Chapter 28

Signal Transduction

28.1. Introduction

<Key Concepts>

1.PM 은 세포를 주변의 환경과 갈라놓는다 .

(1) steroid hormone 과 같은 small lipid-soluble molecules 들은

permeable 하기 때문에 , PM 을 통과하여 세포질로 쉽게 diffuse 된

다 .

(2) 하지만 , ions, small inorganic molecules 와 protein 들과 같은

water-soluble material 들은 impermeable 하다 .

2. 이러한 hydrophilic 한 extracellular molecule ('ligand') 은 PM 에

embedded 된 단백질 ('receptor') 의 extracellular domain 에

특이적으로 붙는다 .

3. PM 을 통과할 수 없는 external stimulatory molecule 의 두 가지는

그림 28.1 과 같이 정보를 전달한다 .

Figure 28.1 Overview: information may be transmitted from the exterior to the interior of the cell by movement of a ligand or by signal transduction.

(1) Material: lipid bilayer 에 있는 proteinaceous channel 를 통하여 물리적으로 안쪽으로 이동되어지는 분자나 거대분자들 . (2) Signal: membrane protein 의 속성을 변화시켜서 그 단백질의 cytosolic domain 을 활성화시킴 .

Figure 28.2 Ion channels, receptor-mediated ligand transport, and receptor internalization can transfer material into the cell.

PM 단백질에 의해서 조절되는 세 가지 주요 transport routes . (1) ion 들의 이동을 조절하는 channels (2) sugar 같은 small molecule 들의 도입에 관여하는 transporters (3) endocytosis 과정에 의해서 receptor-ligand 를 들여오는 internalization

Figure 28.3 A signal transduction pathway carries a signal from the cell surface into the cytoplasm and (sometimes) into the nucleus.

일반적으로 , receptor 는 dimer 가 형성되면서 activate 된다 . Active 한 receptor 의 cytosolic domain 에 특정 단백질이 붙게 되면 , (1) second messenger 를 생성하거나 , (2) 다른 단백질을 활성화 시키는 역할을 하는 monomeric GTP-binding protein 들을 활성화시킨다 .

Signal 은 effector 를 활성화시키는데 , 이들 effector 들은 cytosol 에서 작용하기도 하고 핵 내의 TF 활성화에 관여 하기도 한다 .

Figure 28.4 A signal may be transduced by activating the kinase activity of the cytoplasmic domain of a transmembrane receptor or by dissociating a G protein into subunits that act on target proteins in the membrane.

Signal transduction 에 의 가장 주요한 두 가지 type: (1) Receptor 의 cytosolic domain 이 protein kinase activity 를 가지는 경우 . Ligand 가 붙으면 autophosphorylation 된다 . 가장 일반적인 kinase receptor 는 tyrosine kinase 와 serine/threonine kinase receptor 이다 . (2) receptor 가 trimeric G protein 과 interaction 하는 경우 .

28.2. Carriers and channels form water soluble paths

through the membrane

<Key Concepts>

(1) PM 을 가로 지르는 electric gradient ( 안쪽이 더 negative) 는 cation ( 양이온 ) 이 들어오는 것을 더 선호한다 .

(2) 농도 경사는 이온 , 즉 세포내부의 낮은 Na+, Cl- 와 높은 K+, 에 좌우된다 .

(3) 전체적인 electrochemical gradient 가 어떤 ion 에 favorable

하다면 , 그 이온은 수동적으로 들어갈 수 있다 . 그렇지 않으면 ,

농도경사를 거슬러 active transport 되어야 한다 .

(4) PM 을 가로 질러 용질을 이동시키는 carrier protein 은 uniporter

(one solute), symporter (two solutes), antiporter (two solutes

in opposite directions) 일 수 있다 .

(5) Ion channel 은 막 내부의 water-soluble pore 이다 . 이들은 voltage 나 ligand 에 의해서 조절된다 .

- 세포질의 이온 환경은 extracellular 의 이온환경과는 아주 다르다 .

