일간베스트 저장소

S-니트로실화: 산화환원 신호전달의 새로운 패러다임

Veani Fernando 1 , Xunzhen Zheng 1 , Yashna Walia 1 , Vandana Sharma 1 , Joshua Letson 1 , Saori Furuta 1, *

저자 정보

기사 참고 사항

저작권 및 라이선스 정보

PMCID: PMC6769533 PMID: 31533268

추상적인

산화질소(NO)는 L-아르기닌이 NO 합성효소(NOS)에 의해 대사되어 생성되는 반응성이 매우 높은 분자입니다. 포유류 세포에서 비정상적인 NO 수치는 암을 비롯한 여러 질병과 관련이 있습니다. 최근 연구에 따르면 NO 신호전달은 NOS의 위치와 S-니트로소화 반응을 포함한 NO의 생화학적 반응 특성으로 인해 구획화되어 있음이 밝혀졌습니다. S-니트로소화는 시스테인의 반응성 티올기에 니트로실기를 선택적으로 결합시키는 공유 결합성 번역 후 변형으로, S-니트로소티올(SNO)을 형성합니다. S-니트로소화는 특정 시스테인 티올기에서만 일어나지만, 이러한 공간적 제약은 두 상호작용 단백질 사이에서 니트로실기가 전달되어 NO 신호를 멀리 떨어진 위치로 전달하는 전이 니트로소화 반응에 의해 부분적으로 해소됩니다. NOS는 다양한 세포 내 위치에 존재하므로, 스트레스는 서로 다른 신호 전달 경로에 관여하는 수많은 단백질의 S-니트로소화 및 전이니트로소화를 동시에 유발할 수 있습니다. S-니트로소화는 세포가 산화 스트레스로부터 자신을 보호하는 산화환원 신호 전달의 새로운 패러다임으로 주목받고 있습니다.

핵심어: NO, S-니트로소화, NOS, ROS, 항산화제, 산화환원 조절

1. 서론

지난 수십 년 동안 산화질소(NO)는 많은 인간 질병에 미치는 영향과 관련하여 점점 더 많은 관심을 불러일으켰습니다. 30여 년 전 Furchgott 등이 "내피세포 유래 이완인자(EDRF)"로 발견한 이후[ 1 ], NO는 생의학 분야에서 가장 많이 연구되는 주제 중 하나가 되었습니다. NO는 1992년 "올해의 분자"로 선정되었으며, 그 발견은 1998년 Furchgott 등에게 노벨상을 안겨주었습니다. NO는 처음에는 자유롭게 확산되는 기체로 여겨졌지만[ 2 ], NO의 생성과 신호 전달은 오히려 구획화되어 공간적으로 조절됩니다. 이는 NO 합성효소(NOS1-3)의 모든 동형체가 대부분 막과 세포소기관에 위치하고[ 3 , 4 , 5 ], 그곳에서 생성된 NO가 인접한 분자와 반응하여 빠르게(<0.1초) 소모되기 때문입니다[ 5 , 6 , 7 ]. 한편, NO는 분자 산소와 반응하여 질소 산화물이 되고, 이는 전이 금속 또는 시스테인 티올과 반응하여 니트로실 부가물(각각 금속 니트로실화 또는 S-니트로실화)을 형성합니다. 니트로실기는 멀리 떨어진 다른 단백질로 전달되어(전이 니트로실화) NO 신호 전달을 전파할 수 있습니다. 이러한 NO의 효과는 "직접적"이라고 하며, 많은 항산화 메커니즘 및 기타 생화학적 활동에 관여합니다[ 8 ]. 반면에, 초산화물과 같은 반응성 산소종(ROS)의 높은 농도가 존재할 경우, NO는 ROS와 반응하여 강력한 산화제인 반응성 질소종을 형성하고, 이는 다시 다양한 생체 분자와 반응하여 산화적으로 손상시킵니다. 이러한 NO 효과 방식은 "간접적"이라고 하며 NO의 "산화 촉진" 신호 전달과 관련이 있다고 합니다[ 8 ].

초기 NO 연구는 뉴런, 근육, 내피세포 및 면역세포와 같은 특수 조직에서의 NO 신호 전달 경로에 초점을 맞추었습니다. 예를 들어, 뇌에서 NO는 뇌혈류 및 정상적인 뇌 기능을 유도하는 기타 과정을 조절합니다. 순환계에서 NO는 백혈구 접착, 염증 신호 전달, 혈소판 응집 및 혈관 신생을 조절합니다[ 9 ]. 이처럼 NO의 다양한 기능은 "고전적" 및 "비고전적" 기전을 통해 매개됩니다. 고전적인 NO 신호 전달에서 NO는 구아닐릴 시클라제(sGC)의 헴 철에 결합하여 cGMP 생성을 유도하고, 이는 cGMP 의존성 단백질 키나제(PKG) 경로를 활성화합니다[ 10 ]. 이러한 고전적인 기전에도 불구하고, 최근 연구에서는 다양한 조직/기관에서 다면적인 기능을 매개하는 풍부한 "비고전적" NO 신호 전달 기전이 밝혀졌습니다. 비고전적 NO 기능의 주요 메커니즘은 시스테인 티올의 NO 의존적 공유 결합 변형인 S-니트로실화입니다[ 11 ]. S-니트로실화는 단백질 구조의 변화를 유발하여 단백질-단백질 상호작용을 변화시키고 인산화, 아세틸화, 유비퀴틴화 및 이황화 결합 형성과 같은 추가적인 번역 후 변형을 가능하게 합니다[ 11 , 12 , 13 , 14 ]. 또한, 낮은 수준의 ROS가 존재할 때, S-니트로실화는 NO를 제거하여 ROS와의 반응을 방지할 뿐만 아니라 ROS 매개 산화[술폰산(RSO3H) 형성]로부터 시스테인 티올을 보호할 수 있습니다[ 15 ]. 그러나 매우 높은 수준의 ROS에서는 NO가 ROS와 반응하여 위에서 논의한 바와 같이 반응성 질소 종을 형성할 수 있습니다[ 8 , 16 ].

S-니트로소화는 단백질 안정성/회전율, 스테로이드 합성, 전사 조절, DNA 손상 복구, 세포 성장/분화, 세포사멸 및 산화환원 조절을 포함한 다양한 생물학적 과정에 관여하는 3000개 이상의 단백질을 조절할 수 있습니다. NOS가 다양한 세포 내 위치에 존재하기 때문에 스트레스는 서로 다른 신호 전달 경로에 관여하는 단백질의 S-니트로소화 및 전이니트로소화를 동시에 유도할 수 있습니다. S-니트로소화의 조절 이상은 다양한 질병의 발생 및 진행과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다[ 11 , 15 , 17 , 18 , 19 ]. 본 리뷰에서는 S-니트로소화가 세포 및 조직에 대한 산화환원 조절에 어떻게 작용하는지에 대한 최근 연구 결과를 제시합니다. 특히 미토콘드리아, 핵, 세포외 환경과 같이 ROS를 생성하거나 억제하는 다양한 메커니즘을 갖춘 세포 내 위치에 초점을 맞출 것입니다. 그런 다음 S-니트로소화의 조절 이상이 어떻게 질병으로 이어지는지 논의할 것입니다.

리소스 열기 아이콘

게시자 사이트에서 보기 아이콘

PDF 다운로드 아이콘

컬렉션 아이콘

인용 아이콘

기사 고유 링크 아이콘 표시기사 탐색 아이콘 열기

국립도서관(NLM)은 과학 문헌에 대한 접근을 제공합니다. NLM 데이터베이스에 자료가 포함되었다고 해서 NLM이나 미국 국립보건원(NIH)이 해당 자료를 지지하거나 동의하는 것은 아닙니다.

자세한 내용은 PMC 면책 조항 | PMC 저작권 고지를 참조하십시오.

항산화제 로고

항산화제(바젤). 2019년 9월 17일;8(9):404. 도이: 10.3390/antiox8090404

S-니트로실화: 산화환원 신호전달의 새로운 패러다임

Veani Fernando 1 , Xunzhen Zheng 1 , Yashna Walia 1 , Vandana Sharma 1 , Joshua Letson 1 , Saori Furuta 1, *

저자 정보

기사 참고 사항

저작권 및 라이선스 정보

PMCID: PMC6769533 PMID: 31533268

추상적인

산화질소(NO)는 L-아르기닌이 NO 합성효소(NOS)에 의해 대사되어 생성되는 반응성이 매우 높은 분자입니다. 포유류 세포에서 비정상적인 NO 수치는 암을 비롯한 여러 질병과 관련이 있습니다. 최근 연구에 따르면 NO 신호전달은 NOS의 위치와 S-니트로소화 반응을 포함한 NO의 생화학적 반응 특성으로 인해 구획화되어 있음이 밝혀졌습니다. S-니트로소화는 시스테인의 반응성 티올기에 니트로실기를 선택적으로 결합시키는 공유 결합성 번역 후 변형으로, S-니트로소티올(SNO)을 형성합니다. S-니트로소화는 특정 시스테인 티올기에서만 일어나지만, 이러한 공간적 제약은 두 상호작용 단백질 사이에서 니트로실기가 전달되어 NO 신호를 멀리 떨어진 위치로 전달하는 전이 니트로소화 반응에 의해 부분적으로 해소됩니다. NOS는 다양한 세포 내 위치에 존재하므로, 스트레스는 서로 다른 신호 전달 경로에 관여하는 수많은 단백질의 S-니트로소화 및 전이니트로소화를 동시에 유발할 수 있습니다. S-니트로소화는 세포가 산화 스트레스로부터 자신을 보호하는 산화환원 신호 전달의 새로운 패러다임으로 주목받고 있습니다.

