글루탐산 탈카복실화효소

글루탐산 탈카복실화효소(, GAD) ()는 글루탐산을 γ-아미노부티르산(GABA)과 이산화 탄소로 탈카복실화시키는 효소이다. 글루탐산 카복실화효소는 피리독살 인산(PLP)을 보조 인자로 사용한다. 반응은 다음과 같이 진행된다.

 

포유류에서 글루탐산 카복실화효소는 분자량이 67 kDa와 65 kDa 인 두 가지 동질형(GAD67 및 GAD65)으로 존재하며, 서로 다른 염색체에 있는 두 가지 다른 유전자(사람의 경우 각각 2번 염색체와 10번 염색체에 있는 GAD1 및 GAD2 유전자)에 의해 부호화된다. GAD67 및 GAD65 는 GABA가 신경전달물질로 사용되는 뇌에서 발현되며 이자의 인슐린을 생성하는 β 세포에서도 종에 따라 다양한 비율로 발현된다. 이들 두 효소는 포유류의 주요 생리학적 GABA 공급을 유지한다. 그러나 장내 신경계, 뇌 및 기타 다른 곳에서 다이아민 산화효소와 알데하이드 탈수소효소 1a1의 작용에 의해 푸트레신에서 합성 될 수도 있다.

GAD67 의 여러 절단된 전사체와 폴리펩타이드는 발달 중인 뇌에서 감지할 수 있지만 그 기능이 있는지 여부는 알려져 있지 않다.

 구조 및 메커니즘 
GAD의 두 동질형은 모두 PLP, C 말단, N 말단 도메인의 세 가지 주요 도메인으로 구성된 동종이량체 구조이다. 이 효소의 PLP 결합 도메인은 I형 PLP 의존 전이효소 유사 폴드를 채택한다. 반응은 PLP와 Lys405 사이의 시프 염기 결합을 포함하는 표준 메커니즘을 통해 진행된다. PLP는 인접한 히스티딘 잔기와 염기 스태킹을 통해 고정되고, GABA는 카르복실기가 아르기닌과 염다리를 형성하고 글루타민과 수소 결합을 이루도록 위치한다.

활성 부위가 이 인터페이스에 있기 때문에 이량체화는 기능을 유지하는 데 필수적이며 2개 사슬 간의 최적 연결을 방해하는 돌연변이는 정신분열증과 같은 병리와 관련이 있다. 2-케토-4-펜텐산(KPA) 및 에틸 케토펜텐산(EKP) 같은 글루탐산 탈카복실화효소 저해제에 의한 이량체화 간섭은 GABA 생성과 발작 발생의 극적인 감소로 이어지는 것으로도 나타났다.

촉매 활성은 이량체체 인터페이스(GAD67의 잔기 432~442, GAD65의 잔기 423~433)의 짧고 유연한 루프를 통해 매개된다. GAD67에서 이 루프는 활성 부위를 덮고 GABA 생산을 유지하기 위한 촉매 환경을 제공하는 연결된 상태를 유지한다. GAD65에서의 이동성은 PLP 방출을 초래하는 부반응을 촉진하여 자동 비활성화를 초래한다. 이 루프의 형태는 C 말단 도메인과 밀접하게 연결되어 있으며, 이는 또한 자동 비활성화 속도에 영향을 미친다. 또한 GABA 결합 GAD65는 본질적으로 더 유연하고 상태의 집합으로 존재하므로 제1형 당뇨병에서 볼 수 있는 자가항원성에 대한 더 많은 기회를 제공한다. 대장균에서 유래한 GAD는 pH에 따라 구조가 변화하는 등 추가적인 구조적 복잡성을 보인다. 이러한 행동은 산성 환경에서 6량체 단백질의 N 말단에 의해 형성된 삼중 나선형 묶음의 존재에 의해 정의된다.

 GAD65 및 GAD67의 조절 
두 유전자 사이에는 광범위한 서열 유사성이 있지만, GAD65와 GAD67은 인체 내에서 매우 다른 역할을 수행한다. 또한, 연구에 따르면 GAD65와 GAD67은 서로 다른 세포 메커니즘에 의해 조절된다고 한다.

