Crystal Structure of VCA0593 from Vibrio cholerae, a putative guanylate dinucleotide ribonuclease

Abstract

비브리오 콜레라균은 해양환경에 서식하는 식중독 균으로 매년 전 세계적으로 약 280만명이 감염되고 91000명 정도가 목숨을 잃는다. 비브리오 콜레라균은 숙주 내로 침입하면 콜레라 독소를 이용해 심각한 설사를 유발하는 질병인 콜레라를 일으킨다. 비브리오 콜레라균은 세포 내의 c-di-GMP 농도를 통해 주변환경의 변화를 인식하고 적응하며, 세포 내의 c-di-GMP 농도는 합성과 분해에 의해 조절된다. 박테리아에서 C-di-GMP는 EAL 도메인에 의해 pGpG 또는 2개의 GMP로 분해되고, pGpG는 다시 올리고라이보뉴클레이즈 혹은 나노알엔에이즈에 의해 2개의 GMP로 분해된다. 녹농균에서 올리고라이보뉴클레이즈를 넉아웃하면 pGpG가 축적되고 c-di-GMP의 분해를 경쟁적으로 저해해 최종적으로 녹농균의 독성이 억제 된다는 것이 확인된 바 있다. 비브리오 콜레라균의 VCA0593은 나노알엔에이즈에 속하는 효소로 pGpG만을 특이적으로 분해한다고 알려졌다. 이전까지 연구된 나노알엔에이즈는 c-di-AMP, c-di-GMP, pGpG, pApA 등 상대적으로 넓은 기질특이성을 가지는 것으로 알려져 있었다. VCA0593이 분자적 수준에서 pGpG만을 분해하는 기질특이성을 가지는 이유와 역할에 대해서는 밝혀지지 않았다. VCA0593의 활성을 분자적 수준에서 연구하기 위해 X선 결정학을 이용해 구조를 1.9 Å 해상도로 규명했다. 다른 연구집단에서 282번 히스티딘 잔기를 알라닌으로 치환한 VCA0593이 활성을 잃는다는 것을 확인해 그 원인을 분자적 수준에서 확인하고자 구조를 1.5 Å 해상도로 규명했고, 282번 히스티딘이 기질과의 결합에 중요한 역할을 할 것이라고 결론 내릴 수 있었다. VCA0593이 pGpG만을 분해하는 기질특이성을 가지는 이유를 분석하고자 구조가 규명된 다른 나노알엔에이즈 및 DHH-DHHA1 도메인을 가지는 디엔에이즈와 구조를 비교해보았다. 그 결과, VCA0593의 독특한 다이머 구조와 경직된 구조가 단백질의 움직임을 제한해 특이성에 영향을 줄 것으로 예측되었다. 본 연구를 통해 비브리오 콜레라균의 c-di-GMP 조절에 중요한 역할을 할 것으로 예상되는 VCA0593의 구조적 특성을 확인했다. C-di-GMP의 분해를 방해하면 비브리오 콜레라균의 독성을 제어할 수 있기 때문에, 구조를 기반으로 VCA0593의 저해제를 개발한다면 비브리오 콜레라에 의한 식중독을 제어하는데 기여할 수 있을 것이다.