핵심어: NO, S-니트로소화, NOS, ROS, 항산화제, 산화환원 조절

1. 서론

지난 수십 년 동안 산화질소(NO)는 많은 인간 질병에 미치는 영향과 관련하여 점점 더 많은 관심을 불러일으켰습니다. 30여 년 전 Furchgott 등이 "내피세포 유래 이완인자(EDRF)"로 발견한 이후[ 1 ], NO는 생의학 분야에서 가장 많이 연구되는 주제 중 하나가 되었습니다. NO는 1992년 "올해의 분자"로 선정되었으며, 그 발견은 1998년 Furchgott 등에게 노벨상을 안겨주었습니다. NO는 처음에는 자유롭게 확산되는 기체로 여겨졌지만[ 2 ], NO의 생성과 신호 전달은 오히려 구획화되어 공간적으로 조절됩니다. 이는 NO 합성효소(NOS1-3)의 모든 동형체가 대부분 막과 세포소기관에 위치하고[ 3 , 4 , 5 ], 그곳에서 생성된 NO가 인접한 분자와 반응하여 빠르게(<0.1초) 소모되기 때문입니다[ 5 , 6 , 7 ]. 한편, NO는 분자 산소와 반응하여 질소 산화물이 되고, 이는 전이 금속 또는 시스테인 티올과 반응하여 니트로실 부가물(각각 금속 니트로실화 또는 S-니트로실화)을 형성합니다. 니트로실기는 멀리 떨어진 다른 단백질로 전달되어(전이 니트로실화) NO 신호 전달을 전파할 수 있습니다. 이러한 NO의 효과는 "직접적"이라고 하며, 많은 항산화 메커니즘 및 기타 생화학적 활동에 관여합니다[ 8 ]. 반면에, 초산화물과 같은 반응성 산소종(ROS)의 높은 농도가 존재할 경우, NO는 ROS와 반응하여 강력한 산화제인 반응성 질소종을 형성하고, 이는 다시 다양한 생체 분자와 반응하여 산화적으로 손상시킵니다. 이러한 NO 효과 방식은 "간접적"이라고 하며 NO의 "산화 촉진" 신호 전달과 관련이 있다고 합니다[ 8 ].

초기 NO 연구는 뉴런, 근육, 내피세포 및 면역세포와 같은 특수 조직에서의 NO 신호 전달 경로에 초점을 맞추었습니다. 예를 들어, 뇌에서 NO는 뇌혈류 및 정상적인 뇌 기능을 유도하는 기타 과정을 조절합니다. 순환계에서 NO는 백혈구 접착, 염증 신호 전달, 혈소판 응집 및 혈관 신생을 조절합니다[ 9 ]. 이처럼 NO의 다양한 기능은 "고전적" 및 "비고전적" 기전을 통해 매개됩니다. 고전적인 NO 신호 전달에서 NO는 구아닐릴 시클라제(sGC)의 헴 철에 결합하여 cGMP 생성을 유도하고, 이는 cGMP 의존성 단백질 키나제(PKG) 경로를 활성화합니다[ 10 ]. 이러한 고전적인 기전에도 불구하고, 최근 연구에서는 다양한 조직/기관에서 다면적인 기능을 매개하는 풍부한 "비고전적" NO 신호 전달 기전이 밝혀졌습니다. 비고전적 NO 기능의 주요 메커니즘은 시스테인 티올의 NO 의존적 공유 결합 변형인 S-니트로실화입니다[ 11 ]. S-니트로실화는 단백질 구조의 변화를 유발하여 단백질-단백질 상호작용을 변화시키고 인산화, 아세틸화, 유비퀴틴화 및 이황화 결합 형성과 같은 추가적인 번역 후 변형을 가능하게 합니다[ 11 , 12 , 13 , 14 ]. 또한, 낮은 수준의 ROS가 존재할 때, S-니트로실화는 NO를 제거하여 ROS와의 반응을 방지할 뿐만 아니라 ROS 매개 산화[술폰산(RSO3H) 형성]로부터 시스테인 티올을 보호할 수 있습니다[ 15 ]. 그러나 매우 높은 수준의 ROS에서는 NO가 ROS와 반응하여 위에서 논의한 바와 같이 반응성 질소 종을 형성할 수 있습니다[ 8 , 16 ].

S-니트로소화는 단백질 안정성/회전율, 스테로이드 합성, 전사 조절, DNA 손상 복구, 세포 성장/분화, 세포사멸 및 산화환원 조절을 포함한 다양한 생물학적 과정에 관여하는 3000개 이상의 단백질을 조절할 수 있습니다. NOS가 다양한 세포 내 위치에 존재하기 때문에 스트레스는 서로 다른 신호 전달 경로에 관여하는 단백질의 S-니트로소화 및 전이니트로소화를 동시에 유도할 수 있습니다. S-니트로소화의 조절 이상은 다양한 질병의 발생 및 진행과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다[ 11 , 15 , 17 , 18 , 19 ]. 본 리뷰에서는 S-니트로소화가 세포 및 조직에 대한 산화환원 조절에 어떻게 작용하는지에 대한 최근 연구 결과를 제시합니다. 특히 미토콘드리아, 핵, 세포외 환경과 같이 ROS를 생성하거나 억제하는 다양한 메커니즘을 갖춘 세포 내 위치에 초점을 맞출 것입니다. 그런 다음 S-니트로소화의 조절 이상이 어떻게 질병으로 이어지는지 논의할 것입니다.

2. 산화질소(NO)와 산화환원 조절에서의 역할

NO는 반감기가 0.09~2초인 반응성 기체 신호 분자입니다[ 6 ]. NO는 다양한 조직에서 아미노산 L-아르기닌을 기질로 사용하는 질산화효소(NOS)에 의해 생성되며 다면적인 기능에 관여합니다. 대부분의 NO 연구는 신경 세포, 근육 세포, 내피 세포 및 면역 세포를 포함한 특수 세포에서의 역할에 초점을 맞추었습니다. 이러한 세포에서 NO는 신경 전달, 근육 및 혈관 확장, 염증 신호 전달을 매개합니다. 이러한 잘 알려진 역할 외에도 NO는 다양한 유형의 세포에서 다면적인 기능을 발휘합니다[ 20 ]. 이러한 기능에는 조직 형태 형성, 극성 형성, 세포 성장 및 운동 조절이 포함됩니다[ 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 ].

산화질소(•NO)는 활성산소이기 때문에 항산화 및 친산화 메커니즘 모두에 관여합니다. 항산화제로서 NO는 세포 과정을 조절하여 산화 손상으로부터 세포와 조직을 보호할 수 있습니다[ 8 ]. NO 전처리가 과산화수소(H2O2 ) 에 의한 산화 스트레스로부터 세포를 보호할 수 있다는 보고가 있으며 [ 27 , 28 ], 또한 NO는 면역 세포에서 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산(NADPH) 산화효소에 의한 활성산소종(ROS) 생성을 억제할 수 있습니다[ 29 ]. 뿐만 아니라, 허혈-재관류로 인한 조직 손상에 대한 NO 전처리의 유익한 효과가 임상 시험에서 보고되었습니다[ 30 ] . 반대로, 산화촉진제로서 NO는 분자 산소 또는 ROS(특히 초산화물: O₂•⁻)와 반응하여 강력한 산화제인 반응성 질소 산화물 종(RNOS, 특히 과산화질산염: ONOO⁻)으로 전환될 수 있으며 , 이는 다양한 생체 분자를 산화적으로 손상시킬 수 있습니다.

NO가 항산화 효과를 나타내는지 또는 친산화 효과를 나타내는지는 NO 농도에 따라 달라진다고 제안됩니다[ 8 ]. 낮은 NO 농도에서는 NO의 활성이 생물학적 표적과의 직접적인 상호작용을 통해 나타나며, 이는 항산화 효과로 이어질 가능성이 높습니다. 반대로 높은 NO 농도에서는 NO의 활성이 분자 산소 또는 ROS와의 반응으로 생성된 RNOS를 통해 간접적으로 매개되어 친산화 효과를 나타낼 가능성이 높습니다. 친산화제로서의 NO의 유해한 영향은 국소적인 NO 농도가 빠르게 높아질 수 있는 특정 부위에서 자주 발생합니다[ 8 ]. 실제로 여러 선행 연구에서 NO의 용량 의존적 활성이 보고되었습니다. 이러한 연구들은 효과가 직접적인지 간접적인지를 결정하는 NO의 임계 농도가 약 1 μM 정도일 것이라고 제시합니다[ 8 , 31 ].

