세균의 번역 스트레스 반응

서울대학교 생명과학부 노정혜 ・ 유지선

1. 개요

세균에서 유래하는 의약품의 대부분은 세균의 2차 대사 산물 (secondary metabolite)로서, 이들은 대부분 영양분이 고갈되는 정체성장기에 생성된다. 또한, 이들 이차대사 산물 중 항생능력이 있는 antimicrobial compound들의 상당수는 그 항생기작이 리보좀에 의한 번역을 저해하는 역할을 한다. 최근 들어 세균의 번역을 조절하는 여러 인자들이 발견되었고, 특히 정체성장기나 빈 영양 상태에서 리보좀의 활성이 어떻게 조절되는 지에 대한 새로운 연구결과들이 축적되고 있다. 본 리뷰에서는 다양한 스트레스에 대응하는 인자들 중에서도 특히 세균의 번역과정에서 리보좀과 상호작용하는 단백질 인자에 대해 초점을 맞추어 연구동향을 보고고자 한다.

리보좀과 결합하여 번역과정을 조절하는 인자들로는, 영양분이 부족한 상황에서 리보좀과 상호작용하여 ppGpp를 합성하여 stringent 반응을 매개하는 RelA를 비롯하여 생장에 불리한 상황에서 리보좀에 결합하여 번역을 멈추거나 (RelE, pY, RMF, HPF, EttA) 재프로그램하는 (MazF, EF4, BipA) 다양한 인자들이 있다. 또한 절단된 mRNA (tmRNA, ArfA, ArfB)나 선호되지 않는 단백질 서열의 번역 과정 (EF-P), 혹은 항생제의 방해 (TetM, FusB)에 의해 일어나는 리보좀 정체 현상을 해결하는데 필요한 인자들도 있다 (표 1 참조).

세균이 번역 스트레스에 어떻게 대응하는지 이해하는 것은 번역 조절에 대한 기반 지식을 제공한다. 뿐만 아니라 알려진 항생제들 중 다수가 세균의 번역 과정을 저해함으로써 작용하기 때문에, 세균의 번역 스트레스 전반에 대한 이해는 새로운 항생 물질의 개발에도 중요한 의미를 지닌다. 몇 가지 대표적인 스트레스 조건과 관여 인자들에 대한 내용을 소개한다.

 표1. 스트레스 조건에서 리보좀에 결합하는 인자들

2. 양분 고갈에 대한 리보좀의 반응

Stringent response는 영양분이 고갈된 상황 중에서도 특히 아미노산이 부족한 상황에서 일어나는 유전자 발현 조절 반응이다. 아미노산이 부족하게 되면 세포 내에 uncharged 혹은 deacetylated tRNA이 늘어난다. 증가한 uncharged/deacetylated tRNA가 리보좀 A-site에 결합하면 리보좀은 더 이상 번역을 진행하지 못하고 정체되는데, RelA는 이렇게 멈춰있는 리보좀을 인지하고 (p)ppGpp를 합성한다. (p)ppGpp를 합성한 후 RelA는 리보좀으로부터 떨어져 나와서 또 다른 정체된 리보좀과 결합하여 (p)ppGpp를 합성하기를 반복한다 (그림 1).

그림 1. 리보좀과 RelA에 의한 ppGpp 합성 (Starosa 등, 2014)

3. 펩타이드로부터 유발되는 번역 멈춤 현상에 대한 반응

번역 과정의 폴리펩타이드 합성 중에는 모든 아미노산이 동일 속도로 들어가지 않는다. 그 중에서도 특히 프롤린은 imino 기를 가지고 있기 때문에 amino 기를 가지는 다른 아미노산들에 비해 A-site 수용자로써 기능이 약하고, 실제로 다양한 프롤린 stretch에서 리보좀의 진행이 멈추는 현상 (ribosome stalling)이 일어나는 것이 밝혀졌다. 이러한 polyproline에서의 멈춤을 극복하기 위해 세균은 특화된 번역 신장인자인 EF-P를 가지고 있다. EF-P는 연속된 proline에서 멈춰있는 리보좀을 인지하고 결합하여 펩타이드 형성을 촉진함으로써 멈춘 리보좀을 계속 번역 진행하도록 한다 (그림 2).