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세포체에서 신경전달물질들이 합성 synthesis 되고, 이는 축삭말단으로 이전 transport 되어 시냅스 소포에 저장 storage 된다. 소포는 Ca++ 이온의 도움으로 세포막으로 이전되어 세포막에 정박 ducking 되며 복잡한 기전에 의해 세포막과 융합 fusion한 후 시냅스 틈새로 분비된다. 이 과정을 세포외유출 exocytosis이라고 한다. 8)

시냅스 틈새로 분비된 신경전달물질은 확산 diffusion 되어 인접세포의 세포막에 존재하는 수용체에 결합 binding하여 신호를 전달하고, 다시 축삭말단으로 재흡수 reuptake 되거나 시냅스 틈새에서 대사효소에 의해 비활성물질로 대사 metabolism된다. 9)

신경전달물질의 합성과 분비는 자가수용체 autoreceptor에 의해 조절된다. 시냅스 틈새의 신경전달물질이 축삭말단에 위치한 자가수용체와 결합하면 주로 신경전달물질의 분비를 억제하고, 세포체나 수상돌기 somatodendrite에 위치한 자가수용체와 결합하면 신경전달물질의 합성효소를 억제하여 최종적으로는 신경원 점화 neuronal firing와 신경전달물질의 분비를 억제한다.

1) 합성
단가아민 신경전달물질의 경우 그 전구물질인 아미노산이 뇌혈관장벽 brain blood barrier을 통과하여 신경원의 세포체에 도달한다. 이때 아미노산의 유입량은 혈액 내 아미노산들의 비율에 따라 조절된다. 세포체에는 합성효소들이 있어 신경전달물질들이 합성되며, 이는 미세소관 microtubule을 통해 축삭말단으로 이전된다. 축삭말단에서도 미세소관을 통해 이동해온 아미노산과 합성효소들이 있어 신경전달물질들이 합성된다. 신경펩타이드 neuropeptide 신경전달물질들은 핵에서 만들어진 전구단백질이 몇 가지 단계를 거쳐 단백질 분해효소 protease들에 의해 잘려져서 합성된다.10)

2) 저장
시냅스 소포 synaptic vesicle는 신경펩타이드들을 저장하는 큰 소포 large vesicle와 단가아민과 같은 신경전달물질들을 저장하는 작은 소포 small vesicle로 나뉘어 진다. 신경전달물질들을 소포 내로 흡수하여 저장하는 데는 소포 수송체 vesicular transporter가 필요하다. 이 중 잘 알려진 것은 소포 단가아민 수송체 vesicular monoamine transporter (VMAT)와 소포 아세틸콜린 수송체 vesicular acetylcholine transporter (VAChT)이다. 이들 외에도 소포 GABA 수송체 vesicular GABA transporter (VGAT)와 소포 글루타메이트 수송체 vesicular glutamate transporter (VGLUT)가 있다. 11)

VMAT 1은 내분비계에서 발견되는 말초형이고 VMAT 2는 중추형이다. VMAT 2는 세포막의 재흡수부위인 세포막 수송체 membrane transporter들과는 달리 소포 내의 2개의 양성자 proton (H+)를 소포 밖으로 내보내고 대신 1개의 단가이민 혹은 약물을 흡수한다(그림 2). VMAT는 세포막 수송체와 같이 소포막 vesicular menbrane에 12개의 횡막부위 transmembrane domain (TMD)을 갖는다(그림 3).




3) 분비
축삭말단과 인접세포의 접합부에는 많은 단백질들이 밀집해 있다. 축삭말단에는 소포가 미세필라멘트 microfilament를 타고 내려와 세포막에 부착되는 과정과 소포가 세포막과 융합하여 신경전달물질을 분비되는 세포외유출 기전에 관여하는 많은 단백질들이 있는데 이 부위를 활성부위 active zone라고 한다. 반면 인접세포의 접합부에는 많은 이온통로, G-단백질 연계 수용체와 효소들이 밀집해 있는데 이 부위를 시냅스후 밀집부위 postsynaptic density (PSD)라고 한다(그림 4). 12)