국소 NO 농도는 부분적으로 NO 생성원의 공간적 조절 및 구획화에 의해 제어됩니다. 포유류 세포에는 NO를 생성하는 세 가지 동형의 NOS(NOS1-3)가 있습니다. NOS-1(신경 NOS, nNOS)과 NOS-3(내피 NOS, eNOS)은 구성적 NOS이며, 다양한 세포 소기관에 존재하는 막 결합 단백질 복합체의 일부입니다. NOS-1 또는 NOS-3에 의해 생성된 NO는 빠르게(<0.1초) NOS 자체 및 상호작용 단백질을 포함한 근접 표적과 직접 반응합니다[ 3 , 4 , 6 ]. 이와 대조적으로 NOS-2(iNOS)는 유도성 NOS입니다. 염증 세포에서 NOS-2는 처음에는 세포질에 발현되지만, 국소 NO 농도를 높이기 위해 식세포소 또는 과산화소체로 이동하여 NO가 초산화물과 반응하여 과산화질소를 형성하여 병원균을 죽입니다[ 32 , 33 ]. 따라서 항산화제와 친산화제로서의 NO의 양면적 효과는 국소 농도를 결정하는 NO의 공급원과 위치에 따라 달라집니다.

3. NO 생산 및 생화학

3.1. 산화질소 합성효소(NOS)

포유류 NOS는 약 50%의 상동성을 갖는 세 가지 동형 단백질(NOS1-3)로 구성됩니다[ 7 ]. NOS-1(nNOS)과 NOS-3(eNOS)은 항상 발현되며, 그 활성은 인산화, S-니트로소화, 단백질 상호작용, 보조인자/기질, 칼슘 농도와 같은 번역 후 조절을 받습니다. NOS-1과 NOS-3은 조직 항상성 및 발달을 조절하기 위해 안정적인 NO 수준을 생성합니다[ 10 , 34 ]. 반대로, NOS-2(iNOS)의 발현은 염증 신호에 반응하여 많은 양의 NO를 생성하도록 유도적으로 조절됩니다[ 10 , 34 ]. 또한, 미토콘드리아는 기질과 내막에 mtNOS(nNOS 동족체)를 가지고 있는 것으로 보고되었습니다. mtNOS는 미토콘드리아의 산소 소비 및 생합성 조절에 관여합니다[ 35 , 36 , 37 , 38 , 39 ]. 그러나 mtNOS의 실제 존재 여부는 현재 논쟁 중입니다(자세한 내용은 아래 참조).

NOS는 두 개의 동일한 단량체가 두 개의 CysXXXXCys 모티프(각 모티프는 하나의 단량체에서 유래)에서 아연 이온의 사면체 배위에 의해 연결된 이량체입니다. NOS는 이 모티프를 통해 기질인 L-아르기닌과 보조인자인 테트라하이드로비오프테린(BH4)에 결합하여 이량 체 형성, 기질 결합 및 효소 기능을 촉진합니다[ 34 , 40 ]. 구성적 NOS-1과 -3은 유도성 NOS-2와 달리 칼슘 농도 증가에 반응하여 칼모듈린에 결합하며, 이는 효소 기능을 활성화하는 구조적 변화를 유도합니다[ 34 , 41 ]. 각 NOS 단량체는 카르복실 말단 환원효소 도메인과 아미노 말단 산소화효소 도메인의 두 가지 별개의 도메인으로 구성됩니다. 두 도메인은 칼모듈린에 결합하는 연결 부위로 연결되어 있습니다[ 34 , 41 ]. 환원효소 도메인은 일련의 산화환원 활성 보조인자인 NADPH, 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드(FAD), 플라빈 모노뉴클레오티드(FMN)를 포함하고 있으며, 이들은 순차적으로 전자를 전달합니다. 아연 이온을 배위하는 이합체화 부위 역할을 하는 산소화효소 도메인은 또 다른 산화환원 활성 보조인자인 BH₄ , 헴, 그리고 기질인 L-아르기닌을 포함합니다. 특히, BH₄ 는 환원효소 도메인과 산소화효소 도메인을 "연결"하는 데 필수적인 역할을 합니다[ 7 , 34 , 42 , 43 ]. BH₄는 환원효소 도메인의 FMN에서 산소화효소 도메인의 헴으로 전자 전달을 촉진합니다. 이로 인해 헴의 3가 철(Fe³⁺ ) 중심이 2가 철( Fe²⁺ ) 중심 으로 환원되고 , 이 2가 철은 분자 산소와 반응하여 Fe²⁺ - O₂ 복합체를 형성합니다 . 이 복합체는 차례로 기질 L-아르기닌의 구아니딘 부분을 산화시켜 L-시트룰린과 NO를 생성합니다[ 7 , 34 , 42 , 43 ]( 그림 1 , 왼쪽).

//

결합된(정상) 상태와 결합되지 않은 상태의 질산화효소(NOS) 이량체 [ 40 ]. ( 왼쪽 ) 정상 결합 상태에서 두 개의 NOS 단량체는 BH4에 의해 연결되어 있으며 , 이는 기질인 L- 아르기닌의 결합 친화도를 증가시킵니다. 또한, NOS 이량체는 두 단량체의 산소화효소 도메인에 배위된 아연 이온에 의해 안정화됩니다. 이량체화는 두 반응의 결합을 가능하게 합니다. 1) 전자 흐름: 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산(NADPH)→ ​​플라빈 아데닌 디뉴클레오티드(FAD)→ 플라빈 모노뉴클레오티드(FMN)→ 헴의 Fe→ 분자 산소; 및 2) L-아르기닌 산화. 이 결합은 NO와 L-시트룰린을 생성합니다. ( 오른쪽 ) BH4 수준이 부족하면 NOS 는 단량체 상태로 남아 L-아르기닌과 결합하지 못합니다. 분자 산소로의 전자 흐름(반응 1)은 L-아르기닌 산화(반응 2)와 분리되어 초산화물(O₂ • ⁻ ) 을 생성합니다 .

//

또는 기질 L- 아르기닌 의 가용성이 감소하면 NOS는 "비결합"되어 이합체화할 수 없게 됩니다. 비결합된 NOS는 환원효소 도메인에서 산소화효소 도메인으로 전자를 전달하지 못하고 L- 아르기닌을 산화시키지 못합니다. 그러면 NO를 생성하는 대신 산소화효소 도메인의 헴은 이제 초산화물(O2•−)을 생성하고 ₍ 그림 ¹ , 오른쪽 ), 이는 BH4를 디하이드로비오프테린( _BH2 ) 으로 산화시켜 BH4 수준을 _더욱 낮춥니다 [ 43 , 44 ]. 실제로 BH4 결핍은 _{당뇨병 [} 45 ], 비만[ 46 ], 심혈관 질환[ 40 , 44 ] 및 암[ 47 ]과 같은 만성 질환에서 NO 결핍의 주요 원인입니다 . NO 결핍은 조직 섬유화 및 경직을 유발할 수 있으며[ 48 ], 이는 또한 환자의 암 위험을 증가시킵니다[ 49 ].

BH4 결핍 은 고산소 환경에서 BH2 로의 산화적 분해 또는 H2O2, 페록시나이트라이트, 헴과 같은 다양한 생물학적 산화제에 의한 분해 때문일 수 있습니다 [ 50 , 51 ] . 한편 , BH4 결핍 은 체내에서 BH4를 생성하는 효소의 결핍 때문일 수도 있습니다. BH4 는 GTP 로부터 새로 합성 되거나 BH4 의 산화된 대사산물 (즉, BH2 및 세피아프테린)로부터 재생됩니다[ 52 , 53 ]. 이 두 경로에 관여하는 효소 중 어느 하나라도 결함이 있으면 BH4 결핍 으로 이어질 수 있습니다 . 특히, BH4 생합성의 속도 제한 효소인 GTP 시클로히드로라제 1(GCH1)의 돌연변이는 다양한 유형 의 신경계 및 대사 장애에서 발견되는 BH4 결핍 의 주요 유전적 원인입니다 [ 54 , 55 ].

3.2. 신호 없음

NO 신호전달은 고전적 방식과 비고전적 방식으로 분류될 수 있다. 고전적 방식에서 NO는 가용성 구아닐릴 시클라제(sGC)의 헴 그룹에 결합하여 GTP를 cGMP로 전환하는 효소 활성을 촉진한다. cGMP는 2차 전달자 역할을 하며 cGMP 의존성 단백질 키나제(PKG)를 활성화시킨다. 이로 인해 세포질 내 칼륨 및 칼슘 이온 농도가 낮아지고, 막 전위가 과분극되어 신경 세포에서는 신경전달이, 혈관에서는 혈관 확장이 유발된다[ 10 , 34 ]. 이러한 고전적 NO 경로는 NO 생성원으로부터 비교적 먼 거리를 거쳐 신호가 전달되는 "장거리" 신호전달 방식이라고 한다. 이러한 경로의 예로는 NO의 파라크린/오토크린 신호전달이 있다[ 56 , 57 ].

