미토콘드리아가 칼슘 이온을 흡수하고 저장할 수 있다는 사실은 약 60년전부터 알려진 사실이다 [1,2]. 1960년대부터 이루어진 연구들은 미토콘드리아가 세포내의 칼슘 이온 농도를 조절하는 주요 세포 소기관중 하나로, 칼슘 이온의 항상성 유지에 중요한 역할을 담당하고 있으며, 이러한 미토콘드리아의 칼슘 이온 농도 조절에 결함이 생길 경우 질병으로도 이어질 수 있다는 사실들을 보여주었다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 미토콘드리아에서 칼슘 이온의 이동에 관련된 단백질을 규명하려는 연구가 진행되었으며, 미토콘드리아의 칼슘 이온의 이동을 선택적으로 억제하는 억제제도 개발되었다. 그럼에도 불구하고 미토콘드리아에서 칼슘 흡수 및 이동의 역할을 담당하는 단백질이 무엇인지는 오랫동안 알려지지 않았다. 2009년에 미토콘드리아의 Calcium/proton exchanger 단백질 (LetM1)이 처음으로 규명되었고 [3] 이 후에 Sodium/Calcium exchanger 단백질 (NCLX)이 발견되어 미토콘드리아의 칼슘 이온 배출에 대해 더욱 자세히 알 수 있었다 [4]. 그리고 MICU1 단백질도 발견되어, 미토콘드리아가 주변의 칼슘 이온 농도에 따라 칼슘을 흡수할 수 있다는 사실도 규명되었다 [5]. 2011년에는 미토콘드리아의 칼슘 흡수를 담당하는 이온 통로인 mitochondrial calcium uniporter (MCU)가 발견되었으며 이 이온 통로가 Ruthenium Red에 의해 칼슘 흡수가 선택적으로 저해되는 사실 또한 밝혀졌다 [6,7]. 2011년 이후에는 MCUb, MICU2, MCUR1, EMRE등의 단백질이 추가적으로 발견되어 미토콘드리아의 칼슘 흡수가 단일 단백질에 의해 진행되는 것이 아니라 거대한 복합체 (MCU holo-complex)를 통해 칼슘 이온을 흡수하는 개념으로 정리 되었다 [8-12]. 이 글에서는 미토콘드리아의 칼슘 이온 흡수에 중요한 역할을 담당하는 MCU holo-complex를 구성하는 주요 단백질들의 구조를 통해 어떻게 이 단백질들이 미토콘드리아에서 칼슘을 흡수하는데 작용하는지에 대해 소개하고자 한다.
미토콘드리아에서 칼슘 이온 흡수의 주요 통로인 MCU holo-complex는 여러 단백질로 구성되어 있다. 이 중, MCU는 MCU holo-complex에서 칼슘 이온이 이동하는 pore를 구성하는 단백질이다. 약 40KDa의 크기를 가지고 있으며 미토콘드리아의 내막 (IMM, inner mitochondrial membrane)에 위치하고 있다. 그림 1과 같이, 최근 규명된 MCU의 구조는 MCU가 N말단에 하나의 N-terminal domain (NTD)을 가지고 있으며 미토콘드리아의 내막에 두 개의 transmembrane domain (TMD)을 가지고 있음을 보여준다 [13-16]. 그리고 MCU는 NTD와 TMD 사이, 그리고 C말단에 colied-colied domain (CCD)를 각각 하나씩, 총 두 개를 가지고 있다. 칼슘 이온의 흡수에 가장 중요한 아미노산들은 두 개의 TMD 사이에 존재하는 loop에 존재한다. 인간의 MCU의 경우, 이 loop에 'DIME' motif가 있으며 이 motif의 'Asp'와 'Glu'는 다른 종의 MCU에서도 매우 높은 보존도를 보인다 [6,7]. 다른 종 역시 이 motif를 가지고 있으며 'Asp'와 'Glu'를 제외한 가운데 두 아미노산은 종에 따라 매우 다르다 (DxxE motif, x는 임의의 아미노산). 이 loop은 미토콘드리아의 외막과 내막 사이의 공간 (mitochondrial interspace)에 노출되어있어 이 공간에 존재하는 칼슘이온과 선택적으로 결합하여 칼슘이온을 미토콘드리아의 매트릭스 (mitochondrial matrix)로 이동시킬수 있다.