축삭말단의 소포는 미세필라멘트 microfilament를 타고 세포막까지 이동하는데 이때 시냅신 synapsin이라는 단백질이 소포와 미세필라멘트 사이를 연결시켜준다. 최종적으로 소포가 세포막에 정박하고 세포막과 융합하는 데는 많은 단백질과 효소들이 관여한다. 그 대표적인 물질들이 SNARE complex를 구성하는 물질인 신탁신 syntaxin,13) SNAP-25, 시냅토브레빈 synaptobrevin과 SNARE complex를 억제하는 물질인 munc 18과 시냅토피신 synaptophysin, 그리고 ATP 분해효소인 NSF들이다. 신경전달물질을 함유하고 있는 소포는 장전 priming 단계에서는 3개의 SNARE complex가 NSF에 의해 풀려 있게 된다. 이때 시냅토브레빈은 소포에 붙어 있고, 신탁신과 SNAP-25는 세포막에 붙어 있다. 정박 docking 단계에서는 rab GTP를 통해 소포는 세포막의 정박부위에 결합하게 된다. 이때 SNARE complex를 구성하는 세가지 단백질이 서로 결합한다. 마지막으로 융합 fusion 단계에서는 SNARE complex로부터 munc 18과 시냅토피신 같은 억제성 단백질들이 분리되어 나가면서 소포와 세포막의 융합이 이루어진다(그림 5).



4) 재흡수
최근 밝혀진 수송체의 재흡수기전을 세로토닌 수송체 serotonin transporter 모델을 통해 살펴본다. 첫 번째 단계로 세포 밖 Na+ 이온이 수송체에 결합하고, 그 다음에 양전하 세로토닌 protonated form (5HT+)이 결합하고, 이어 Cl- 이온이 결합한다. 두 번째 단계로 이 세로토닌, Na+ 이온과 Cl- 이온 복합체가 세로토닌 수송체의 구조적 변화를 초래하고, 이 복합 단백질은 세포 안팎으로 회전한다. 세 번째 단계로 세포 내 위치로 회전된 세로토닌과 이온들이 수송체로부터 세포질 내로 유리된다. 이후 세포 내의 K+ 이온이 세로토닌 수송체에 결합하여 수송체가 원상태로 회전하면서 K+ 이온은 시냅스 틈새로 유리되고, 세로토닌 수송체는 다음 세로토닌 재흡수 싸이클에 대비하게 된다(그림 6).



이와 대조적으로 신경펩타이드 신경전달물질들은 모두 재흡수 되지 않으며, 시냅스 틈새에서 단백분해효소들에 의해 비활성물질로 대사된다. 축삭돌기의 세포막 plasma membrane에 존재하는 모든 단가아민 수송체들은 소포 vesicle에 있는 소포 수송체들과 마찬가지로 12개의 횡막부위 TMD를 갖는다(그림 3).


5) 자가수용체와 이종수용체
자가수용체 autoreceptor는 주로 축삭말단과 세포체에 있다. 도파민계의 경우 축삭말단과 세포체의 도파민 D2 수용체가 자가수용체이며, 아드레날린계의 경우 α2 아드레날린 수용체가 자가수용체이다. 세로토닌계의 경우 축삭말단 axon terminal에서는 5-HT1B/1D 수용체가, 세포체와 수상돌기 somatodendrite에서는 5-HT1A 수용체가 자가수용체이다.

자가수용체는 세포의 흥분성, 신경전달물질의 합성과 분비를 조절한다. 여러 신경전달물질들이 축삭말단에서 한 신경전달물질의 분비를 조절하기도 한다. 일례를 들면, 선조체에 있는 도파민 신경원의 축삭말단에는 엔돌핀계 물질 endorphines, 콜레시스토키닌 cholecystokinin (CCK), 세로토닌 등의 신경전달물질이 그들의 수용체를 통해 도파민의 분비를 억제하거나 촉진시킨다. 디놀핀 dynorphin은 κ 수용체를 통해 도파민 분비를 억제하고, 엔케파린 enkephalin과 엔돌핀 endorphine은 δ와 μ 수용체를 통해 도파민 분비를 촉진시킨다(그림 7). 이 경우 도파민 분비를 억제하는 도파민 D2 수용체는 자가수용체이며, 기타 신경전달물질들의 수용체들은 모두 이종수용체 heteroreceptor가 된다. 14)



6) 신경전달계의 공존
한 신경원에서는 한 개의 신경전달물질만이 분비되어 신호를 전달한다는 것이 1930년대에 발표된 Dale의 법칙이다. 그러나 1970년대 이후로 이 법칙은 오히려 한 예외로 간주되고 있다. 대부분의 소포에는 평균 4-5개의 신경전달물질들이 함께 저장되었다가 함께 분비된다. 신경전달물질들의 공존방식에 특별한 법칙은 없으며, 수천가지의 조합이 가능하다.