비고전적인 NO 신호 전달 체계에는 NO 및 NO 유도체에 의한 생체 분자의 공유 결합 번역 후 변형이 포함됩니다. 이러한 변형에는 단백질 티올의 S-니트로소화, 전이 금속의 금속 니트로소화, 그리고 다양한 분자(예: 티로신, 티올, 아민, 지방산, 구아닌)의 산화적 질산화 또는 수산화가 있습니다(자세한 내용은 아래 참조). 이러한 NO 경로 방식은 NO 공급원으로부터 비교적 가까운 거리, 그리고 종종 특정 세포 소기관 내에서 효과가 나타나기 때문에 "단거리" 경로라고 합니다[ 56 ]. 그러나 최근 연구 결과에 따르면 단백질 S-니트로소화는 전이 니트로소화(아래 참조)를 통해 서로 다른 세포 소기관 사이의 경계를 넘어 전파될 수 있음이 밝혀졌습니다[ 58 ]. S-니트로실화는 세포가 산화 스트레스로부터 스스로를 보호하고 ROS 수준을 감소시키는 산화환원 신호 전달의 새로운 패러다임입니다[ 15 , 59 , 60 , 61 , 62 ]. 다음 섹션에서는 단백질 S-니트로실화의 이러한 항산화 효과에 초점을 맞출 것입니다.

3.3. S-니트로실화, 금속 니트로실화 및 니트로화

니트로실화 반응은 NO 분자의 니트로실기를 다른 분자에 공유결합으로 도입하는 반응입니다. 시스테인의 티올기에서 니트로실화가 일어나면 S-니트로실화라고 합니다. 반면에 전이 금속(예: 금속효소의 촉매 부위)에서 니트로실화가 일어나면 금속 니트로실화라고 합니다.

S-니트로소화는 생리적 pH 범위에서 시스테인 티올에서 일어납니다[ 63 ]. 이 반응은 150년 전에 발견되었지만[ 64 ], S-니트로소화가 NO 매개 단백질 변형으로 인식된 것은 불과 20년 전입니다[ 65 ]. 축적된 증거에 따르면 S-니트로소화는 단백질 구조 변화, 단백질-단백질 상호작용, 그리고 인산화, 아세틸화, 유비퀴틴화, 이황화 결합 형성 등의 추가적인 번역 후 변형을 조절하는 보편적인 조절 메커니즘입니다[ 11 , 12 , 13 , 14 , 58 ]. S-니트로소화는 전사 조절, DNA 손상 복구, 세포 성장/분화, 세포사멸 등 다양한 과정을 조절합니다[ 11 , 18 , 19 ]. S-니트로실화의 균형 조절은 정상적인 병태생리에 필수적이지만, 조절 장애는 질병 상태로 이어집니다[ 66 ]. 아래에서 S-니트로실화의 생물학적 활동에 대해 자세히 논의하겠습니다.

금속 니트로실화의 경우, NO는 80년 전 Keilin과 Hartree가 처음 발견한 바와 같이 헴의 금속 중심과 상호작용합니다[ 67 ]. sGC의 2가 철(Fe II) 헴에 NO가 결합하면 활성화로 이어지는 구조적 변화가 유도되는 반면[ 68 ], 미토콘드리아 전자 전달 사슬의 시토크롬 c 산화효소의 헴에 NO가 결합하면 비활성화됩니다[ 69 ]. NO는 또한 산소 및 일산화탄소보다 높은 친화도로 2가 철 헤모글로빈에 결합합니다. 허혈-재관류와 같은 고산소 조건에서 헤모글로빈에 NO가 결합하면 산소 결합 친화도가 감소하여 조직을 산소 독성으로부터 보호합니다[ 70 ].

높은 농도의 NO와 ROS, 특히 초산화물이 존재할 경우, 두 분자는 반응하여 매우 파괴적인 과산화질산염을 생성하는데, 이는 산성 pH에서 지질을 과산화시키고, 티로신, 티올, 아민 및 지방산을 질산화시키며, 구아닌 뉴클레오티드를 수산화시킬 수 있습니다[ 63 ]. 특히, 티로신이 질산화된 단백질은 산화/질산화 스트레스의 지표이며[ 63 ], 20S 프로테아좀에 의해 분해됩니다[ 71 ]. 반면에 질산화된 불포화 지방산은 항염증 신호를 나타내는 니트로알켄 또는 니트로하이드록실 유도체를 형성합니다[ 72 ].

4. S-니트로실화

4.1. S-니트로실화의 생화학적 기전

NO 자체는 산화제가 아니며 단백질 티올과 강하게 반응하지 않습니다. 따라서 대부분의 S-니트로실화의 경우 NO는 먼저 산소와 반응하여 산화 상태를 증가시킨 다음 티올과 반응합니다[ 73 ]. 다양한 중간 반응이 제안되었습니다[ 56 ].

사례 (1) NO는 O 2 와 반응하여 산화 상태가 증가하는 일련의 질소 산화물(자동 산화)을 형성합니다. 그런 다음 N 2 O 3 는 단백질 티올과 반응하여 아질산염과 니트로소티올을 생성합니다. 특히 이 반응 속도는 NOS 1-3의 주요 위치인 막과 같은 소수성 환경에서 증가합니다( 그림 2 , 반응 1) [ 56 ].

//

네 가지 유형의 S-니트로실화 반응[ 56 ]. (1) 일산화질소(NO)는 O₂와 반응하여 일련 의 질소 산화물을 형성합니다. N₂O₃ 는 단백질 티올과 반응하여 아질산염과 니트로소티올을 생성합니다. (2) NO는 O₂와 반응하여 NO₂ 를 형성 하고 , 이는 티올과 반응하여 티올 라디칼과 아질산염을 생성합니다. 그런 다음 NO는 티올 라디칼과 반응하여 니트로소티올을 형성합니다. (3) 티올 라디칼이 존재할 경우, NO는 티올 라디칼과 직접 반응하여 니트로소티올을 형성합니다. (4) NO는 전이 금속에 의해 산화되어 니트로소늄(NO⁺)을 형성합니다 . 그런 다음 니트로소늄은 촉매 중심 근처의 티올과 반응하여 니트로소티올을 형성합니다.

//

5. 트랜스니트로실화

5.1. 반응

S-니트로실화 부위의 선택성은 트랜스니트로실화라고 하는 연속적인 S-니트로실화 반응을 통해 개선될 수 있습니다[ 58 ]. 트랜스니트로실화는 시스테인에서 S-니트로실화되거나 금속 중심(예: 헴)에서 니트로실화된 단백질(니트로실화효소)이 I/LXC-X2-D/E 모티프를 포함하는 단백질과 상호작용하여 니트로실기를 상호작용하는 시스테인 티올기로 전달하는 과정입니다. 이러한 니트로실화는 연속적으로 발생할 수 있으므로 NO 공급원에서 멀리 떨어진 부위로 신호를 전달할 수 있습니다. 이러한 반응은 Cys-to-Cys 또는 Metal-to-Cys 트랜스니트로실화의 두 가지 시나리오에서 발생합니다( 그림 3 )[ 58 , 78 , 85 ].

//

두 가지 유형의 트랜스니트로실화 반응. (1) Cys-to-Cys 트랜스니트로실화. (2) 금속-to-Cys 트랜스니트로실화.

//

금속 매개 트랜스니트로실화에서 니트로실기는 분자 내 또는 분자 간으로 전달될 수 있습니다. 헤모글로빈에서는 NO가 헴 철에서 동일 분자 내 인접한 시스테인 티올로 전달되는 반면, 시토크롬 c에서는 금속 배위 NO가 상호 작용하는 글루타티온의 티올로 전달되어 GSNO가 형성됩니다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명합니다[ 66 , 96 ].

트랜스니트로실화는 수용체 티올레이트 음이온이 공여체(니트로실화효소)의 니트로실 질소에 친핵성 공격을 가하는 것을 포함합니다[ 85 ]. 지금까지 10개 미만의 S-니트로실화효소가 확인되었으며, 특정 시스테인만이 S-니트로실화의 표적이 됩니다. 이는 특정 신호 전달 경로의 선택적 활성화/억제를 가능하게 합니다[ 58 ]. 선택적 NO 전달의 주요 결정 요인은 공여체(S-니트로실화효소)와 수용체 시스테인의 티올기 사이의 물리적 거리입니다. 또 다른 결정 요인은 공여체와 수용체 티올 사이의 산화환원 전위입니다[ 58 ]. 따라서 트랜스니트로실화는 두 단백질이 직접 상호 작용하고 전자 전달 후 NO 전달을 가능하게 하는 적절한 산화환원 전위를 가질 때만 발생합니다[ 58 ]. 두 단백질의 물리적 결합이 구조적 변화를 유발하여 수용체 티올이 티올레이트 음이온(RS − )을 형성하고, 이 티올이 공여체의 니트로실기를 공격하는 것으로 추측됩니다[ 58 ]. 현재까지 알려진 트랜스니트로실화 반응은 10개 미만입니다[ 58 ]. 이러한 반응 중 주요 신호 전달 경로는 다음과 같습니다.

