nature communications, 2023

서인석 교수
(생리학교실,교신저자)

김진성 박사
(생리학교실,제1저자)

G-protein coupled receptor (GPCR)과 이온통로는 대표적인 막관통단백질들로, 이들의 정상적인 작동은 세포 외부의 자극이 세포 내부로 변환되고 전달되기 위해 필수적이다. 그동안 G-단백질의 α 단위체(Gα subunit)가 이온채널을 직접적으로 활성시킬 수 있다는 가능성이 지속적으로 제시되었으나 이것에 대한 구조적 증거는 전무하였다.

본 논문에서는 서울대학교 의과대학 생리학교실 서인석 교수 연구팀과 서울대학교 자연과학대학 화학부 이형호 교수 연구팀의 공동연구를 통해 동결현미경(cryogenic electron microscopy, cryo-EM) 기법으로 규명한 TRPC5-Gα_i3 복합체의 3차원적 구조를 소개하고, 이를 기반으로 실시된 이온채널의 기능적 조절기작에 관한 실험과 분석을 밝혔다. 복합체의 3차원적 구조를 바탕으로 연구진은 4개의 Gα_i3가 TRPC5 채널의 ankyrin repeat domain (ARD)에 결합하는 것을 확인하였다. Gα_i3가 TRPC5에 결합한 복합체로서의 채널 구조를 확보하였지만, selectivity filter 및 lower gate를 포함하여 채널 중심의 구조를 자세히 분석하였을 때 여전히 채널은 닫힌 상태인 것으로 확인되었다. 이 발견은 전기생리학적 결과와 일치하였는데 즉, 세포 안쪽에 PIP₂가 공급되지 않으면 Gα_i3 독자적으로는 채널이 열릴 확률(open probability, P_o)을 크게 증가시키지 못한 결과와 같은 맥락을 이루었다. 결국 Gα_i3의 결합이 실질적인 채널의 열림을 유도하기 위해서는 반드시 채널에 PIP₂가 결합되어야 한다고 생각하였고, 따라서 Gα_i3의 결합, PIP₂의 결합, 그리고 P_o사이의 열역학적 상관관계를 분석하였다. 결론적으로 Gα_i3 결합의 효과는 TRPC5 채널의 PIP₂에 대한 해리상수(dissociation constant, K_d^PIP2)를 낮추는 것으로 나타났다. Gα_i3가 없을 때에 K_d^PIP2는 23.3 ± 1.0 mM이었던 것에 반해, Gα_i3가 있을 때에는 10.2 ± 1.0 mM로 나타났다. 후자는 세포 내 생리학적인 PIP₂ 농도(4-10 mM)와 유사하며, 이 농도에서 Gα_i3의 P_o 증가효과가 가장 크게 발휘되는 것으로 나타났다.

종합적으로, 본 논문에서 제시된 결과를 토대로 공동 연구진은 다음과 같은 결론을 도출하였다. 첫째, 세포막에 국한된 여타 효소들에 더하여 이온채널은 Gα 단백질에 의해 직접적으로 기능이 조절되는 직접효과인자(direct effector molecule) 중 하나로 여겨질 수 있다. 둘째, GPCR과 이온채널 사이의 기능적 상호작용을 매개하는 인자로서(Gbg 단위체의 결합 혹은 G-단백질 하위 이차전령체계에 의한 간접적 조절에 더하여) Gα 단위체에 의한 직접적 상호작용을 충분히 고려하여야 한다. 이러한 시각은 지금까지 알려지지 않았거나 해석되지 않았던 두 막관통단백질 군 사이의 기능적 상호작용을 풀어낼 수 있는 새로운 접근법이 될 것으로 기대한다.

논문링크 : https://www.nature.com/articles/s41467-023-38281-3