MCU는 두 개의 TMD만을 가지고 있기때문에 이들만으로 칼슘 이온 흡수를 위한 pore를 구성하는 것이 불가능하다. 그러므로 MCU는 oligomer를 형성하여 칼슘이온을 흡수할 수 있는 pore를 구성할 것으로 오랫동안 예상하였으며, 특히 'DxxE' motif의 아미노산들이 칼슘 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 'selective filter'를 구성할 것으로 예측하였다. 이러한 예상은 MCU의 Cryo-EM구조를 통해 확인되었는데, 규명된 구조를 통해 oligomer를 이룬 MCU에서 'DxxE' motif가 어떻게 칼슘 이온을 선택적으로 통과시키는지에 대해 알 수 있었다 [13-16]. MCU는 tetramer를 형성하고 있으며 TMD와 NTD가 모두 tetramer를 이루는데 필요한 결합을 형성하고 있다. 이러한 결합을 통해 만들어진 tetramer에서 'DxxE' motif의 Asp와 Glu가 4-fold symmetry에 따라 위치하게 되는데, 이 아미노산의 배열을 통해 만들어진 구조가 칼슘 이온만을 선택적으로 결합할 수 있는 형태를 띤다 [그림 2]. Asp의 경우, 각 Asp사이의 거리가 길기 때문에 수화된 형태의 칼슘 이온등과 결합할 수 있을 것으로 예측된다. Glu의경우는 이와 반대로 각 Glu의 거리가 5~6Å정도로, 칼슘 이온이 여기에 위치할 경우, 2.5~2.8Å의 결합 거리를 Glu와 유지할 수 있다. 그러므로 4-fold symmetry에 따라 배열된 Glu를 통해 탈수화된 칼슘 이온만이 선택적으로 미토콘드리아 매트릭스쪽으로 이동할 수 있다.
EMRE는 10KDa의 크기를 가진 작은 단백질로 하나의 transmembrane segment 만으로 이루어져 있어 매우 단순한 구조를 가지고 있다. EMRE는 현재까지 metazoan에서만 존재하는 것으로 알려져 있으며 이외의 다른 eukaryote에서는 (예: 곰팡이, 식물등…) 발견되지 않고 있다 [11]. EMRE의 유전자를 knock-out시키게 되면 MCU를 통한 칼슘 이온의 이동이 억제되며, EMRE를 과발현 시켰을 경우, 과도한 양의 칼슘 이온이 미토콘드리아 내부로 들어가게 되어 세포사멸을 유발한다 [11]. 그러나 EMRE가 어떻게 MCU와 결합하여 미토콘드리아의 칼슘 흡수를 촉진하는지는 알려지지 않았으나 최근에 MCU-EMRE의 결합 구조가 규명되어 EMRE의 분자적 메커니즘에 대해 알 수 있었다 [17].