5.2. S-니트로실화효소 또는 트랜스니트로실화효소

5.2.1. S-니트로소글루타티온(GSNO)

S-니트로소글루타티온(GSNO)은 가장 풍부한 S-니트로소티올이며 세포 내 모든 단백질에 대한 주요 내인성 NO 공여체입니다. GSNO는 미토콘드리아에서 시토크롬 c의 헴 철에서 글루타티온(GSH)으로 니트로실기가 전달될 때 생성됩니다[ 96 ]. 그런 다음 GSNO는 다양한 세포 소기관으로 이동하여 NF-κB, STAT3, AKT, EGFR 및 IGF-1R을 포함한 상호 작용하는 단백질을 전이 니트로실화합니다[ 97 , 98 , 99 ]. GSNO 매개 NF-κB의 p65 및 p50 소단위와 IκB 키나아제의 전이 니트로실화는 암의 악성 행동과 밀접하게 관련된 NF-κB 활성화를 억제합니다[ 100 , 101 , 102 ]. NF-κB 매개 종양 발생 신호 전달 경로 중 하나는 IL6 발현을 증가시켜 세포 생존 및 증식을 촉진하는 전사 인자인 STAT3를 활성화하는 것입니다[ 103 ]. NF-κB의 하위 신호 전달 경로인 STAT3는 GSNO에 의해 전이질소화(transnitrosylation)되어 활성화에 필요한 STAT3 인산화가 억제됩니다[ 101 ]. 또한, AKT, EGFR, IGF-1R과 같은 세포 표면 수용체 및 관련 단백질도 GSNO에 의해 전이질소화되어 인산화 의존적 활성화가 억제됩니다[ 99 ]. 따라서 전임상 연구에서는 GSNO가 종양 세포 성장을 억제하고 방사선 치료의 효능을 향상시키는 강력한 항암 효과를 나타낸다고 보고되었습니다[ 98 , 101 ].

5.2.2. 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소(GAPDH)

또 다른 중요한 S-니트로실화효소는 해당분해 효소인 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소(GAPDH)입니다. GAPDH는 세포질 해당분해에서 글리세르알데히드 3-인산을 D-글리세르산 1,3-비스인산으로 전환하는 촉매 역할을 하는 것으로 잘 알려져 있습니다[ 104 ]. GAPDH는 또한 전사 조절 및 세포 사멸을 포함하여 핵과 미토콘드리아에서 전이니트로실화효소로서 중요한 역할을 합니다[ 105 ].

GAPDH는 스트레스에 반응하여 NOS-2에 의해 S-니트로소화된 S100A8/A9에 의한 촉매 활성 부위인 Cys150에서의 S-니트로소화에 의해 세포질에서 핵으로 이동합니다[ 78 , 106 ]. GAPDH의 S-니트로소화는 핵 위치 신호(NLS)를 가진 E3 유비퀴틴 리가제인 Siah1과의 상호작용을 가능하게 합니다. GAPDH-Siah1 복합체는 핵으로 이동하여 Siah1이 핵 단백질의 유비퀴틴화 및 분해를 매개하여 세포사멸을 유도합니다. 이와는 대조적으로, GAPDH는 p53과 복합체를 형성하여 p53 매개 세포사멸을 활성화합니다[ 105 , 107 , 108 , 109 ]. 또한, GAPDH는 전사 및 DNA 복구에 관여하는 단백질을 전이 니트로소화합니다. 이러한 단백질에는 S-니트로실화에 의해 억제되는 탈아세틸화효소인 시르투인-1(SIRT1) 및 HDAC2와 S-니트로실화에 의해 활성화되는 DNA 복구 단백질인 DNA 활성화 단백질 키나제(DNA-PK)가 포함됩니다[ 105 , 106 ].

스트레스에 반응하여 GAPDH는 미토콘드리아로 이동하여 Hsp60, 아세틸-CoA 아세틸트랜스퍼라제(ACAT1) 및 전압 의존성 음이온 채널 1(VDAC1)과 같은 미토콘드리아 단백질을 전이질소화합니다[ 110 ]. GAPDH 매개 미토콘드리아 단백질의 전이질소화 증가는 미토콘드리아 막의 투과성, 미토콘드리아 기능 및 세포 사멸을 조절합니다[ 111 ].

암세포에서는 GAPDH 매개 핵단백질의 전이질소화가 손상되어 스트레스 반응성 세포사멸에 결함이 발생합니다[ 106 , 108 , 112 , 113 ]. 이러한 손상의 한 가지 이유는 GAPDH의 핵 전이를 촉진하는 Siah1의 하향 조절입니다[ 112 ]. Siah1 발현은 많은 암 유형에서 하향 조절되는 종양 억제인자인 p53에 의해 직접 조절됩니다[ 112 , 114 ].

5.2.3. S100A8/S100A9

S-니트로실화효소의 세 번째 예는 칼슘 및 아연 결합 단백질인 S100A8과 S100A9이며, 이들은 호중구 화학주성 및 접착과 같은 염증 과정 및 면역 반응 조절에 관여합니다[ 77 ]. 이들은 호중구 세포질 단백질의 최대 40%를 차지하지만 염증 부위에서 ROS 수준이 증가하면 분비됩니다[ 77 , 115 ]. S100A8과 S100A9는 주로 칼프로텍틴(S100A8/A9 이종이량체) 형태로 존재하며, 조직 손상 시 방출되는 아라키돈산(AA)과 복합체를 형성합니다. S100A8/A9-AA 복합체는 NADPH 산화효소(NOX)와 상호작용하고, AA는 NOX로 전달되어 촉매 활성을 활성화시켜 ROS를 생성합니다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명합니다[ 116 ].

그러나 S100A8/A9는 S-니트로소화의 표적이 되며 비만세포 활성화 및 백혈구-내피세포 상호작용을 억제하는 항염증제로 전환됩니다[ 79 , 115 ]. 또한, S-니트로소화된 S100A8/A9는 상호작용하는 단백질을 전이니트로소화하여 항염증 신호를 멀리 떨어진 부위로 전달합니다. 염증 자극에 의해 NOS-2가 유도되면 S100A8/A9는 NOS-2와 표적 단백질 사이의 연결 형성을 도와 니트로실기가 NOS-2에서 표적으로 전달되도록 합니다[ 77 , 78 ]. 현재까지 세포 및 미세혈관에서 100개 이상의 S100A8/A9에 의해 전이니트로소화된 단백질이 확인되었습니다[ 78 ]. 이러한 표적에는 GAPDH와 헤모글로빈이 포함됩니다(위 참조). S100A8/A9는 또한 피질 액틴을 세포막에 연결하는 ERM 단백질(에즈린 및 모에신)과 중간엽 세포 및 전이성 암세포의 주요 중간 섬유인 비멘틴과 같은 일부 세포골격 요소를 전이질소화합니다[ 78 , 79 , 80 , 81 ]. 이러한 세포골격 요소의 S-니트로소화의 직접적인 결과는 아직 밝혀지지 않았습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 단백질의 S-니트로소화는 구조적 변화를 유도하여 단백질 안정성과 단백질-단백질 상호작용에 영향을 미치는 것으로 제안됩니다[ 117 , 118 ].

6. 산화환원 조절을 위한 세포 단백질의 S-니트로소화

세포 내부에서 세포질 단백질의 S-니트로소화 수준은 상대적으로 낮습니다. 그 이유 중 하나는 S-니트로소기가 세포질 내 다양한 ​​요인에 의해 자발적으로 분해될 수 있기 때문입니다. 이러한 요인에는 환원제(아스코르브산 및 글루타티온), 금속 이온(Cu2 + ), 열, 자외선, 활성산소종(ROS) 및 친핵체(또는 음이온)가 포함됩니다[ 17 , 91 ]. 또 다른 이유는 구성적 NOS-1과 NOS-2의 세포 내 위치가 구획화되어 있어 대부분의 S-니트로소화 반응 또한 구획화되기 때문입니다[ 3 , 4 , 6 , 117 ]. NOS-2는 처음에는 세포질에서 발현되지만, NOS-2에 의해 생성된 NO는 단백질 티올기를 S-니트로소화하기보다는 ROS와 반응하여 RNOS를 형성할 가능성이 더 높습니다[ 32 , 33 ]. 따라서 S-니트로소화가 주로 일어나는 부위는 세포소기관(예: 미토콘드리아, 골지체, 소포체), 핵, 그리고 세포막입니다. 이 중에서도 미토콘드리아와 핵에서 일어나는 단백질의 S-니트로소화가 산화 스트레스로부터 세포를 보호하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 중점적으로 살펴보겠습니다. 이러한 단백질 중 일부는 표 1 에 나열되어 있습니다 .

표 1.

종양 미세환경과 관련된 단백질의 S-니트로실화 효과.

