Protein maturation; N-terminal Methionine Excision (NME)

단백질이 만들어지는 translation 과정의 첫번째 아미노산은 Met (methionine)입니다. 보통 Eukayrotes의 경우는 methionine이고 prokaryotes의 경우는 N-formyl-Met (fMet)이죠. 하지만 실제 단백질이 다 만들어진 다음에 보면 첫번째 아미노산이 Met이 아닌 경우가 많습니다. 대장균의 경우는 약 50%이상의 단백질에서 첫번째 아미노산이 Met이 아닌 다른 아미노산이 발견된다고 합니다. 이렇게 N-terminal Met이 잘라져 나가는 현상을 N-terminal Methionine Excision (NME)하고 하는데 거의 모든 생물종에서 나타나는 현상입니다.

이와 같이 translation 후 단백질이 functional form으로 변하는 과정을 protein maturation이라고 하는데 그 중에서 단백질의 N-말단에서 벌어지는 일들은 보통 다음과 같은 과정을 포함합니다. 

1. Deformylation by Peptide Deformylase (PDF) in Bacteria only
2. N-terminal Methionine Excision (NME) by Methionine aminopeptidase (MAP) in all organisms
3. N-terminal Acetylation by N-terminal acetyltransferase (NAT) mainly in Archaea and Eukarya.

아래 그림은 최근 발표된 Archaea의 N-terminal Acetylation에 관한 논문 (J Mol Biol. 2006 Oct 6;362(5):915-924)의 그림입니다. 아래에서보시는 바와 같은 과정이 N-말단에서 일어나는 protein의 maturation 과정입니다.

Figure 1. (a) Major N-terminal protein processing steps in the three domains of life (black, archaea; dark grey, eukaryota; light grey, bacteria). The ATG (or another) start codon is translated directly to methionine (archaea, eukaryota) or to formyl-methionine (f-Met) with subsequent deformylation (bacteria). The initial methionine may remain unprocessed (N1, yellow) or may be cleaved (N2, green). Subsequent N-terminal acetylation may affect the initial methionine (Ac1, light blue) or the newly uncovered N-terminal residue (here represented as serine) (Ac2, dark blue). The relative proportion of the modifications in the three domains of life is indicated by the thickness of the arrow (thick, common; thin, less common; dotted, exceptional). (b) Start codon usage, (c) the extent of initial methionine cleavage, and (d) the extent of N-terminal acetylation in H. salinarum (cake diagrams and values) and N. pharaonis (values in parenthesis). In (c), N1 (which includes Ac1) is indicated in yellow and N2 (which includes Ac2) is coloured in green. Partial cleavage is indicated in light green. In (d), N1 is indicated in yellow, N2 in green, Ac1 in light blue and Ac2 in dark blue as in (a). The statistics presented have been compiled from protein set 3 ((a) and (b)) and the reduced protein set 3.2 (c) (see Methods). Further details are given in Supplementary Data, Table 5.

이 중에서 MAP의 경우는 Met 다음의 아미노산이 어떤 것이 오는가에 따라 활성에 제약을 받습니다. 일반적으로 반경이 1.29 A(옹스트롬)보다 작으면 박테리아, 아키아, 유캐리아 MAP이 인식 가능하고 메치오닌을 제거합니다. 아래는 대장균 MAP의 아미노산에 따른 기질특이성입니다.  

일반적으로 Eukaria에서 나타나는 N-terminal myristoylation의 경우는 N-말단의 Gly잔기에 일어나는데 이 경우에는 보통 Met 다음 잔기가  Gly이고 MAP에 의해 Met이 제거된 다음에 myristoylation이 일어납니다. MAP과 myristoylation모두 co-translational modification이라고 볼 수 있습니다.

관련링크

1. 대장균에서의 NME 현상; J Mol Biol. 1963 Nov;62:483-96
2. 효모에서의 MAP 활성; J Biol Chem. 1985 May 10;260(9):5382-91
3. 대장균에서의 MAP 활성; J Bacteriol. 1987 Feb;169(2):751-7
4. Archaea에서 N-terminal acetylation; J Mol Biol. 2006 Oct 6;362(5):915-924
5. NME review; Cell Mol Life Sci. 2004 Jun;61(12):1455-74
6. MAP review; FEMS Microbiol Rev. 1996 Jul;18(4):319-44