또한 세포질 내에서도 다른 소기관들은 각각 다른 ionic

environment 를 나타낸다 . ( 예 , endosome 과 lysosome 의 acidic pH, ER 의 Ca2+ 저장 등 )

- 세포질에는 anions (-)(~ 10 mM) 보다는 cations (+)(~ 150

mM) 가 더 많이 존재한다 [ 세포 구성물질이 (-) charge 를 띄는 것이 한 가지 이유 ]

- Na+ 와 Cl- 의 세포 내 농도 (~ 10 mM) 는 바깥 (> 100 mM) 보다 낮다 . 하지만 K+ 는 반대이다 (’concentration gradient’)

- PM 은 전기적으로 charge 되어 있다 ( 내외부의 phospholipid

구성의 차이 때문 ). 바깥에 비하여 안쪽이 negative 한 ‘ electrical

gradient’ 가 존재하고 따라서 cation 이 들어오는 것을 선호한다 .

- Concentration gradient 와 electrical gradient 를 합쳐서 electrochemical gradient 라 하며 , 각 용질에 대한 특성으로 풀이될 수 있다 . 어떤 용질에 대하여 gradient 가 우호적이면 ,

passive transport 가 가능하나 그렇지 않으면 active transport 가 필요하다 .

Figure 28.5 A carrier (porter) transports a solute into the cell by a conformational change that brings the solute-binding site from the exterior to the interior, while an ion channel is controlled by the opening of a gate.

PM 을 통한 이온의 이동은 transmembrane protein 에 의한다 : (1) carrier protein (conformational change) (uniporter, symporter, antiporter), (2) ion channel (water-soluble pore in the membrane) (ligand-gated, voltage-gated, second messenger-gated channels)

Figure 28.6 A channel may be created by amphipathic helices, which present their hydrophobic faces to the lipid bilayer, while juxtaposing their charged faces away from the bilayer. In this example, the channel is lined with positive charges, which would encourage the passage of anions.

Amphipathic helix 가 channel 을 형성할 때 , hydrophobic 부분이 lipid bilayer 쪽으로 , charge 된 부분이 안쪽으로 있어서 , anion 들의 passage 를 쉽게 한다 .

28.3. Ion channels are selective

<Key Concepts>

(1) 전형적인 channel 은 몇 개의 protein subunit 으로 구성되어 ,

대칭 축의 water-soluble pore 를 형성한다 .

(2) Selectivity 는 pore 의 속성에 의해서 결정된다 .

(3) Gate 는 ‘ ball and chain’ 과 같은 mechanism 에 의해서 작동된다 .

Figure 28.7 A potassium channel has a pore consisting of unusual transmembrane regions, with a gate whose mechanism of action resembles a ball and chain.

Figure 28.8 The pore of a potassium channel consists of three regions.

Figure 28.9 A model of the potassium channel pore shows electrostatic charge (blue = positive, white = neutral, red = negative) and hydrophobicity (= yellow).

28.4. Neurotransmitters control channel activity

<Key Concepts>

(1) Neurotransmitter-gated receptor 는 acetylcholine, glycine,

GABA (-aminobutyric acid) 와 같은 neurotransmitter 들에 의해서 조절된다 .

(2) Nicotinic acetylcholine receptor 는 5-subunit ion channel 로서 여러 가지 cation 들을 허용하지만 , 세포가 Na+ 를 uptake 하는 것은 조절한다 .

Figure 28.10 The acetylcholine receptor consists of a ring of 5 subunits, protruding into the extracellular space, and narrowing to form an ion channel through the membrane.

이 receptor (AchR) 는 구조의 pentamer 이다 . Ligand binding 은 subunit 에서 일어나며 gate 를 open하기 위해서는 acetylcholine 이 각각의 subunit 에 붙어야 한다 .

28.5. G proteins may activate or inhibit target

proteins

<Key Concepts>

(1) Serpentine ( 뱀 모양으로 굽어진 형태의 ) membrane receptor 에 ligand 가 붙으면 G protein 을 activate 시킨다 .

(2) G protein 은 trimer 로서 , inactive state 에는 GDP 에 bound

되어 있다 .

(3) Active 한 receptor 는 G-protein 에 붙어 있는 GDP 를 GTP 로 replace 시킨다 .

- G protein 은 signal 들을 다양한 receptor 들로부터 다양한 target

으로 전달한다 .

(1) Receptor: a resident membrane protein that is activated by an

extracellular signal.

(2) G protein: converted into active form when an interaction with

the activated receptor causes its bound GDP to be replaced

with GTP.

(3) Effector: the target protein that is activated (or – less often –

inhibited) by the G protein; sometimes it is another

membrane-associated protein.