단백질 이름 //S-니트로실화의 효과// 결과//참고.//

비클-2 유비퀴틴화(활성화) 억제 항세포사멸 [ 18 ]

카스파제 카스파제 활성 억제 항세포사멸 [ 19 , 119 ]

Fas 수용체 Fas 리간드 매개 세포 사멸 촉진 세포사멸 [ 18 ]

GAPDH 핵 전이 세포사멸 [ 105 ]

TG2 활동 억제 종양 억제 [ 120 , 121 ]

관리 DNA 복구 활동 억제 DNA 손상 및 세포사멸 [ 18 , 122 , 123 ]

OGG1 DNA 복구 활동 억제 DNA 손상 및 세포사멸 [ 122 ]

HDAC2 탈아세틸화효소 활성 억제 히스톤 아세틸화 [ 124 , 125 ]

MMPs 활성화(낮은 수준)

억제(높은 수준) 종양 진행

종양 억제 [ 126 , 127 ]

카베올린-1 프로테아좀 분해 억제 종양 진행 [ 128 ]

c-Src 활성화 종양 진행 [ 18 ]

β-카테닌 프로테아좀 분해 종양 억제 [ 129 ]

HDM2 p53에 대한 결합 억제 종양 억제 [ 130 ]

HIF-1α 활동의 안정화 혈관신생 촉진 [ 14 , 18 ]

매트 효소 활성의 불활성화 종양 억제 [ 82 , 131 ]

NF-kB 활동 억제 종양 억제 [ 14 ]

프텐 활동 억제 종양 진행 [ 18 , 132 ]

라스 활성화 종양 진행 [ 133 ]

6.1. 산화환원 민감성 미토콘드리아 단백질의 S-니트로소화

미토콘드리아는 ROS 생성에 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 다른 모든 기능과 함께 항산화 메커니즘을 제공합니다( 그림 4 )[ 134 ]. 미토콘드리아의 생물학적 활성과 품질 관리는 부분적으로 미토콘드리아 단백질의 S-니트로소화 및 탈니트로소화에 의해 조절됩니다[ 135 , 136 ]. 미토콘드리아 단백질은 미토콘드리아 호흡 및 산화환원 평형의 변화에 ​​​​반응하여 S-니트로소화됩니다. 이는 단백질 티올과 세포를 산화적 손상 및 사망으로부터 보호하는 동시에 추가적인 ROS 생성을 방지합니다[ 59 , 60 , 61 ]. 산화 환경에 대한 S-니트로소화의 이러한 반응성은 부분적으로 그 생화학적 특성에 기인할 수 있습니다. NO 자체는 산화제가 아니며 단백질 티올과 반응하기 위해서는 산화 상태를 높이기 위해 분자 산소와 반응해야 합니다[ 73 ].

//

미토콘드리아 단백질의 S-니트로소화는 산화 스트레스에 대한 저항성을 부여합니다. 미토콘드리아 단백질은 산화 환경에서 S-니트로소화됩니다. 호흡 및 에너지 생산에 관여하는 단백질(전자전달계(ETC), 아데노신 삼인산(ATP) 합성, 시트르산 회로(TCA 회로) 및 지방산 β 산화)의 S-니트로소화는 활성산소(ROS) 생성을 억제하고 이러한 효소의 단백질 티올기를 산화적 손상으로부터 보호합니다. 반대로, 세포 사멸 조절에 관여하는 단백질(mPTP, 카스파제-3/-9, VDAC 및 Bcl-2)의 S-니트로소화는 세포를 사멸 신호로부터 보호합니다.

//

미토콘드리아 NO의 근원은 여전히 ​​논쟁의 여지가 있습니다. 한편으로, 미토콘드리아 NO는 미토콘드리아 NOS(mtNOS)에 의해 생성될 수 있습니다[ 60 ]. mtNOS는 칼슘에 민감하고 구성적으로 활성화되어 있으며(NOS-1[nNOS]과 유사함) 미토콘드리아 내막에 통합되어 있다고 보고되었습니다[ 36 ]. 그러나 mtNOS의 존재는 여전히 논란의 여지가 있습니다[ 60 ]. 다른 한편으로, 미토콘드리아 NO는 세포질에서 생성된 NO가 트랜스니트로실화효소를 통해 미토콘드리아 막에 있는 상응하는 수송체를 거쳐 운반되어 생성될 수 있습니다[ 61 , 137 ].

미토콘드리아에서 생성된 NO는 낮은 pH와 친유성 환경으로 인해 미토콘드리아 내막과 막간 공간에서 단백질을 우선적으로 S-니트로실화하거나 Fe-니트로실화할 수 있습니다. S-니트로실화의 표적이 되는 미토콘드리아 단백질에는 전자 전달 사슬(ETC)의 모든 복합체가 포함됩니다. 복합체 I(NADH: 유비퀴논 산화환원효소), 복합체 II(숙신산 탈수소효소), 복합체 III(사이토크롬 b-c1 복합체), 사이토크롬 c, 복합체 IV(사이토크롬 C 산화효소) 및 아데노신 삼인산(ATP) 합성효소(복합체 V) [ 59 , 60 ]. 또한, 시트르산(크렙스) 회로 및 β-산화에 관련된 여러 대사 효소[ 60 , 138 ]와 세포 사멸 조절에 관련된 다양한 미토콘드리아 단백질[ 119 , 139 , 140 ]이 S-니트로소화됩니다. 이러한 미토콘드리아 단백질의 S-니트로소화는 대부분 미토콘드리아 O2 소비, ROS 생성 및 미토파지를 조절하는 활동을 억제하는 동시에 세포를 사멸 신호로부터 보호합니다( 그림 4 )[ 36 ].

반면에, 다량의 ROS(및/또는 NO)가 존재하는 경우 NO는 초산화물과 반응하여 티로신과 불포화 지방산을 비가역적으로 질산화 또는 과산화시킬 수 있는 강력한 산화제인 과산화질산염(ONOO−)을 생성할 수 있습니다 [ 137 , 141 ] .

6.1.1. 전자 전달 사슬(ETC) 및 ATP 합성효소

전자전달 사슬(ETC, 호흡 사슬)은 미토콘드리아 내막에 결합된 복합체 I-IV로 구성됩니다. 전자는 일련의 산화환원 반응을 통해 복합체 I에서 IV로 순차적으로 전달되며, 이 과정에서 에너지가 방출되어 내막을 가로지르는 양성자 기울기가 생성됩니다. 생성된 양성자 기울기는 화학삼투를 유발하여 ATP 합성(복합체 V)을 촉진합니다. 산화적 인산화라고 불리는 이 전체 과정은 호기성 생물에서 ATP의 주요 공급원입니다[ 142 ]. 한편, ETC는 세포 내 활성산소(ROS) 생성의 주요 부위입니다. ROS 생성은 내막을 가로지르는 양성자 기울기가 불충분하여 ETC와 ATP 합성이 분리될 때 가장 두드러지게 나타납니다. 이러한 분리는 복합체 I에서 역전자전달(RET)을 유발하여 다량의 초산화물을 생성합니다[ 143 ]. 생성되는 활성산소종(ROS)의 양은 미토콘드리아 항산화 효소인 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SDS)와 카탈라제(CAT)에 의해 촉매되는 양을 종종 초과할 수 있습니다.

산화 조건에서 복합체 IV의 효소 활성은 S-니트로소화 또는 Fe-니트로소화에 의해 억제되어 추가적인 ROS 생성을 방지할 수 있습니다[ 59 , 60 , 61 ]. 예를 들어, 복합체 IV의 Fe-heme 중심에 대한 O2 결합 은 NO 결합에 의해 경쟁적으로 억제되어 산소 소비를 줄이고 결과적으로 ROS 생성을 더욱 감소시킵니다[ 144 ]. 또한, 복합체의 S-니트로소화는 ROS에 의한 산화적 손상으로부터 스스로를 보호할 뿐만 아니라 NO를 제거하여 초산화물과 반응하여 과산화질산염을 형성하는 것을 방지합니다[ 141 ]. 더욱이, 저산소 조건에서는 산화질소 생성이 증가하는데[ 145 ], 이는 미토콘드리아 전자전달계 단백질의 S-니트로소화 및 불활성화를 촉진할 수 있습니다[ 144 ]. 이는 미토콘드리아의 산소 소비를 감소시키고 세포 내 산소가 다른 부위로 재분배되도록 합니다. 이것은 또한 저산소증에 대한 반응으로 저산소 유도 인자-1α(HIF-1α)의 안정화를 방지할 것입니다[ 146 ].

복합체 IV의 불활성화는 궁극적으로 산화적 인산화(즉, 세포 호흡)를 방해하여 단백질 펌핑을 중단시키고 미토콘드리아 탈분극을 유발합니다[ 39 , 59 ]. 이는 PINK1/Parkin 경로를 활성화하여 기능 장애가 있는 미토콘드리아를 선택적으로 제거하는 미토파지를 유도합니다[ 147 ]. 미토파지는 미토콘드리아가 산화 스트레스로부터 세포를 보호하는 메커니즘입니다[ 148 ].