한 신경전달물질이 자신의 고유한 기능은 갖지 못하고 함께 분비된 다른 신경전달물질의 분비만을 조절할 경우 이를 신경조절물질 neuromodulator이라고 하며, 다른 신경전달물질의 분비를 조절하면서도 인접세포에 위치한 자신의 수용체를 통해 고유한 기능을 나타낼 경우 이를 두 신경전달계의 공존 co-transmission이라고 한다. 이 경우 한 신경전달계는 자신의 고유한 기능을 수행하면서도 다른 신경전달계를 보조하고 강화하며, 때로 다른 신경전달물질이 고갈될 때 이를 대체하는 기능을 한다.



시냅스 후 신경신호전달 과정을 간략히 기술하면 다음과 같다. 신경전달물질, 호르몬, 약물과 독소 같이 수용체에 결합하는 물질들을 배위자 ligand라고 한다. 이것이 일차전령 first messenger이다. 배위자가 수용체 receptor에 결합하면, 신호는 수용체에 연계되어 있는 G-단백질과 같은 전달기 transducer를 거치거나 혹은 직접 효소나 이온통로와 같은 효과기 effector에 전달되고, 이를 통해 세포 내의 반응이 시작된다. 15)

GABAA 수용체나 니코틴 아세틸콜린 수용체는 효과기가 바로 이온통로로서 세포반응이 빠르게 나타난다. 그러나 아드레날린, 도파민, 세로토닌 수용체 (5-HT3 수용체는 제외)들은 G-단백질을 통해 아데닐레이트 사이클라제 adenylate cyclase (AC)나 포스포리파아제 phospholipase C (PLC)와 같은 효소를 활성화 시켜 cAMP, 이노시톨 삼인산염 inositol triphosphate (IP3), 디아실글리세롤 diacylglycerol (DG), Ca++ 이온과 같은 이차전령 second messenger을 생산한다.

이차전령들은 단백질 인산화효소 protein kinase를 활성화 시키고, 단백질 인산화효소는 세포내 여러 기질들을 인산화 phosphorylation 시켜서 단기반응 short-term response을 나타내기도 하고, 세포핵으로 이동하여 immediate early gene의 형성이나 다른 단백질의 전사 transcription에 영향을 미침으로서 장기반응 long-term response을 나타내기도 한다(그림 8).



1) 수용체
시냅스로 분비된 신경전달물질은 인접세포에 있는 수용체와 결합한다. 수용체는 신호전달과정의 차이에 따라 4가지로 구분된다.

(1) 이온통로 수용체
이온통로는 막전위 변화에 의해 통로가 개폐되는 전압의존성 이온통로 voltage dependent ion channel와 배위자 결합에 의해 통로가 개폐되는 배위자 개폐 이온통로 ligand-gated ion channel가 있다. 전압의존성 이온통로는 대개 24 (6X4)개의 횡막부위 TMD을 갖는 구조물이며, 배위자 개폐 이온통로는 대개 4개의 횡막부위를 갖는 5개의 소단위 subunit들로 구성되어 총 20개 (4x5)의 횡막부위을 갖는 구조물이다(그림 9). 16)



이온통로 수용체 ion channel receptor란 수용체가 효과기인 이온통로와 직접 연합되어 있어서 신경전달물질이 수용체와 결합하면 바로 통로의 이온투과성이 변화되는 경우의 수용체들을 말한다. 이들은 일명 ‘fast receptor’로 불리는 class I 수용체들로서 msec 수준의 극히 짧은 순간에 반응이 일어난다.

GABAA 수용체, 글라이신 glycine 수용체, 이온성 글루타메이트 glutamate 수용체, 니코틴 아세텔콜린 nicotinic acetylcholine 수용체가 이에 속하며, 단가아민 수용체 가운데는 유일하게 5-HT3 수용체가 이에 속한다. 대표적인 이온통로 수용체로는 GABAA 수용체와 니코틴 아세틸콜린 수용체를 들 수 있다(그림 10).



(2) G-단백질 연계 수용체 (G-protein coupled receptor: GPCR)
뇌에 존재하는 신경전달물질의 수용체 가운데 80% 이상이 G-단백질 연계 수용체 G-protein coupled receptor들이다. 이들 수용체에 배위자가 결합하면, 수용체에 연계되어 있던 G-단백질에 변화가 일어나 효소와 같은 효과기가 억제되거나 활성화 된다. 이들은 일명 ‘slow receptor’로 불리는 class II 수용체들로서 서서히 반응을 나타낸다. 즉 class II 수용체들은 G-단백질을 매개로 신호전달을 한다.

α-, β-아드레날린 수용체, 도파민 D1~D5 수용체, 5-HT3 수용체를 제외한 모든 세로토닌 수용체, 무스카린 아세틸콜린 수용체 muscarinic acetylcholine receptor, 대사성 글루타메이트 수용체들 metabotropic glutamate receptors (mGlu)과 모든 신경펩타이드 수용체들이 이에 속하고, 신경전달물질들의 유리를 조절하는 자가수용체들도 이에 속한다.

