Description
KSR MAPK Assembly and localization of the RAS-ERK pathway One of the best studied signaling pathways in biology is the RAS-ERK pathway in which the RAS G-protein activates the MAPKKK RAF, which activates the MAPKK MAPK/ERK kinase 1 (MEK1), which then activates the MAPK ERK. Several scaffold proteins have been identified to be involved in this pathway and other similar MAPK pathways. One such scaffold protein is KSR, which is the most probable equivalent of the well-studied yeast MAPK scaffold protein Ste5.[10] It is a positive regulator of the pathway and binds many proteins in the pathway, including all three kinases in the cascade.[6] KSR has been shown to be localized to the plasma membrane during cell activation, thereby playing a role in assembling the components of the ERK pathway and in localizing activated ERK to the plasma membrane.[11]
MEKK1 MAPK Assembly and localization of the death receptor signalosome Other scaffold proteins include B-cell lymphoma 10 (BCL-10) and MEK kinase 1 (MEKK1), which have roles in the JUN N-terminal kinase (JNK) pathway.
BCL-10 MAPK Assembly and specificity of JNK
AHNAK-1 Calcium signaling Assembly and localization of calcium channels Calcium signaling is essential for the proper function of immune cells. Recent studies have shown that the scaffold protein, AHNAK1, is important for efficient calcium signaling and NFAT activation in T cells through its ability to properly localize calcium channels at the plasma membrane [14]. In non-immune cells, AHNAK1 has also been shown to bind calcium channels with phospholipase Cγ (PLC-γ) and PKC.[1] Calcium binding proteins often quench much of the entering calcium, so linking these calcium effectors may be especially important when signals are induced by a weak calcium influx.
HOMER Calcium signaling Inhibition of NFAT activation Another example of a scaffold protein that modulates calcium signaling is proteins of the HOMER family. The HOMER proteins have been shown to compete with calcineurin to bind to the N terminus of NFAT in activated T cells.[12] Through this competition, the HOMER proteins are able to reduce NFAT activation, which also reduces the production of the IL-2 cytokine.[12] In contrast, HOMER proteins have also been shown to positively regulate calcium signaling in neurons by linking the glutamate receptor with triphosphate receptors in the endoplasmic reticulum.[13]
Pellino Innate Immune Signaling Assembly of the TLR signalosome Evidence exists that Pellino proteins function as scaffold proteins in the important innate immune signaling pathway, the Toll-like receptor (TLR) pathway. Much Pellino function is speculation; however, Pellino proteins can associate with IRAK1, TRAF6, and TAK1 following IL-1R activation, indicating that they may assemble and localize components of the TLR pathway near its receptor.[14][15]
NLRP Innate Immune Signaling Assembly of the inflammasome The NLR family is a highly conserved and large family of receptors involved in innate immunity. The NLRP (NLR family, pyrine domain-containing) family of receptors function as scaffolds by assembling the inflammasome, a complex that leads to the secretion of pro-inflammatory cytokines such as IL-18 and IL-1β.[16]
DLG1 T-cell receptor signaling Assembly and localization of TCR signaling molecules, activation of p38 DLG1 is highly conserved in immune cells and is important for T-cell activation in the periphery. It is recruited to the immunological synapse and links the ζ-chain of the T-cell receptor (TCR) to CBL, WASP, p38, LCK, VAV1, and ZAP70.[17][18][19][20] This data suggests that DLG1 plays a role in linking TCR signaling machinery with cytoskeleton regulators and also suggests a role in alternatively activating the p38 pathway. However, it is unclear to whether DLG1 positively or negatively regulates T-cell activation.
Spinophilin Dendritic cell signaling Assembly of DC immunological-synapse proteins Spinophilin is involved in dendritic cell function specifically in the formation of immunological synapses. Spinophilin is recruited to the synapse following dendritic cell contact with a T cell. This recruitment seems to be important because without spinophilin, dendritic cells cannot activate T cells in vitro or in vivo.[21] How spinophilin facilitates antigen presentation in this case is still unknown though it is possible that spinophilin regulates the duration of cell contact in the synapse or regulates the recycling of co-stimulatory molecules in the cell like MHC molecules.[1]
Plant FLU regulatory protein[22] Coordination of negative feedback during protochlorophyllide biosynthesis. Assembly and localization of the pathway that turns of synthesis of highly toxic protochlorophyllide, a precursor of chlorophyll. Synthesis of protochlorophyllide must be strictly regulated as its conversion into chlorophyll requires light. FLU regulatory protein is located in thylakoid membrane and only contains several protein-protein interaction sites without catalytic activity. Mutants lacking this protein overaccumulate protochlorophyllide in the darkness. The interaction partners are unknown. The protein underwent simplification during evolution.