GAD65와 GAD67은 세포 내의 다른 위치, 다른 발달 시기에 GABA를 합성하며 기능적으로 다른 목적을 가지고 있다. GAD67은 세포 전체에 고르게 퍼져 있는 반면 GAD65는 신경 말단에 국한되어 있다. GAD67은 신경전달과 관련 없는 신경 세포 활동(예: 시냅스 생성 및 신경 손상으로부터의 보호)을 위해 GABA를 합성한다. 이 기능을 수행하려면 GABA가 널리 분포되어 있어야 한다. 그러나 GAD65는 신경전달을 위해 GABA를 합성하므로 신경 말단과 시냅스에만 필요하다. 신경전달을 돕기 위해 GAD65는 열충격 동족체 70(HSC70), 시스테인 스트링 단백질(CSP) 및 소포 GABA 수송체 VGAT와 복합체를 형성한다. VGAT는 복합체로서 신경전달 동안 방출을 위해 GABA를 소포로 포장하는 데 도움이 된다. GAD67은 초기 발달 중에 전사되는 반면 GAD65는 생애 후반까지 전사되지 않는다. GAD67과 GAD65의 이러한 발달적 차이는 각 동형체의 기능적 특성을 반영한다. GAD67은 정상적인 세포 기능을 위해 발달 전반에 걸쳐 필요한 반면, GAD65는 시냅스 억제가 더 널리 퍼지는 발달의 후반부까지 필요하지 않는다.

섬네일|오른쪽|220px|마우스 뇌의 배쪽 피개 부위에 있는 Gad65(빨간색), Gad67(녹색), 티로신 수산화효소(파란색)

GAD67과 GAD65도 번역 후에 다르게 조절된다. GAD65와 GAD67은 모두 동적 촉매 루프의 인산화를 통해 조절되지만 이들 동형체의 조절은 다르다. GAD65는 인산화에 의해 활성화되는 반면 GAD67은 인산화에 의해 억제된다. GAD67은 주로 활성화된 상태(약 92%)로 발견되는 반면 GAD65는 주로 비활성화된 상태(약 72%)로 발견된다. GAD67 은 단백질 키네이스 A(PKA)에 의해 트레오닌 91에서 인산화되는 반면, GAD65는 단백질 키네이스 C(PKC)에 의해 인산화되어 조절된다. GAD67 과 GAD65는 모두 피리독살 5'-인산 (PLP)에 의해 번역 후 조절된다. GAD는 PLP에 결합되면 활성화되고 PLP에 결합되지 않으면 비활성화된다. GAD67의 대부분은 주어진 시간에 PLP에 결합되는 반면, GAD65는 신경전달에 GABA가 필요할 때 PLP에 결합한다. 이는 두 동질형의 기능적 특성을 반영한다. GAD67은 정상적인 세포 기능을 위해 항상 활성화되어야 하므로 PLP에 의해 지속적으로 활성화되는 반면, GAD65는 GABA 신경전달이 발생할 때만 활성화되어야 하므로 시냅스 환경에 따라 조절된다.

쥐를 대상으로 한 연구에서는 GAD65과 GAD67 사이에 기능적 차이가 있는 것으로 나타났다. GAD67−/− 마우스는 구개열을 가지고 태어나고 태어난 지 하루 만에 죽는 반면, GAD65−/− 마우스는 발작 경향이 약간 더 높은 채로 살아남는다. 또한, GAD65+/-는 인간의 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD)와 유사하게 정의된 증상을 보인다.

 신경계의 역할 
GAD67과 GAD65는 모두 인간 신경계 내의 모든 유형의 시냅스에 존재한다. 여기에는 가지돌기 시냅스, 축삭돌기 시냅스가 포함된다. 예비 증거에 따르면 GAD65는 더 많은 위상적 변화를 겪는 시각 및 신경내분비계에서 우세한 것으로 나타났다. GAD67은 강직성으로 활성화된 뉴런에 더 많은 양으로 존재한다고 믿어진다.

 병리학에서의 역할 

 자폐성 
GAD65와 GAD67은 모두 자폐증의 경우 상당한 하향 조절을 경험한다. 자폐증 뇌와 대조군 뇌를 비교했을 때 GAD65와 GAD67은 자폐증 뇌의 두정엽과 소뇌 피질에서 평균 50%의 하향 조절을 경험했다. 소뇌의 푸르키네 세포도 40%의 하향 조절을 보고했는데, 이는 영향을 받은 소뇌 핵이 뇌의 고차원 운동 및 인지 영역으로의 출력을 방해할 수 있음을 시사한다.