이들 수용체는 공통적으로 세포막을 7회 관통하는 횡막부위 transmenbrane domain (TMD)를 가지며, 약 450~600개 정도의 아미노산으로 구성된다. 이 단백질의 N-말단은 세포 밖에 C-말단은 세포 안에 위치한다. 7개의 횡막부위 TMD는 N-말단으로부터 각각 TMD I~TMD VII으로 불려지고, 이에 따라 세포 안팎에 각각 3개씩의 고리가 생기는데, 이를 세포외고리 extracellular loop 1 (e1) ~ 세포외고리 extracellular loop 3 (e3)와 세포내고리 intracellular loop 1 (i1) ~ 세포내고리 intracellular loop 3 (i3)라고 부른다. 바로 I3 고리에 G-단백질이 결합하는 부위가 있다(그림 11).



β-아드레날린 수용체의 경우 N-말단으로부터 113번째의 아미노산인 아스파테이트 aspartate (Asp113)가 세포막 표면으로부터 약 11Å 정도 들어간 TMD III에 위치한다. 이 부위를 다른 아미노산으로 대체하면 노르에피네프린이 이 수용체와 결합하는 능력이 거의 없어진다. 도파민과 세로토닌도 각각 도파민 수용체와 세로토닌 수용체의 같은 부위에 위치한 이 ASP113과 결합한다. 또한 TMD V에 위치한 204번째 세린 serine (Ser204)과 207번째 세린 serine (Ser207)도 카테콜아민의 결합에 필요하다. 세로토닌 수용체들의 경우에는 Ser204 부위에 세린 serine 혹은 트레오닌 threonine이 있으며, Ser207은 다른 아미노산으로 대체되어 있다. 아미노산 배열의 동질성 homology으로 볼 때 이들 수용체들은 계통발생학적으로 하나의 수용체에서 분화되어 왔음을 알 수 있다.

(3) 타이로신 인산화효소 수용체
뇌에서 신경세포의 성장 growth과 분화 differentiation에 관여하는 여러 종류의 성장인자 growth factor들이 발견되며, 이들은 성장과 분화가 완료된 성인의 신경세포에도 존재한다. 뉴로트로핀 neurotrophin 계열의 물질로는 신경성장인자 nerve growth factor (NGF), 뇌 신경인자 brain-derived neurotrophic factor (BDNF), 뉴로트로핀 neurotrophin-3 (NT-3), 뉴로트로핀 neurotrophin-4/5 (NT-4/5)가 있으며, 전환성장인자 transforming growth factor 계열의 물질로는 표피성장인자 epidermal growth factor (EGF), 전환성장인자 transforming growth factor (TGF), 교세포 신경인자 glial cell-derived neurotrophic factor (GDNF)가 있다. 17) 18) 그 외에도 섬유모세포 성장인자 fibroblast growth factor, 인슐린양 성장인자 insulin-like growth factor, 혈소판 성장인자 platelet-derived growth factor (PDGF) 등이 있다. 19)

이들 성장인자들의 수용체들은 공통적으로 1개의 횡막부위 TMD를 가지며, 대개는 2개의 수용체가 결합하여 기능을 하게 된다. 이들 타이로신 인산화효소 tyrosine kinase (trk) 수용체는 세포 밖 부분이 수용체이며, 세포 안 부분이 타이로신 인산화효소이다. 즉 이들 수용체는 그 자체가 수용체이면서 효과기인 매우 단순하면서도 효과적인 형태의 수용체들이다. 이들 trk 수용체는 trkA, trkB, trkC 수용체로 분류되는데, NGF는 trkA 수용체, BDNF와 NT-4/5는 trkB 수용체, NT-3는 trkC 수용체와 결합한다(그림 12).



(4) 세포내 수용체
스테로이드계 물질들은 세포막을 통과하며 세포질이나 핵 내에 수용체가 있다. 글루코코티코이드 glucocorticoid, 미네랄로코티코이드 mineralocorticoid, 에스트로겐과 프로게스테론 같은 성호르몬들은 세포막을 통과하고 세포질을 지나 핵 내에 있는 수용체와 결합한다. 단 글루코코티코이드는 세포질에서 수용체와 결합한다. 이들 스테로이드-수용체 복합체는 세포핵에서 스테로이드-의존성 전사요소 steroid-dependent transcription factor와 결합하여 세포반응을 나타낸다.