References[편집]

  1. Shaw, A.S. and E.L. Filbert, Scaffold proteins and immune-cell signalling. Nat Rev Immunol, 2009. 9(1): p. 47–56.
  2. (1994년) Ste5 tethers multiple protein kinases in the MAP kinase cascade required for mating in S. cerevisiae. 《Cell》 78 (3): 499–512. doi:10.1016/0092-8674(94)90427-8. ISSN 00928674.
  3. Levchenko, A., J. Bruck, and P.W. Sternberg, Scaffold proteins may biphasically affect the levels of mitogen-activated protein kinase signaling and reduce its threshold properties. Proc Natl Acad Sci U S A, 2000. 97(11): p. 5818–23.
  4. Ferrell, J.E., Jr., What do scaffold proteins really do? Sci STKE, 2000. 2000(52): p. PE1.
  5. Burack, W.R. and A.S. Shaw, Signal transduction: hanging on a scaffold. Curr Opin Cell Biol, 2000. 12(2): p. 211–6.
  6. Good, M., et al., The Ste5 scaffold directs mating signaling by catalytically unlocking the Fus3 MAP kinase for activation. Cell, 2009. 136(6): p. 1085–97.
  7. Wong, W. and J.D. Scott, AKAP signalling complexes: focal points in space and time. Nat Rev Mol Cell Biol, 2004. 5(12): p. 959–70.
  8. Locasale, J.W., A.S. Shaw, and A.K. Chakraborty, Scaffold proteins confer diverse regulatory properties to protein kinase cascades. Proc Natl Acad Sci U S A, 2007. 104(33): p. 13307–12.
  9. Uhlik, M.T., et al., Wiring diagrams of MAPK regulation by MEKK1, 2, and 3. Biochem Cell Biol, 2004. 82(6): p. 658–63.
  10. Claperon, A. and M. Therrien, KSR and CNK: two scaffolds regulating RAS-mediated RAF activation. Oncogene, 2007. 26(22): p. 3143–58.
  11. Muller, J., et al., C-TAK1 regulates Ras signaling by phosphorylating the MAPK scaffold, KSR1. Mol Cell, 2001. 8(5): p. 983–93.
  12. Huang, G.N., et al., NFAT binding and regulation of T cell activation by the cytoplasmic scaffolding Homer proteins. Science, 2008. 319(5862): p. 476–81.
  13. Xiao, B., J.C. Tu, and P.F. Worley, Homer: a link between neural activity and glutamate receptor function. Curr Opin Neurobiol, 2000. 10(3): p. 370–4.
  14. Jiang, Z., et al., Pellino 1 is required for interleukin-1 (IL-1)-mediated signaling through its interaction with the IL-1 receptor-associated kinase 4 (IRAK4)-IRAK-tumor necrosis factor receptor-associated factor 6 (TRAF6) complex. J Biol Chem, 2003. 278(13): p. 10952–6.
  15. Yu, K.Y., et al., Cutting edge: mouse pellino-2 modulates IL-1 and lipopolysaccharide signaling. J Immunol, 2002. 169(8): p. 4075–8.
  16. Petrilli, V., et al., The inflammasome: a danger sensing complex triggering innate immunity. Curr Opin Immunol, 2007. 19(6): p. 615–22.
  17. Xavier, R., et al., Discs large (Dlg1) complexes in lymphocyte activation. J Cell Biol, 2004. 166(2): p. 173–8.
  18. Hanada, T., et al., Human homologue of the Drosophila discs large tumor suppressor binds to p56lck tyrosine kinase and Shaker type Kv1.3 potassium channel in T lymphocytes. J Biol Chem, 1997. 272(43): p. 26899–904.
  19. Round, J.L., et al., Scaffold protein Dlgh1 coordinates alternative p38 kinase activation, directing T cell receptor signals toward NFAT but not NF-kappaB transcription factors. Nat Immunol, 2007. 8(2): p. 154–61.
  20. Round, J.L., et al., Dlgh1 coordinates actin polymerization, synaptic T cell receptor and lipid raft aggregation, and effector function in T cells. J Exp Med, 2005. 201(3): p. 419–30.
  21. Bloom, O., et al., Spinophilin participates in information transfer at immunological synapses. J Cell Biol, 2008. 181(2): p. 203–11.
  22. Meskauskiene R, Nater M, Goslings D, Kessler F, op den Camp R, Apel K. FLU: a negative regulator of chlorophyll biosynthesis in Arabidopsis thaliana. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2001; 98(22):12826-31 pdf.

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