 당뇨병 
GAD67과 GAD65는 나중에 제1형 당뇨병이나 잠복성 자가면역 당뇨병을 발병하는 사람들의 자가항체의 표적이다. 면역 내성을 유도하는 방식으로 GAD65를 주입하면 설치류 모델에서 제1형 당뇨병을 예방할 수 있는 것으로 나타났다. 임상 시험에서 GAD65 주사는 제1형 당뇨병 환자의 인슐린 생산을 30개월 동안 일부 보존하는 것으로 나타났다. 코크란 체계적 고찰에서는 또한 GAD65로 치료한 지 5년 후 성인의 잠복성 자가면역 당뇨병 환자의 C-펩타이드 수치가 개선된 것을 보여주는 한 연구를 조사했다. 그럼에도 불구하고 이 검토에 포함될 수 있는 연구는 품질과 설계 측면에서 상당한 결함을 보였다는 점을 강조하는 것이 중요하다.

 강직성 인격 증후군 
섬네일|220px|건강한 인간 소뇌를 기준 항-GAD65 단일클론 항체로 염색한 모습이다. 얇은 화살표는 항-GAD65 단일클론 항체로 염색된 시냅스 전 말단을 보여준다.
글루팀산 탈카르복실화효소(GAD)에 대한 높은 자가항체 역가는 강직인증후군(SPS)과 관련하여 잘 알려져 있다. 글루탐산 탈카복실화효소는 γ-아미노부티르산(GABA) 합성의 속도 제한 효소이며, GABA성 신경 세포의 기능 장애가 SPS의 발병 기전에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. GAD에 대한 자가항체는 원인 물질이거나 질병 표지자일 수 있다.

 정신분열증과 양극성 장애 
정신분열증과 양극성 장애에서는 GAD mRNA 발현의 상당한 조절 장애와 릴린의 하향조절이 관찰된다. GAD67의 가장 두드러진 하향조절은 두 질환 모두에서 해마의 방향성 층과 해마의 다른 층 및 구조에서 다양한 정도로 발견되었다.

GAD67은 억제성 신경전달물질인 GABA 합성에 관여하는 핵심 효소이며 정신분열증 환자는 건강한 대조군에 비해 전두엽 외측 피질 에서 GAD 67의 발현량이 낮은 것으로 나타났다. 정신분열증 환자의 GAD67 수치 감소의 근본 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀져 있지 않다. 일부에서는 일반적으로 GAD67의 프로모터 영역에 결합하고 GAD67 전사를 증가시키는 즉각 초기 유전자인 Zif268이 정신분열증 환자에서는 더 낮게 나타나 GAD67 수치 감소에 기여한다고 제안했다. 배외측 전두엽 피질(DLPFC)이 작업 기억에 관여하고, GAD67 과 Zif268 mRNA 수치가 정신분열증 환자의 DLPFC에서 낮기 때문에, 이러한 분자적 변화가 적어도 부분적으로는 이 질병과 관련된 작업 기억 장애를 설명할 수 있다.

 파킨슨병 
30~75세의 진행성, 레보도파 반응성 파킨슨병 환자의 시상하핵에 아데노 연관 바이러스 벡터를 통한 글루탐산 탈카복실화효소(GAD)의 양측 전달은 6개월 연구 기간 동안 기준선에 비해 상당한 개선을 가져왔다.

 소뇌 질환 
동물에게 GAD 자가항체를 소뇌 내에 투여하면 운동 뉴런의 흥분성이 증가하고 학습에 관여하는 분자인 일산화 질소(NO)의 생성이 감소한다. 에피토프 인식은 소뇌 관련성에 기여한다. GABA 수치가 감소하면 GABA 수용체 하위 유형의 억제가 낮아져 글루탐산 수치가 증가한다. 더 높은 글루탐산 수치는 미세아교세포를 활성화하고 xc(-)의 활성화는 세포 외 글루탐산의 방출을 증가시킨다.

 신경병성 통증 
좌골신경의 말초신경 손상(신경병성 통증 모델)은 척수 등쪽 뿔의 GAD65 면역반응성 말단의 일시적인 손실을 유도하며 통증 행동의 발달 및 완화에 대한 이러한 변화의 잠재적인 관련성을 시사한다.