2) G-단백질
G-단백질은 수용체 결합에 의한 신호를 이온통로나 효소와 같은 효과기에 전달하는 전달기 transducer로서, 구아닌 누클레오티드 guanine nucleotide와 결합하고 있어서 G-단백질로 불려지며, α, β, γ의 상이한 소단위 subunit들로 구성된 이형삼량체 heterotrimer 구조를 하고 있다.

신경전달물질이나 약물들이 G-단백질 연계 수용체(GPCR)에 결합하게 되면, G-단백질의 α 소단위에 있는 구아닌 누클레오티드에 변형이 초래되어 GDP가 유리됨과 동시에 GTP가 결합하게 된다. GTP가 α 소단위에 결합하면, αβγ 소단위 복합체간에 해리가 일어나면서 βγ 복합체로부터 α-GTP가 분리된다. 이렇게 분리된 α-GTP는 아데닐레이트 사이클라제나 포스포리파아제 C, 포스포리파아제 A2와 같은 효소나 K+,, Ca++, Na+ 이온통로와 같은 효과기에 반응을 일으킨다. α 소단위 내에 있는 효소에 의해 α-GTP의 GTP가 GDP로 전환되면 반응은 종료되고, 다시 αβγ 복합체가 복원되어 재순환에 대비하게 된다(그림 13).



현재 최소 20종 이상의 G-단백질들이 확인되어 있고, G-단백질과 연관되어 있는 적어도 100종 이상의 수용체들과 수많은 효과기들이 밝혀져 있다. βγ 복합체는 일부 독립적인 기능은 있으나 주로 구조적 역할을 하며, 대개 α 소단위의 기능적 차이가 G-단백질의 성상을 결정한다. 이 α 소단위는 크게 αs, αi, αq, αo, αt, αz와 같이 수종으로 분류되며, 이에 따라 G-단백질은 Gs, Gi, Gq, Go, Gt, Gz-단백질로 명명된다. 이중 중요한 3개의 G-단백질은 Gs, Gi, Gq-단백질이다. Gs-단백질 stimulatory G-protein은 아데닐레이트 사이클라제를 활성화시켜 cAMP 형성을 촉진하며, Ca++ 이온통로는 열고 Na+ 이온통로는 닫는다.20) Gi-단백질 inhibitory G-protein은 아데닐레이트 사이클라제를 억제하여 cAMP 형성을 저하시키고, K+ 이온통로를 연다. Gq 단백질은 포스포리파아제 C를 활성화시켜 IP3 형성을 증가시킨다. 그 외 Gt 단백질은 cGMP 포스포디에스터라제 phosphodiesterase의 활성를 조절한다. 이외에도 구아닐레이트 사이클라제 guanylate cyclase, 포스포리파아제 A2, K+ 이온통로와 Ca++ 이온통로 등의 많은 효과기들이 G-단백질에 의해 조절된다.

βγ 복합체는 서로 견고히 붙어있기 때문에 변성처리 denaturing를 하지 않는 한 일반상태에서는 서로 분리되지 않으며, 여러 형의 β, γ 소단위가 존재하여 이들이 여러 가지 조합을 이룸으로써 G-단백질은 더욱 다양한 기능을 수행하게 된다.

3) 이차전령
G-단백질에 의해서 활성화된 효과기는 cAMP, cGMP, DG, IP3, Calcium 등과 같은 이차전령 second messenger의 생성을 조절한다.21) 이들 이차전령들은 직접 이온통로의 투과성에 영향을 주기도 하지만 단백질 인산화효소의 활성을 조절하여 다양한 장, 단기 세포반응을 일으킨다.

4) 단백질 인산화효소와 탈인산화효소
단백질 인산화효소 protein kinase들은 여러 기질 단백질들을 인산화 phosphorylation 시켜서 그 생물학적 활성을 억제하거나 촉진시키며, 탈인산화효소 phosphatase들은 이들을 다시 탈인산화 dephosphorylation 시켜 활성을 원상태로 환원시킨다. 전체 게놈 genome의 1-2%가 단백질 인산화효소 혹은 탈인산화효소들이며 그 수는 800 여종에 이른다.

(1) 단백질 인산화효소
G-단백질을 통해 전달된 신호에 의해 작동되는 5개의 주된 인산화효소들은 다음과 같다.

① 단백질 인산화효소 protein kinase A (PKA) : 배위자가 G-단백질 연계 수용체(GPCR)에 결합하면 G-단백질을 통해 아데닐레이트 사이클라제 adenylate cyclase (AC)가 활성화되고, 이 효소는 ATP를 이차전령인 cAMP로 전환시키고, 이때 생성된 cAMP는 PKA를 활성화 시킨다.22) 이 효소는 단백질의 세린 측쇄 side chain 혹은 트레오닌 측쇄를 인산화 시킨다. 이 캐스케이드 cascade를 통해 글리코겐 생성효소 glycogen synthase, 타이로신 수산화효소 tyrosine hydroxylase, cAMP responsive element binding protein (CREB) 등이 활성화 된다.