그림 3과 같이 EMRE는 한 개의 transmembrane helix (TM0)와 N말단에 β-hairpin를 가진 매우 간단한 구조로 이루어져 있으며, MCU-EMRE 의 결합 구조에서는 MCU의 tetramer에 4개의 EMRE가 결합하고 있으며 MCU:EMRE 가 1:1의 비율로 결합하는 것을 구조를 통해 알 수 있다. EMRE가 MCU에 결합함으로서 나타나는 구조적 특징은 크게 두가지이다 [17]. 첫번째는 NTD의 배열이다, TMD와 마찬가지로 NTD또한 tetramer의 형태를 나타내는데 이 경우, NTD 각각의 결합 형태가 side by side 형태로 나열된다. 이러한 독특한 NTD의 배열은 NTD to NTD 결합을 통한 MCU holo-complex의 dimerization 일으키는데 이 MCU holo-complex의 dimerization 현상은 인간 MCU 구조에서만 나타나는 현상이며 곰팡이등 인간 외의 다른 종의 MCU에서는 발견되지 않는다. 두번째는 JML의 구조 변화인데 EMRE이 MCU에 결합하기 전에는 JML의 구조가 칼슘 이온의 이동 통로를 막는 형태를 이룬다 [그림 3.]. 그러나 EMRE가 결합하게 되면 MCU의 CCD의 위치가 EMRE 결합 전에 비해 바깥으로 이동하게 되어 CCD로 둘러싸인 공간이 넓어지게 된다. 그리고 이러한 CCD의 위치 변화에 의해 JML의 위치 또한 영향을 받아 CCD가 벌어진만큼 JML사이의 간격도 넓어지게 되는데 이러한 변화에 의해 JML에 의해 막혀 있던 칼슘 이온의 이동 통로가 열리게 된다. 그러므로 비록 EMRE가 결합하지 않아도 칼슘 이온은 selective filter를 통해 들어갈 수 있으나 JML에 의해 미토콘드리아 안쪽으로는 완전히 이동할 수 없다. 하지만 EMRE의 결합을 통해 칼슘 이동 통로를 막고 있던 JML이 움직여 칼슘 이온이 미토콘드리아 안쪽으로 이동할 수 있도록 해준다. 이러한 구조 변화를 EMRE가 일으킴으로서 인간등 metazoan 계열 생물에서는 미토콘드리아내의 칼슘 이온 농도를 더욱 세밀하게 조절할 수 있다.
MCU를 통한 미토콘드리아의 칼슘 흡수는 세포질의 칼슘 농도에 매우 민감하다. 즉, 외부의 칼슘 농도가 높을때 미토콘드리아는 MCU를 통해 더욱 적극적으로 칼슘을 흡수한다. 이러한 현상이 의미 하는 것은 MCU는 미토콘드리아 외부의 칼슘 농도를 측정할 수 있는 '무엇이' 있으며 이것은 미토콘드리아의 IMM에 위치하여 미토콘드리아 외부의 칼슘 농도에 의해 MCU의 '활성'을 조절할 수 있다는 것을 의미한다 [17-20]. MCU 자체는 Ca2+-binding domain이 없기 때문에 MCU가 스스로 외부의 칼슘 농도에 의해 활성을 조절 할 수는 없다 [6,7]. 그러므로 MCU holo-complex를 구성하는 단백질 중 미토콘드리아 외부의 칼슘 농도를 측정할 수 있는 단백질을 찾게 되었는데 이 결과 MICU1 (mitochondrial calcium uptake 1)이라는 단백질이 발견되었다 [5]. 이 단백질은 54KDa의 크기를 가지고 있으며, 칼슘 이온과 결합할 수 있는 EF-handed domain을 가지고 있다. 그리고 MCU 및 EMRE와는 다르게 transmembrane domain이 없이 IMM에 노출되어 있다. MICU1은 MCU의 'gatekeeper'역할을 하는 것으로 알려졌는데 휴지기 (미토콘드리아 외부의 칼슘 농도가 낮을때)에는 MCU의 활성을 억제하여 미토콘드리아 내부의 칼슘 농도가 필요 이상으로 높아지는 것을 방지하고 반대로 세포질의 칼슘 이온 농도가 필요 이하도 떨어지는 것을 억제하여 세포질과 미토콘드리아의 칼슘 이온 농도가 일정하게 유지되도록 한다. MICU1 유전자를 knock-out 시킨 세포는 미토콘드리아 내의 칼슘 이온 농도가 필요 이상으로 높다는 사실이 이를 뒷받침 한다 [21].
