깊게 보존된 프로테아제인 아실아미노산

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 61(2023) 이 기사 인용

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활성산소종(ROS)은 유산소 생활의 지속적인 부산물입니다. 과도하게 ROS는 세포 독성 단백질 응집체를 유발하는데, 이는 동물 노화의 특징이며 인간의 노화 관련 병리와 관련이 있습니다. 아실아미노산 방출 효소(AARE)는 산화된 단백질에 작용하는 이중 기능성 세린 프로테아제입니다. AARE는 비록 아실펩티드 가수분해효소(APEH/ACPH), 아실아미노아실 펩티다제(AAP) 또는 산화된 단백질 가수분해효소(OPH)와 같이 다른 이름으로 존재하지만 생명의 모든 영역에서 발견됩니다. 인간의 경우 AARE 오작동은 연령 관련 병리와 관련이 있는 반면 식물에서의 기능은 덜 명확합니다. 여기에서는 식물 계통의 AARE 유전자에 대한 자세한 분석과 이끼 Physcomitrella 및 피자 식물 Arabidopsis의 AARE 위치 및 기능에 대한 심층 분석을 제공합니다. AARE 기능 상실 돌연변이는 지금까지 어떤 유기체에서도 설명되지 않았습니다. 우리는 그러한 돌연변이를 생성 및 분석하고 AARE 기능, 산화된 단백질의 응집 및 식물 노화 사이의 연관성을 설명합니다. 여기에는 발달 진행 가속화 및 수명 감소가 포함됩니다. 우리의 발견은 동물과 인간의 유사한 발견을 보완하며 노화에 대한 통일된 개념이 다양한 생명체에 존재할 수 있음을 시사합니다.

활성산소종(ROS)은 O2 대사의 부산물이며 모든 유산소 생물에 대한 문제를 나타냅니다. ROS는 잠재적으로 치명적인 산화제와 신호 분자로서 이중 역할을 합니다1. 따라서 호기성 유기체는 과도한 ROS를 제거하고 해독하기 위한 정교한 산화환원 시스템을 보유하고 있습니다. 식물 세포에서 ROS의 주요 공급원은 미토콘드리아와 색소체의 전자 전달 사슬이지만 퍼옥시솜과 원형질막에서도 마찬가지입니다2. 열, 가뭄 또는 강한 빛과 같은 환경 스트레스는 ROS 생산을 해로운 수준으로 증가시키는 요인입니다. 식물은 카탈라제, 슈퍼옥사이드 디스무타제, 아스코르베이트 퍼옥시다제, 글루타티온 퍼옥시다제 유사 단백질 및 퍼옥시레독신과 같은 해독 효소의 레퍼토리를 보유하고 있습니다. 환원을 위한 전자는 주로 아스코르브산, 글루타티온 및 NADPH3,4,5,6,7과 같은 비효소 성분을 통해 제공됩니다. 또한 다양한 열 충격 단백질은 손상된 단백질의 분해 또는 재접힘을 돕습니다8,9,10.

무독성 유도체로 전환됨에도 불구하고 ROS에 지속적으로 노출되면 DNA, 지질 및 단백질이 산화됩니다5. 단백질 수준에서 ROS는 비가역적 시스테인 산화, 고급 당화 생성물, ROS 생성 반응성 알데히드와의 부가물 및 아미노산 측쇄의 카르보닐화를 유발합니다11,12. 단백질 분해를 통해 제거되지 않으면 과잉의 산화된 단백질이 세포독성 단백질 응집체에 축적됩니다. 식물 항산화 시스템과 비생물적 스트레스 반응에서 신호 분자로서의 ROS의 역할은 잘 연구되었습니다. 그러나 비가역적으로 산화된 단백질을 제거하기 위한 단백질 분해 시스템과 같은 식물 세포의 마지막 방어선과 관련된 요소는 아직 연구가 부족합니다.

세린 프로테아제의 한 종류는 박테리아, 고세균, 동물 및 식물에서 활성이 발견되고 비가역적으로 산화된 단백질을 분해할 수 있으므로 진화적으로 깊이 보존되어 있습니다14,15,16,17. 이러한 프로테아제는 유기체마다 다른 이름을 갖고 있습니다(예: 아실아미노산 방출 효소(AARE), 아실펩티드 가수분해효소(APEH/ACPH), 아실아미노아실 펩티다제(AAP) 또는 산화된 단백질 가수분해효소(OPH)18)18 여기서는 집합적으로 AARE로 처리됩니다. AARE는 엑소펩티다제 모드를 통해 올리고펩타이드에서 Nα-아세틸화 아미노산을 절단할 뿐만 아니라 엔도펩티다제 모드를 통해 산화된 단백질을 절단하기 때문에 다중 복합체에서 이중기능성 프로테아제로 작용합니다. 다양한 유기체의 AARE 이소형은 Nα-아세틸화 아미노산에 대해 서로 다른 특이성을 나타내며, 박테리아 및 고세균 효소는 AcLeu 및 AcPhe 기질15,23,24,25을 선호하고 식물 및 동물 이소형은 AcAla, AcMet 또는 AcGly 기질16,17,26,27을 선호합니다. 기질 특이성 외에도, 인간(HsACPH) 및 애기장대(AtAARE) AARE가 세포질 효소로 보고됨에 따라 이들의 세포내 위치는 진핵생물 사이에서 보존되는 것으로 보입니다.