② 단백질 인산화효소 protein kinase C (PKC) : 배위자가 G-단백질 연계 수용체(GPCR)에 결합하면 G-단백질을 통해 포스포리파아제 C가 활성화되고, 이 효소는 세포막 인지질의 한 부분인 phosphatydil inositol-4,5-biphosphate (PIP2)를 분해하여 2개의 이차전령, 이노시톨 삼인산염 inositol triphosphate (IP3)과 디아실글리세롤 diacylglycerol (DG)을 생산한다. DG는 PKC를 활성화시킨다.

③ 칼모둘린 의존성 단백질 인산화효소 calmodulin-dependent protein kinase (CAM-PK) : 앞의 ②에 기술된 과정에서 생성된 IP3는 세포 내 Ca++ 이온 저장소인 소포체 endoplasmic reticulum (ER)의 세포막에 있는 IP3 수용체와 결합하고, 그 결과 IP3 수용체인 Ca++ 이온통로가 열리면서 세포 내의 Ca++ 이온이 증가한다.23) 이때 4개의 Ca++ 이온이 칼모둘린 calmodulin과 결합하고, 이 Ca++ 이온-칼모둘린 복합체가 칼모둘린 의존성 단백질 인산화효소 calmodulin-dependent protein kinase (CAM-PK)를 활성화 시킨다. 이 캐스케이드를 통해 활성화되는 효소로는 아데닐레이트 사이클라제 cAMP, 포스포디에스터라제 phosphodiesterase, 산화질소 생성효소 nitric oxide (NO) synthase 등이 있다. 또한 세포 내에 증가된 Ca++ 이온은 PKC도 활성화 시킨다. PLC에 의해 분해되는 PIP2의 분해와 재생과정을 phosphatydyl inositol (PI) cycle이라 한다.

④ 단백질 인산화효소 protein kinase G (PKG) : 배위자가 세포막 외부의 수용체에 결합하거나 혹은 세포 내 단백질이 세포막 내의 수용체에 결합하면, 수용체에 변화가 일어나 GTP를 cGMP로 전환시키는 구아닐레이트 사이클라제 guanylate cyclase 기능을 갖게 된다. 이때 cGMP는 PKG를 활성화 시킨다. 세포 외 수용체에 결합하여 PKG를 활성화시키는 물질로는 심방나트륨배설촉진인자 atrial naturetic factor가 있고, 세포 내 수용체에 결합하는 물질로는 산화질소가 있다.

⑤ 타이로신 인산화효소 tyrosine kinase (trk) : 그 자체로 효소기능을 갖고 있는 수용체이다. 신경성장인자와 같은 배위자들이 세포막의 수용체에 결합하면, 이 수용체에 구조적 변화가 일어나서 세포 내 부분이 활성효소인 타이로신 인산화효소가 되고, 이로서 자신을 비롯한 여러 단백질의 타이로신 측쇄를 인산화 시킨다. 이들 수용체들은 대개 한개 이상의 수용체가 결합된 상태라야 효소부분이 활성화된다. 가장 전형적인 것은 배위자가 2개의 수용체와 결합하여 이량 dimer으로 되면서 효소부분이 활성화되는 형태이다.

단백질 인산화효소들은 기질에 따라 세린/트레오닌 인산화효소 serine/threonine kinase와 타이로신 인산화효소 tyrosine kinase로 구분하는데, 위의 ①~④는 세린/트레오닌 인산화효소이며, ⑤는 타이로신 인산화효소 tyrosine kinase이다.24) 진핵세포 eukaryote 가운데 효모 yeast와 같은 단순한 세포에서는 단백질 인산화효소의 대부분이 세포질 내에 있는 세린/트레오닌 인산화효소 cytoplasmic serine/threonine kinase들인데, 인간세포와 같이 복잡한 세포에는 더 많은 타이로신 인산화효소들이 있다.

(2) 단백질 탈인산화효소
탈인산화효소 phosphatase는 인산화효소들과 마찬가지로 기질에 따라 세린/트레오닌 탈인산화효소와 타이로신 탈인산화효소로 분류할 수 있다.

