Phosphoglucomutase 1의 활성 조절과 생리적 기능 규명

Abstract

Phosphoglucomutase1 (PGM1)은 세포 내 에너지 생산을 위한 포도당 대사의 경로 중 glucose 1-phosphate (G-1-P)와 glucose 6-phosphate (G-6-P)의 전환을 양방향으로 촉매하는 효소이다. G-1-P와 G-6-P는 각각 글리코겐 합성과 포도당 산화를 위한 초기 물질로써 PGM1의 효소 활성은 글리코겐과 포도당 산화에 모두 중요하다. 그러나 현재까지 PGM1의 활성 조절 및 생리적 역할에 관한 연구는 미흡하다. 본 연구에서는 PGM1의 카르복시기 말단 부위에 특징적으로 나열된 4개의 threonine 잔기가 PGM1의 효소 활성 조절에 관여함을 확인하였다. Site-directed mutagenesis를 통해 4개의 threonine 잔기를 각각 alanine 잔기 또는 glutamic acid 잔기로 치환을 시켜 실험을 진행하였다. 553번째 threonine 잔기의 경우, glutamic acid 잔기로 치환되었을 때 PGM1의 단백질 발현이 크게 감소한 것을 관찰하였다. 562번째 threonine 잔기의 경우, alanine 잔기로 치환되었을 때 PGM1의 효소적 활성이 감소되었고, glutamic acid 잔기로 치환 되었을 때는 활성이 더욱 억제되었다. 유방암 세포 주인 MCF7 세포 주에 shRNA를 이용하여 PGM1의 발현을 감소시킨 안정 세포주를 통해 글리코겐의 분해와 합성과정에서의 PGM1의 역할을 관찰하였다. 먼저 PGM1의 발현이 감소된 안정 세포주는 일반적인 세포 배양 상태에서 세포 내 글리코겐 함량이 대조군 세포주에 비해 감소되었다. 그리고 포도당이 고갈된 상황에서 글리코겐의 분해 속도가 대조군 세포 주에 비해 감소되었으며, 포도당 고갈 상황 이후 다시 포도당을 공급하여 글리코겐의 합성 속도를 측정하였을 때도 대조군 세포 주에 비해 그 속도가 감소하였다. 세포 내 O-GlcNAc 변형은 세포에 스트레스 상황이 유발되었을 때 변화하는데 PGM1의 발현이 세포 내 O-GlcNAc 변형에도 영향을 미치는 것을 관찰하였다. siRNA를 이용하여 PGM1의 발현을 감소시켰을 때 인간의 정상적인 신장 세포주인 HEK293 세포주에서 세포 내 O-GlcNAc 변형이 감소하였고, 세포를 포도당이 없는 배지에 배양하였을 때 세포 내 O-GlcNAc 변형이 증가되는 정도가 감소하는 것을 관찰하였다. 또한 대장암 세포주인 A549 세포주 에서도 같은 현상이 나타나는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해, PGM1의 562번째 threonine 잔기가 효소 활성에 중요하며, 생체 내에서 PGM1의 카르복시기 말단의 threonine 잔기의 변형에 의해 PGM1의 효소 활성이 조절될 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한, PGM1이 세포 내 포도당 농도의 변화와 같은 자극이 주어졌을 때 글리코겐의 분해와 합성 속도를 조절하는 초기 반응에서 역할을 한다는 근거를 제시하였다.