MICU1과 더불어 MICU1의 homolog로 MICU2도 발견되었다 [9,22]. 이 둘간의 아미노산 서열을 ~40%정도의 동질성을 나타내며 MCU holo-complex에서 이 둘은 heterodimer를 이루는 것으로 밝혀졌다. MICU2도 MICU1과 마찬가지로 EF-handed domain을 가지고 있어 칼슘 이온과의 직접적인 결합이 가능하기 때문에 MICU1/2 heterodimer는 MCU holo-complex에서 '칼슘 이온 센서'로 작용하여 외부의 칼슘농도에 반응하여 MCU의 활성을 조절할 수 있다. 이러한 MCU holo-complex의 활성 조절 메커니즘은 최근 규명된 MCU holo-complex의 Cryo-EM 구조를 통해 더욱 명확해졌다 [23-26]. 그림 4와 같이 MCU holo-comlex에서 MICU1은 MICU2와 heterodimer를 이루고 있으며, 또한 MCU holo-complex의 MICU2와 MICU2의 결합 및 MCU의 NTD 사이의 결합을 통해 MCU holo-complex가 dimer를 이루는 사실이 처음 밝혀졌다. MCU는 EMRE를 통해 MICU1와 결합을 하고 있으나 MCU와 MICU2 사이의 직접적인 결합은 없어 EMRE가 MCU와 MICU1 사이의 연결 고리 역할을 수행하고 있음을 알 수 있다. 외부의 칼슘 농도가 낮을때는, MICU1이 MCU의 pore부분의 입구에 있는 Asp (DxxE motif의 'D')를 통해 MCU와 결합하여 MCU의 입구 부분을 마치 뚜껑을 덮는 것처럼 물리적으로 MCU의 pore부분이 외부로 노출 되는 것을 막을 수 있다. 그러므로 외부의 칼슘 농도가 낮을 경우에는 칼슘 이온이 MCU를 통해서 미토콘드리아 내부로 이동할 수 없다. 외부에 칼슘이 고농도로 존재하는 경우의 구조를 보면 MICU1이 MCU의 pore부분에서 떨어져 있어 MCU의 pore부분이 외부로 완벽히 노출된 모습을 나타낸다. 이는 MICU1과 MICU2에 칼슘이 결합하여 구조 변화를 유발하고 이 때문에 MICU1이 MCU의 Asp를 통해 MCU와 결합을 하지 못해 마치 뚜껑이 열린것과 같은 모습을 나타내기 때문이다. 이 결과 MCU의 pore가 외부로 완벽이 노출되게 되어 외부의 칼슘 이온이 자유롭게 MCU를 통해 미토콘드리아 내부로 이동할 수 있다.
미토콘드리아의 칼슘 흡수를 담당하는 MCU및 MCU holo-complex를 구성하는 여러 단백질들의 발견은 세포내 칼슘 이온 조절에서 미토콘드리아라는 세포 소기관이 얼마나 중요한 기능을 하고 있는지를 알려주었다. 특히 최근 단백질 결정학 및 Cryo-EM을 이용한 MCU holo-complex 단백질의 구조 규명은 각각의 구성 단백질의 기능 뿐만 아니라 MCU holo-complex 전체가 어떻게 외부의 칼슘 이온 농도에 반응하여 칼슘 흡수를 조절하는지에 대한 분자 수준에서의 메커니즘을 제시해 주었다. 이러한 연구 결과를 기반으로 앞으로 세포 및 조직에 특이적인 미토콘드리아의 칼슘 흡수 조절 메커니즘과 여기에서 MCU holo-complex가 어떻게 기여 할 것인지에 대한 구체적인 메커니즘, MCU holo-complex와 특정 질병과의 연관성등의 연구가 추후 진행될 것으로 기대한다. 이러한 연구들을 통해 세포 및 인체에서의 칼슘 이온 대사에 더욱 깊이 있는 이해를 가능하게 할 것이며 향후 칼슘 대사의 이상에 따른 질병 및 이에 대한 치료제 연구에도 많은 기여를 할 것 이다.
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