① 세린/트레오닌 탈인산화효소 serine/threonine phosphatase : 단백질 탈인산화효소 protein phosphatase 1 (PP-1)와 단백질 탈인산화효소 protein phosphatase 2 (PP-2)가 있으며, PP-2는 다시 PP-2A, PP-2B, PP-2C로 분류된다. 이 중 PP-2B는 칼시뉴린 calcineurin 혹은 칼슘 /칼모둘린 의존성 탈인산화효소 Ca++/calmodulin dependent phosphatase로도 불리며, PKA와 PKC를 조절한다.25)

② 타이로신 탈인산화효소 tryrosine phosphatase : 단백질 타이로신 탈인산화효소 protein tyrosine phosphatase (PTPase)는 횡막 탈인산화효소 transmenbrane phosphatase와 세포내 탈인산화효소 intracellular phosphatase로 구성된다. 횡막 탈인산화효소는 세포막에 있는 인산화된 인슐린 수용체, EGF 수용체, PDGF 수용체들을 탈인산화시킨다.

5) 세포반응
배위자가 수용체에 결합함으로서 야기되는 가장 빠른 세포반응은 이온통로의 개폐이다. 일반적으로 단기반응은 세포내 물질을 인산화 시킴으로서 일어난다. 세포내의 대사, 신경전달물질의 합성과 분비 조절, 수용체 민감도 조절, 막전위의 변화 등이 단기반응에 속한다. 장기반응은 주로 유전자 발현을 통하여 일어난다. PKA 혹은 PKC는 핵 내로 이동하여 전사조절인자 transcription regulatory factor인 c-fos 등의 immediate early gene의 생성을 유도하고, 이온통로, 수용체, 신경펩타이드 전구단백질, 효소나 이차전령과 같은 물질들의 합성을 조절한다.26) 시냅스의 형성, 학습과 기억 등도 장기반응에 속한다.



1) Ser/Thr 인산화효소계 신경신호전달: 카테콜아민, 세로토닌, 무스카린 아세틸콜린, 대사성 글루타메이트
이들 배위자들은 수용체와 결합한 후 G-단백질들을 매개로 아데닐레이트 사이클라제나 포스포리파아제 C를 활성화시키거나 억제한다. 이 두 효소는 Ser/Thr 측쇄를 인산화 시키는 단백질 인산화효소들 (PKA, CAM-PK, PKC)을 통해 세포반응을 나타낸다(그림 14).



(1) 신경전달물질이 수용체에 결합하면 Gs-단백질을 매개로 아데닐레이트 사이클라제가 활성화되고, 이는 ATP를 cAMP로 전환시킨다. cAMP는 PKA를 활성화시키고, PKA로부터 세포반응이 나타난다. 이에 속하는 것이 도파민 D1, D5 수용체, β1, β2-아드레날린 수용체, 5-HT4, 5-HT6, 5-HT7 수용체들이다.

(2) 신경전달물질이 수용체에 결합하면 Gi-단백질을 매개로 아데닐레이트 사이클라제가 활성이 억제되고 cAMP 생성이 적어지며 PKA 활성이 억제되고 이로 인해 세포반응이 나타난다. 도파민 D2, D3, D4 수용체, α2-아드레날린 수용체, 5-HT1 계열의 수용체, M2, M4 무스카린 아세틸콜린 수용체와 대사성 글루타메이트 수용체 metabotrophic glutamate receptor 2,3,4,6 (mGluR2,3,4,6)들이 이에 속한다.

(3) 신경전달물질이 수용체에 결합하면 Gq 단백질을 매개로 PLC가 활성화되고, PLC에 의해 세포막 인지질인 PIP2가 IP3와 DG로 분해된다. IP3는 소포체의 수용체에 결합하여 이에 저장된 칼슘이온을 세포내로 방출되게 한다. 세포 내에 증가된 칼슘 이온은 칼모둘린 calmodulin과 결합하여 이 복합체는 CAM-PK를 활성화 시키고, CAM-PK의 작용으로부터 세포반응이 나타난다. 이와 함께 DG는 PKC를 활성화시켜 세포반응을 일으킨다. α1B, α1C,α1D-아드레날린 수용체, 5-HT2A, 5-HT2C 수용체, M1, M3, M5 무스카린 아세틸콜린 수용체와 대사성 글루타메이트 수용체 metabotrophic glutamate receptor 1,5 (mGluR1,5)들이 이에 속한다.