5개의 복합체 외에도 복합체 III과 IV 사이에서 전자를 전달하는 사이토크롬 c 또한 S-니트로실화의 표적이 됩니다. 사이토크롬 c는 헴 부분의 철에서 니트로실화되고, 이 니트로실기는 글루타티온(GSH)으로 전달되어 풍부한 트랜스니트로실화효소인 GSNO를 생성합니다[ 149 ]. S-니트로실화된 사이토크롬 c는 세포사멸 과정에서 세포질로 방출되지만[ 150 ], GSNO를 합성하는 능력을 유지하며 세포사멸 신호 전달을 억제하는 것으로 제안됩니다[ 149 ].

6.1.2. 대사 효소

미토콘드리아 내막과 기질은 피루브산(구연산 [크렙스, TCA] 회로)과 지방산(지방산 β-산화)의 CO₂로의 호기성 산화가 일어나는 부위입니다 . 이러한 이화 반응은 그 자체로 ROS를 생성할 뿐만 아니라[ 151 , 152 , 153 ], ROS를 생성하는 전자전달계(ETC)를 구동하는 전자와 보조효소(예: NADH 및 FADH₂)의 공급원 역할도 합니다 [ 152 , 154 ]. 산화 조건에서 이러한 이화 효소 중 상당수는 활성을 억제하기 위해 S-니트로소화의 표적이 됩니다[ 59 , 60 , 138 , 155 ]. 여기에는 구연산(크렙스) 회로의 세 가지 효소(아코니타제, α- 케토글루타르산 탈수소효소, 숙신산 탈수소효소[복합체 II])가 포함됩니다. 그리고 지방산 β-산화(장쇄 및 단쇄 아실-CoA 탈수소효소, 에노일-CoA 수화효소, 카르니틴 팔미토일 전이효소 2 및 플라보단백질 탈수소효소)로부터 5가지가 있습니다[ 60 ]. 이러한 이화 효소의 억제는 ROS 생성 감소에 기여합니다.

6.1.3. 미토콘드리아의 세포사멸 촉진 및 억제 단백질

앞서 설명한 바와 같이, 산화 환경에서 전자전달계(ETC)와 미토콘드리아 대사 효소의 S-니트로소화는 활성산소종(ROS)의 추가 생성을 억제하고 단백질 티올기를 산화적 손상으로부터 보호합니다. 반면, 세포사멸/괴사 관련 미토콘드리아 단백질의 S-니트로소화는 세포를 사멸로부터 보호합니다. 이러한 상반된 효과의 이유는 전자전달계와 대사 효소의 억제로 에너지 생산이 감소하면 세포 사멸이 유발되므로, 이에 대한 대응으로 세포 사멸 경로 또한 억제되기 때문일 수 있습니다. 이러한 세포사멸 관련 및 억제 단백질에는 미토콘드리아 투과성 전이공(mPTP), 전압 의존성 음이온 채널(VDAC), 카스파제 및 Bcl-2가 포함됩니다.

mPTP는 스트레스(예: 산화 스트레스) 하에서 미토콘드리아 내막에 형성되며 미토콘드리아 막 전위 조절에 중요한 역할을 합니다. 스트레스 하에서 이 기공이 열리면 미토콘드리아 막의 투과성이 1.5kDa 미만의 분자에 대해 증가하여 미토콘드리아가 팽창하고 괴사됩니다[ 156 ]. 기저 수준(예: 5μM)에서 생성된 NO는 mPTP 조절에 중요한 구성 요소인 사이클로필린 D(CypD)를 S-니트로실화할 수 있습니다. 이는 기공 개방에 필요한 CypD와 mPTP의 결합을 방지하여[ 139 , 157 ] 스트레스 하에서 세포를 보호합니다. 반면, 고농도(예: 500μM)에서 생성된 NO는 다량의 ROS가 존재할 때 과산화질산염을 생성할 수 있습니다. 과산화질산염은 mPTP를 산화시켜 다중 이황화 결합을 유도할 수 있으며 이는 mPTP의 개방, ATP 생산 손실 및 괴사로 이어질 수 있습니다[ 158 ].

VDAC는 미토콘드리아 외막에 위치하며 미토콘드리아 대사산물의 유입과 유출을 조절합니다. 또한 VDAC는 세포사멸 신호전달을 위해 caspase-9를 활성화하는 시토크롬 c의 방출을 조절함으로써 미토콘드리아 매개 세포사멸에 중요한 역할을 합니다[ 159 ]. S-니트로소화가 VDAC에 미치는 영향은 mPTP와 유사하게 이중적인 것으로 보고되었습니다. 낮은 수준(<1 μM)의 NO(및 S-니트로소화)는 VDAC 기능을 억제하여 세포를 세포사멸 활성화로부터 보호합니다. 반면, 높은 수준의 NO는 기능을 상향 조절합니다[ 160 ]. 그러나 이것이 과산화질산염 생성 또는 다른 메커니즘과 관련이 있는지는 알려지지 않았습니다.

카스파제는 세포질과 미토콘드리아 막간 공간에 위치한 세포사멸의 주요 실행자입니다. 세포사멸 신호가 없을 때, 미토콘드리아에 있는 카스파제-3 및 카스파제-9의 전구체는 촉매 부위에서 S-니트로소화되어 활성을 억제합니다. Fas 수용체가 활성화되면 전구체는 탈니트로소화되어 추가 활성화가 가능해집니다[ 119 ].

Bcl-2 패밀리 단백질은 미토콘드리아 외막에 위치하며 세포사멸 촉진 막간 단백질(예: 시토크롬 c)의 방출을 조절하여 세포사멸을 조절합니다[ 161 ]. 항세포사멸 Bcl-2는 세포사멸 자극에 반응하여 S-니트로소화됩니다. 이는 Bcl-2의 유비퀴틴-프로테아좀 분해를 억제하고 세포를 세포사멸로부터 보호합니다[ 140 ].

6.2. 산화환원 조절 핵단백질의 S-니트로소화

여러 핵 단백질은 스트레스, 특히 산화 스트레스에 반응하여 S-니트로실화의 표적이 되며, 이는 활성의 상향 또는 하향 조절로 이어집니다. 핵 내 니트로실기의 잠재적 공급원에 대해서는 두 가지 가능성이 제시되었습니다. 하나는 핵으로 이동한 NOS이고, 다른 하나는 핵에 위치한 트랜스니트로실화효소입니다. NOS 1~3은 유사분열 촉진제, 산화 스트레스 및 기타 병리학적 조건과 같은 자극에 반응하여 핵으로 이동하는 것으로 나타났습니다. 핵에서 NOS 동형 단백질은 핵 단백질의 S-니트로실화, 유전자 발현 및 칼슘 항상성을 조절합니다[ 162 , 163 , 164 , 165 ]. 반면에, 트랜스니트로실화효소인 GAPDH는 스트레스(예: 산화 스트레스)에 반응하여 세포질에서 S-니트로실화되고 핵으로 이동하여 전사 인자, 핵 수송체 및 DNA 복구 단백질을 포함한 여러 핵 단백질을 트랜스니트로실화하는데, 이러한 단백질들은 산화환원 조절 및 세포의 스트레스 방지에 관여합니다.

6.2.1. 전사 인자

산화환원 항상성 변화에 반응하여 여러 산화환원 조절 전사 인자가 S-니트로소화되어 표적 유전자의 발현을 변화시켜 세포를 산화 스트레스로부터 보호합니다. 이러한 전사 인자에는 핵인자(적혈구 유래 2) 유사 2(NRF2), p53, 핵인자 κB(NF-κB), 저산소 유도 인자-1α(HIF-1α) 등이 있습니다.

NRF2는 항산화 유전자 전사의 주요 조절자입니다. 산화 스트레스에 반응하여 NRF2는 항산화 반응 요소(ARE)를 포함하는 광범위한 유전자 프로모터에 결합합니다. 이러한 유전자에는 글루타티온 및 티오레독신 시스템에 관련된 효소(예: 글루타메이트-시스테인 리가제 촉매 소단위[GCLC]), 미토콘드리아 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(Mn 2+ SOD, SOD2), 페록시레독신, HSP70 및 페리틴이 포함됩니다[ 166 , 167 ]. NRF2는 Klech 유사 ECH 관련 단백질 1(Keap1)과의 잠재적 복합체 형성을 통해 세포질에 격리되어 있으며, Keap1과의 분리는 NRF2의 핵 이동 및 활성화를 가능하게 합니다[ 168 ]. 다른 모든 자극 중에서 Keap1의 S-니트로실화는 NRF2 활성화를 유도하는 주요 메커니즘 중 하나입니다[ 169 ].

p53 종양 억제 단백질은 산화환원 조절에 관여하는 또 다른 전사 인자입니다. 약한 산화 스트레스에 반응하여 p53은 핵에 위치한 nNOS에 의해 DNA 결합 도메인의 Cys124에서 S-니트로소화됩니다. 그런 다음 p53은 표적 유전자, 예를 들어 강력한 항산화 메커니즘 조절자인 퍼옥시좀 증식인자 활성화 수용체 감마 보조활성인자 1-알파(PGC-1α)와 결합하여 전사 활성화를 유도합니다. PGC-1α는 NRF2와 상호작용하여 NRF2 매개 항산화 유전자(예: SOD2 및 GCLC, 위 참조)의 발현을 보조 활성인자로 작용합니다[ 170 , 171 , 172 ]. S-니트로소화는 p53에 결합하여 분해 대상으로 지정하는 E3 유비퀴틴 단백질 리가아제인 MDM2에서도 발생합니다. MDM2의 S-니트로소화는 p53과의 상호작용을 억제하여 p53을 안정화시킵니다[ 173 ]. p53의 Cys124는 돌연변이 핫스팟이 아니지만, p53의 핵 S-니트로실화는 노화 과정에서 핵에 국소화된 nNOS가 감소함에 따라 감소할 수 있습니다[ 171 ].