(4) Second messengers: small molecules that are released as the

result of activation of certain types of effectors

- Receptor 는 G-protein 의 upstream, effector 는 downstream

이라고 할 수 있다 .

Figure 28.11 Classes of G proteins are distinguished by their effectors and are activated by a variety of transmembrane receptors.

이중에서 가장 classic 한 것은 Gs 와 Gt 이다 .

28.6. G proteins function by dissociation of the trimer

<Key Concepts>

(1) GDP 가 GTP 로 replace 되었을 때 , trimeric G protein 은 -GTP

subunit 과 dimer 로 나누어진다 .

(2) 다음 component (the effector) 를 activate 시키는 것은 주로

subunit 이다 .

(3) 아주 드물게 , 가 effector 를 activate 시키기도 한다 .

Figure 28.12 Activation of Gs causes the subunit to activate adenylate cyclase.

Activated receptor 는 GDP 를 GTP 로 바꾸게 하여 , G protein 이 free -GTP subunit 과 free 한 dimer 로 dissociate 시킨다 .

28.7. Protein kinases are important players in signal

transduction

<Key Concepts>

(1) Protein kinase 는 target 단백질의 Ser/Thr 혹은 Tyr 을 인산화시키는 group 으로 각각 나뉜다 .

(2) Receptor protein kinase 들은 주로 protein tyrosine kinase

들이다 .

(3) Cytosolic protein kinase 들은 주로 protein Ser/Thr kinase

들이다 .

- Signal transduction 에 관여하는 많은 type 의 protein kinase 들이 있다 . 모두 같은 기본적인 catalytic activity 를 갖는데 , target

protein 의 특정 아미노산에 인산기를 붙인다 . 그래서 protein

kinase 는 ATP-binding site 와 target 아미노산에 붙을 수 있는 catalytic center 가 있다 .

- Protein kinase 는 세가지 group 이 있다 .

(1) Protein serine/threonine kinases, (2) Protein tyrosine kinases,

(3) Dual specificity kinase (either tyrosine or serine/threonine)

- Two types of location

(1) Cytosolic protein kinases: 주로 Ser/Thr protein kinase 로서 세포내의 많은 인산화 과정에서 작용한다 . Cdk (cyclin-dependent

kinase) 나 MAP kinase 같은 것이 예이다 .

(2) Receptor protein kinases: PM 에서 발견되며 , 대부분 tyrosine

kinase 이기 때문에 , RTK (receptor tyrosine kinase) 라 한다 .

드물게는 Ser/Thr 도 발견된다 .

Figure 28.13 The active site of a cytosolic kinase is identified by the catalytic loop (green). The target sequence for phosphorylation binds to the active site. Amino acid 0 is phosphorylated. The amino acid on the N-terminal side (indicated by N) is immediately adjacent to the phosphorylation lip, which is a sequence in the kinase that is often itself phosphorylated.

모든 kinase 는 ATP 와 target protein의 short sequence 가 붙을 수 있는 active site 가 있다 . Active site 에 붙는 sequence 는 대가 consensus 하며 3-4 amino acid 길이이다 . Active site 는 enzyme 의 짧은 loop 부분으로서 deep cleft 를 형성한다 .

Figure 28.14 A receptor tyrosine protein kinase has an extracellular domain that binds a ligand, which is usually a polypeptide, and a cytoplasmic domain that includes a kinase region. ATP binds adjacent to the catalytic site. An important feature is the activation loop, which contains tyrosine residues whose phosphorylation activates the kinase activity. The activation loop containing these tyrosines changes its position when they are phosphoryated.

28.8. Growth factor receptors are protein kinases

<Key Concepts>

(1) 어떤 growth factor receptor 의 extracellular domain 에 ligand

가 붙게 되면 cytoplasmic domain 의 kinase activity 를 활성화 시킨다 .

(2) Receptor 는 second messenger 를 활성화시키거나 , a cascade

of kinases 를 활성화시키기도 한다 .

- Growth factor receptor 들은 그들의 ligand 가 growth factor (

혹은 cytokine) 인 small polypeptide 이기 때문에 이름이 붙여졌다 .

- 이러한 factor 들은 changes in the uptake of small molecules,

initiation or stimulation of the cell cycle, and ultimately cell

division 에 관여하는 등 많은 effect 를 갖는다 .