2) tyrosine 인산화효소계 신경신호전달: 신경성장인자 계열 물질
배위자가 세포 밖의 수용체와 결합하면 대개 2개의 수용체가 연합 dimerization되며 수용체 구조가 변하면서 세포 내의 타이로신 인산화효소 부위에 있는 타이로신 측쇄들이 자가인산화 autophosphorylation 된다. 인산화 된 타이로신 측쇄는 Grb-Sos 복합체가 붙는 부위가 되며, 이 복합체는 일종의 작은 G-단백질인 Ras에 있는 GDP를 GTP로 치환시킨다. RasGTP는 는 Raf를, Raf는 mitogen-activated protein kinase kinase (MARKK)를, MAPKK는 mitogen-activated protein kinase (MAPK)를 단계적으로 활성화시킨다. 최종적으로 활성화된 MAPK는 핵에서 여러 전사인자 transcription factor들을 인산화 시켜 구조 단백질들의 유전자 발현을 조절한다. RAF, MAPKK, MAPK는 일련의 단백질 인산화효소들이다(그림 15).



β-arrestin

GPCR에 의한 신호전달은 여러 기전에 의해 증가되거나 감소된다. 배위자가 결합하고 있는 GPCR을 GPCR Kinase (GRK)가 인산화 시키면 β-arrestin이 결합하여 GPCR 신호전달을 차단한다. GRK는 지금까지 7종이 알려져 있고, arrestin은 4종이 알려져 있다. Arrestin의 2종은 망막의 광수용체 photoreceptor에 발현하는 visual rod arrestin (arrestin 1)과 cone arrestin (arrestin 4)이다. 나머지 2종은 비시각계 arrestin으로 arrestin 2 (β-arrestin, β-arrestin 1)와 arrestin 3 (β-arrestin 2)가 있으며, 이들이 GPCR의 탈민감화 desensitization에 관계한다. GPCR이 효현제에 의해 활성화되면 G 단백질에서 분리된 βγ 소단위가 GRK와 결합하고, GRK는 세포막에 붙어있는 수용체로 이동하여 수용체를 인산화 시킨다. 인산화 된 수용체에는 β-arrestin이 결합한다. β-arrestin은 수용체와 G 단백질과의 결합을 해체 decoupling 시켜 GPCR을 통한 신호전달을 차단시킨다. β-arrestin이 결합된 수용체는 세포내이입 endocytosis 과정을 통해 세포내로 이동하여 재활용되거나 라이조좀 lysosome에 의해 분해된다. 최근 GRK나 β-arrestin은 GPCR을 매개로 하는 신호를 차단하거나 수용체를 세포내로 이입하기도 하지만, 다른 단백질에 작용하여 새로운 신호전달을 중재한다는 사실이 밝혀지고 있다(그림 16).



전통적으로 도파민은 도파민 수용체를 통해 cAMP-PKA를 활성화시키거나 억제하여 신호전달을 한다. 최근 이런 작용 외에 도파민은 도파민 D2 수용체를 통해 akt (protein kinase B)-GSK-3? (glycogen synthase kinase 3?) 신호전달계를 활성화시킨다는 것이 밝혀졌다. 이 새로운 작용이 나타나는 과정에 ?-arrestin 2가 스위치 역할을 한다 (그림17).27)




wnt 신호전달

Wnt는 wingless와 Int의 합성어이다. wingless 유전자는 drosophila에서 발견된 태생기에 주로 활동하는 유전자이고, Int 유전자는 생쥐 mammary tumor virus에서 발견된 유전자로 둘은 아미노산 서열이 매우 유사하여 계통발생학적으로 같은 유전자로 생각된다. wnt signaling은 태아 발달과 조직분화와 있어 매우 중요한 역할을 하며 암 발생과도 관계가 있다. 이는 신경세포의 이동과 세포 간 결합, 세포 증식과 시냅스 연결을 조절한다.27) 최근 알츠하이머 치매의 한 원인으로 wnt signaling의 문제가 제기된 바도 있다. Wnt family는 20 여종이 알려져 있으며, 이들은 frizzled receptor를 통해 신호를 전달한다. 이 신호는 Dsh. Axin, GBF와 결합하여 비활성상태로 있던 GSK-3β를 복합체로부터 분리하여 활성화시킨다. ?-catenin은 유리형 free form이 신경발달, 분화, 성장에 필요한 유전자 전사요소 transcription factor를 활성화시키는데, 활성화된 GSK-3β는 β-catenin과 결합하여 이를 대사시킨다 (그림 17). 최근 양극성 장애 치료제인 리튬이 wnt signaling의 핵심 단백질인 GSK-3β를 억제함이 알려지면서 wnt signaling이 양극성 장애와의 관련이 있을 것으로 추정하고 있다. 리튬은 GSK-3β의 활성을 억제하여 유리형 ?-catenin의 농도를 높임으로서 신경보호작용을 나타낼 수 있다는 것이 알려졌다. 정신분열병의 부검소견에서도 GSK-3β 단백질 활성도 저하가 보고된 바 있으며, 비전형 항정신병약물도 이에 작용한다는 것이 알려져 있다.