NF-κB는 염증 및 세포 증식에 ​​중요한 역할을 하는 유전자 발현을 조절하는 전사 인자입니다. NF-κB는 미토콘드리아 전자전달계(ETC)와 활성산소(ROS) 생성을 증가시키는 동시에 NRF2 경로를 억제합니다[ 174 ]. NF-κB는 일반적으로 억제인자인 I-κB에 의해 결합되어 세포질에 격리됩니다. 그러나 ROS와 같은 스트레스에 반응하여 I-κB는 I-κB 키나제 복합체(IKK-α, -β, -γ)에 의해 인산화되어 유비퀴틴-프로테아좀 매개 분해를 통해 분해되고 핵으로 이동하여 NF-κB가 활성화됩니다[ 175 ]. IKK-β는 촉매 부위의 S-니트로소화에 의해 억제될 수 있으며, 이는 NF-κB 활성화를 방지하고[ 176 ] 미토콘드리아 ROS 생성을 감소시키는 데 기여합니다[ 177 ].

HIF-1은 산소 수준에 의해 조절되는 전사 조절인자입니다. HIF-1은 HIF-1α와 HIF-1β 소단위로 구성된 이종이량체입니다. 정상 산소 조건에서 HIF-1α는 프롤린 및 아르기닌 잔기에서 수산화되어 유비퀴틴-프로테아좀 시스템에 의해 분해됩니다. 저산소증에 반응하여 수산화가 억제되고 안정적인 HIF-1 이량체가 핵으로 이동하여 혈관신생을 촉진하는 혈관내피 성장인자(VEGF)와 같은 저산소 반응 유전자를 전사 활성화합니다[ 178 ]. 그러나 저산소증 동안 NO는 S-니트로소화를 통해 미토콘드리아 전자전달계를 억제함으로써 HIF-1 활성화를 억제하는 데 도움을 줄 수 있으며, 이는 미토콘드리아 외부의 세포간 구획에서 산소 가용성을 증가시킵니다[ 14 ]. 반면에 정상산소 상태에서 NO는 HIF-1α를 S-니트로실화할 수 있으며 이는 HIF-1α를 안정화하고 표적 유전자의 HIF-1 매개 발현을 활성화하는 데 도움이 됩니다[ 179 ]. 이는 NO 매개 HIF-1 조절의 맥락 의존성을 보여줍니다.

6.2.2. 핵 수송 장치

신호 단백질과 전사 인자의 활동은 종종 핵과 세포질 사이의 이동에 의해 조절됩니다. 이 과정은 화물의 핵 위치 신호(NLS) 또는 핵 수출 신호(NES)를 인식하고 핵공 복합체를 통해 이동시키는 카리오페린 계열 구성원에 의해 촉진됩니다[ 180 ]. 이러한 수송체 중 하나는 산화환원 조절에 관여하는 염색체 영역 유지 1(CRM1, 일명 Exportin-1)입니다.

CRM1은 류신이 풍부한 핵 수출 신호(NES)를 가지고 세포의 항상성 및 스트레스 반응에 중요한 역할을 하는 200개 이상의 핵 단백질의 핵 수출을 촉진합니다. 이러한 수송 단백질에는 NRF2, p53, p73, MDM2, BRCA1/2, SMAD1/4, STAT1, IκB, c-Abl 및 FOXO-3A가 포함됩니다[ 181 , 182 , 183 , 184 ]. 이 수송 단백질들은 CRM1에 의해 핵에서 수출되어 세포질에 격리되거나 분해 대상으로 지정됩니다[ 184 , 185 ]. CRM1의 활성은 핵 내 니트로실기의 증가에 따른 S-니트로실화에 의해 억제됩니다. S-니트로실화는 CRM1이 NES를 인식하고 결합하는 능력을 저해합니다[ 184 ]. 이러한 CRM1 억제의 주요 결과 중 하나는 위에서 볼 수 있듯이 NRF2의 핵 축적과 항산화 방어 메커니즘의 유도입니다[ 184 ].

6.2.3. DNA 손상 복구 단백질

핵의 일부 DNA 손상 복구 단백질은 S-니트로실화된 GAPDH와 상호 작용하고 이에 의해 트랜스니트로실화됩니다. 이러한 단백질에는 DNA 활성화 단백질 키나아제(DNA-PKcs)의 촉매 소단위[ 106 , 186 ]와 아퓨린-아피리미딘(AP) 엔도뉴클레아제 1(APE1)[ 187 ]이 포함됩니다.

DNA-PKcs는 비상동 말단 접합을 통해 손상된 DNA를 복구하는 데 중요한 역할을 합니다[ 188 ]. DNA-PKcs는 S-니트로실화에 의해 핵으로 이동한 GAPDH와 상호작용하고 이에 의해 전이니트로실화됩니다[ 78 , 106 ]. DNA-PKcs의 전이니트로실화는 DNA 손상 항암제에 대한 반응으로 DNA 복구 활성을 상향 조절합니다[ 122 , 189 ].

APE1(레독스 인자 1, Ref-1이라고도 함)은 손상된 DNA의 염기 절단 복구 및 세포 산화환원 반응 조절에 관여합니다[ 190 ]. APE1은 주로 핵에 존재하지만, 세포 내 위치는 역동적으로 조절되며 미토콘드리아와 세포질로 이동할 수 있습니다[ 191 ]. APE1은 S-니트로소화 후 핵으로 이동한 GAPDH와 상호작용합니다[ 78 , 106 ]. APE1과 GAPDH의 상호작용은 APE1의 뉴클레아제 활성에 중요할 뿐만 아니라[ 187 ], APE1의 전이니트로소화를 유도합니다. APE1의 전이니트로소화는 핵 수출 단백질 CRM1(위 참조)과는 독립적으로 핵 밖으로의 이동을 유발하여 다양한 세포 내 위치로 이동할 수 있게 합니다[ 192 ].

7. 산화환원 조절자를 위한 세포외 단백질의 S-니트로소화

세포외 환경은 산화적이며, 이황화 결합으로 연결된 다양한 단백질이 존재하는 것이 특징입니다. 이는 환원성이 매우 강하여 이황화 결합 형성이 제한되는 세포내 환경과는 극명한 대조를 이룹니다[ 193 ]. 세포외 환경의 활성산소종(ROS)은 특정 수송체(예: 아래에서 볼 수 있는 아쿠아포린 1)를 통해 세포내 환경에서 생성된 ROS로부터 유래될 수 있습니다. 그러나 특정 유형의 세포(예: 면역 세포 및 혈관 세포)에서는 NADPH 산화효소(NOX)가 세포외 ROS의 주요 생성원이며, ROS를 생성하여 세포외 환경 및 혈액 순환계로 분비합니다( 그림 5 )[ 193 ]. 또한, 단백질 이황화 이성질화효소(PDI)는 NOX와 복합체를 형성하여 세포외 ROS 생성을 촉진합니다. 세포는 세포외 ROS에 대응하기 위해 다양한 항산화 효소를 분비하는데, 여기에는 초산화물을 과산화수소로 분해하는 반응을 촉매하는 세포외 초산화물 분해효소(Ec-SOD, SOD3)[ 193 ], 과산화수소를 제거하는 카탈라아제(CAT), 글루타티온 과산화효소(GPx), 티오레독신(Trx)[ 194 , 195 , 196 ] 등이 포함됩니다. 이 모든 단백질은 활성을 조절하기 위해 S-니트로소화의 표적이 됩니다.

그림 5.

세포외 및 세포내 활성산소종(ROS)과 산화질소(NO)의 이동. 약어: CAT: 카탈라아제, Cu²⁺ / Zn²⁺ - SOD: 구리/아연 슈퍼옥사이드 디스뮤타제, Ec-SOD: 세포외 슈퍼옥사이드 디스뮤타제, SNO: S-니트로소시스테인, GPx: 글루타티온 퍼옥시다제, GSH: 글루타티온, GSNO: S-니트로티올글루타티온, GR: 글루타티온 환원효소, Grx: 글루타레독신, Mn²⁺- SOD : 망간 슈퍼옥사이드 디스뮤타제, NOX: NADPH 산화효소, Prx: 퍼옥시레독신, Trx: 티오레독신, TrxR: 티오레독신 환원효소, XO: 크산틴 산화효소.

https://ilbe.com/view/11617070370#0H0H