- Secreted cytokine 으로는 EGF (epidermal growth factor), PDGF

(platelet-derived growth factor), insulin 등이 있다 .

- 이들 receptor 들은 일반적으로 group I integral membrane

protein 으로서 , N-terminal 부분이 바깥쪽으로 , C-terminal 부분이 cytoplasmic side 에 존재한다 .

- 대부분의 receptor 들은 single polypeptide chain 이지만 , insulin

receptor 등 예외적으로 disulfide-bonded dimer 인 것도 있다 .

- Receptor tyrosine kinases (RTKs) 에 의해서 활성화되는 effector

pathway 에는 두 가지로 구분될 수 있다 .

(1) An enzymatic activity is activated that leads to the production

of a small molecule second messenger: Lipids 가 일반적인 second messenger 인데 , 효소로 작용하는 것은 phospholipases

(which cleave lipids from larger substrates) 와 kinases (which

phosphorylate lipid substrates) 이다 ( 그림 28.15).

(2) The effector pathway is a cascade that involves a series of

interactions between macromolecular components: 가장 일반적인 것으로는 protein kinase 들이다 . Cascade 로 작용하며 ,

TF 와 같은 단백질을 최종적으로 phosphorylation 시킨다 .

Figure 28.15 Effectors for receptor tyrosine kinases include phospholipases and kinases that act on lipids to generate second messengers.

28.9. Receptors are activated by dimerization

<Key Concepts>

(1) Receptor monomer 에 ligand 가 붙으면 , extracellular domain

들이 서로 interaction 하여 dimer 가 형성된다 .

(2) 이러한 dimerization 은 membrane bilayer 내에서 membrane

protein 이 수평으로 이동할 수 있게 한다 .

(3) 또한 dimerization 은 autophosphorylation 에 의해서 cytoplasmic domain 을 활성화시킨다 (kinase activity of each

monomer phosphorylates the other monomer).

Figure 28.16 Ligand binding to the extracellular domain causes receptor dimerization.

Figure 28.17 Binding of ligand to the extracellular domain can induce aggregation in several ways. The common feature is that this causes new contacts to form between the cytoplasmic domains.

28.10. Receptor kinases activate signal transduction

pathways

<Key Concepts>

(1) Receptor activation 은 cytoplasmic domain 에 있는 몇몇 short

sequence motif 들의 Tyr 을 phosphorylation 시킨다 .

(2) Different substrate proteins bind to particular motifs.

(3) Substrate protein 은 다른 단백질에 bind 하는 docking protein (

혹은 adaptor) 이거나 , receptor 와 결합하여 activation 되는 효소활성을 갖는 signaling protein 이다 .

Figure 28.18 Phosphorylation of the intracellular domain of a receptor creates sites that bind cytosolic proteins.

28.11. Signaling pathways often involve protein-

protein interactions

<Key Concepts>

(1) SH2 (SRC homology)-binding site 는 phospho-Tyrosine

residue 를 갖고 있다 . 이 residue 는 SH2 domain 에 의해서 인식된다 .

(2) 특정 receptor 는 다른 signaling protein 들의 SH2 domain 에 의해서 인식되는 여러 개의 SH2-binding site 를 갖고 있다 .

(3) Signaling protein 은 다음 단백질에 의해서 인식되는 SH3 domain

을 갖는 경우가 있다 .

Figure 28.19 Several types of proteins involved in signaling have SH2 and SH3 domains.

Figure 28.20 Autophosphorylation of the cytosolic domain of the PDGF receptor creates SH2-binding sites for several proteins. Some sites can bind more than one type of SH2 domain. Some SH2-containing proteins can bind to more than one site. The kinase domain consists of two separated regions (shown in blue), and is activated by the phosphorylation site in it.

Figure 28.21 SH2 and SH3 domains are used for protein-protein interactions in signal transduction cascades. Typically a phosphorylated receptor recognizes an SH2 target in its substrate, and an SH3 domain in the substrate then recognizes the next protein in the cascade.

28.12. Phosphotyrosine is the critical feature in

binding to an SH2 domain

<Key Concepts>

(1) SH2 (SRC homology)-binding site 는 phospho-Tyrosine

residue 를 가지며 , C-terminal side 에는 5 개 이하의 아미노산이 있다 .

(2) SH2 domain 은 target 단백질의 SH2-binding site 에 있는 phospho- tyrosine 를 bind 하는 pocket 을 갖는 globular

structure 를 형성한다 .