 기타 항GAD 관련 신경계 질환 
글루탐산 탈카복실효소(GAD)에 대한 항체는 운동실조, 경직 및 근간 대 경련을 동반한 진행성 뇌척수염(PERM), 변연계 뇌염 및 간질과 같은 중추신경계(CNS) 기능 장애를 나타내는 다른 증상이 있는 환자에서 점점 더 많이 발견된다 . 간질의 항-GAD 항체 패턴은 제1형 당뇨병 및 강직증후군과 다르다.

 다른 유기체에서 글루탐산 탈카복실화효소의 역할 
GABA 합성 외에도 GAD는 생물체에 따라 달라지는 추가적인 기능과 구조적 변이를 가지고 있다. 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)에서 GAD는 Ca2+ 조절 단백질인 칼모듈린(CaM)에 결합하며 산화 스트레스에 대한 반응에도 관여한다. 마찬가지로 식물의 GAD는 칼모듈린에도 결합한다. 이 상호작용은 C 말단의 30-50bp CAM 결합 도메인(CaMBD)에서 발생하며 GABA 생산의 적절한 조절에 필요하다. 척추동물 및 무척추동물과는 달리, GAD가 생성하는 GABA는 식물에서 CaM을 통해 세포 내 Ca2+ 수준을 조절하여 비생물적 스트레스를 신호로 전달하는 데 사용된다. CaM과 결합하면 Ca2+ 채널이 열리고 세포질의 Ca2+ 농도가 증가하여 Ca2+가 2차 전달물질로 작용하고 하류 경로를 활성화할 수 있다. GAD가 CaM에 결합되지 않으면 CaMBD는 자가 억제 도메인으로 작용하여 스트레스가 없는 경우 GAD를 비활성화한다. 흥미로운 점은 벼와 사과라는 두 식물 종에서 Ca2+/CAM 독립 GAD 동질형(동형체)이 발견되었다는 것이다. 이들 동질형의 C-말단에는 CaMBD의 CaM과 상호작용하는 데 필요한 주요 잔류물에 치환이 포함되어 있어 단백질이 GAD에 결합하는 것을 방지한다. 벼의 동형체의 CaMBD는 여전히 자가 억제 도메인으로 기능하는 반면 사과의 동형체의 C 말단은 그렇지 않는다. 마지막으로, 식물 GAD의 구조는 육량체이며 pH에 따라 활성이 달라지며 다양한 종에서 최적 pH는 5.8이다. 그러나 CaM이 존재하는 pH 7.3에서도 상당한 활동이 나타났다

또한 글루탐산 탈카복실화효소를 조절하면 감귤류 수확 후 품질을 향상시킬 수 있을 것으로 믿어진다. 감귤류 식물의 경우, 글루탐산 탈카복실화효소가 시트르산 대사에 중요한 역할을 한다는 것이 연구 결과에서 드러났다. 글루탐산 탈카복실화효소의 직접 노출을 통한 증가로 인해 식물 내 시트르산 수치가 상당히 증가하는 것으로 나타났으며, 수확 후 품질 유지가 상당히 개선되었고 부패율이 감소했다.

식물의 GAD와 마찬가지로 대장균의 GAD는 육량체 구조를 가지고 있으며 산성 pH에서 더 활성이 높다. 대장균 GAD의 최적 pH는 3.8~4.6이다. 그러나 식물과 효모와는 달리 대장균의 GAD는 기능하기 위해 칼모듈린 결합을 필요로 하지 않는다. 대장균(E. coli )에는 별도의 유전자에 의해 인코딩된 GADA와 GADB라는 두 가지 GAD 동질형이 있다. 두 동형 모두 생화학적으로 동일하다. 효소는 산성 저항성을 부여하는 데 중요한 역할을 하며 박테리아가 위와 같은 고산성 환경(pH < 2.5)에서 일시적으로 생존할 수 있도록 한다. 이는 GAD가 글루탐산을 GABA로 탈카복실화하여 이루어지는데, 이때 반응물로서 H+가 흡수되어야 하며 박테리아 내부의 pH가 높아진다. GABA는 대장균 세포 밖으로 수출되어 인근 세포외 환경의 pH를 증가시키는 데 기여할 수 있다.

 같이 보기 
 탈카복실화
 탈카복실화효소

 각주 

 외부 링크 
 
 Genetics, Expression Profiling Support GABA Deficits in Schizophrenia - Schizophrenia Research Forum, 25 June 2007.
 
 

분류:글루탐산 (신경전달물질)
분류:GABA
분류:분자신경과학
분류:EC 4.1.1