- SH2 domain 은 다른 단백질의 target site 와 interact 하는 약 100

아미노산을 포함하는 region 이다 .

Figure 28.22 Phosphorylation of tyrosine in an SH2-binding domain creates a binding site for a protein that has an SH2 domain.

Figure 28.23 The crystal structure of an SH2 domain (purple strands) bound to a peptide containing phosphotyrosine shows that the P-Tyr (white) fits into the SH2 domain, and the 4 C-terminal amino acids in the peptide (backbone yellow, side chains green) also make contact.

28.13. Prolines are important determinants in

recognition sites

<Key Concepts>

(1) SH3 domain 은 PXXP 아미노산 서열로 형성된 구조에 bind 한다 .

(2) Docking protein 들은 흔히 PTB (phosphotyrosine-binding

motif) domain 을 갖고 있다 . 이 domain 은 receptor 에 있는 NPXpY motif ( 주로 Asn-Pro-phosphoY consensus) 에 bind 한다 .

(3) PDZ domain 에 있는 -sheet 은 target sequence 에 있는 C-

terminal -strand 와 bind 한다 .

(4) WW domain 은 proline-rich target sequence 를 인식한다 .

Figure 28.24 A PXXP sequence forms a helical structure in which the two flat prolines form a base and the intervening residues stick up out of the plane. The prolines bind to shallow grooves on the surface of the SH3 domain.

Figure 28.25 A docking protein is an adaptor that connects an activated receptor to a signaling protein(s). It may have a PTB domain that recognizes the motif NPXpY in the receptor.

Figure 28.26 A peptide binds to a PDZ domain by inserting as an additional strand in an anti-parallel -sheet. The strands of the -sheet are shown as ribbons, with directionality indicated by the arrowheads. The peptide binds between one of the -strands and an -helix in the PDZ domain. Its C-terminal end makes contacts with the COOH-binding loop.

Figure 28.27 A WW domain has a -sheet consisting of three -strands that interacts with a target peptide. The insertion shows how amino acids from two of the -strands specifically interact with the target peptide. The characteristic feature is the insertion of the Trp from the WW domain between the two Pro residues in the target. (W= Trp)

28.14. The Ras/MAPK pathway is widely conserved

<Key Concepts>

(1) Ras/MAPK pathway 는 monomeric G protein 인 Ras 의 activation 으로 시작하고 , a series of kinases 를 각각 activation

시키는 cascade 로 계속되어진다 .

Figure 28.28 Autophosphorylation triggers the kinase activity of the cytoplasmic domain of a receptor. The target protein may be recognized by an SH2 domain. The signal may subsequently be passed along a cascade of kinases.

Figure 28.29 A common signal transduction cascade passes from a receptor tyrosine kinase through an adaptor to activate Ras, which triggers a series of Ser/Thr phosphorylation events. Finally, activated MAP kinases enter the nucleus and phosphorylate transcription factors.

Figure 28.30 The Ras cascade is initiated by a series of activation events that occur on the cytoplasmic face of the plasma membrane.

28.15. The activation of Ras is controlled by GTP

28.16. A MAP kinase pathway is a cascade

나머지 부분 생략

< 아미노산의 약자 >1. 두문자가 겹치지 않는 경우는 그대로 사용한다 . Cysteine = Cys = C, Histidine = His = H, Isoleucine = Ile = IMethionine = Met = M, Serine = Ser = S, Valine = Val = V

2. 두문자가 겹치는 경우 보다 흔한 것에 우선권 부여한다 Alanine = Ala = A, Glycine = Gly = G, Leucine = Leu = LProline = Pro = P, Threonine = Thr = T

3. 동일한 발음의 두문자를 사용한다 Phenylalanine = Phe = F ("Fenylalanine"), Arginine = Arg = R ("aRginine"), Tyrosine = Tyr = Y ("tYrosine")Tryptophan = Trp = W (" 두개의 고리구조를 가진 분자 ")

4. 두문자에 가까운 것을 사용한다 .  Aspartic acid = Asp = D (near A), Asparagine = Asn = N (contains N)Glutamic acid = Glu = E (near G), Glutamine = Gln = Q ("Q-tamine)Lysine = Lys = K (near L)

D 또는 N = Asx = BE 또는 Q = Glx = Z미확인 아미노산 = X