락토페린(영어: lactoferrin, LF) 또는 락토트랜스페린(영어: lactotransferrin, LTF)
트랜스페린 패밀리에 속하는 단백질로 다양한 기능을 수행한다. 락토페린은 구상의 당단백질로 분자량은 대략 80kDa이다. 젖, 타액, 눈물, 코 분비물 등의 다양한 분비액에 광범위하게 존재하며 호중구의 특이과립에도 들어 있다. 일부 샘꽈리세포에 의해서도 분비된다. 락토페린을 얻는 방법으로는 젖에서 정제를 거치거나 재조합을 이용하는 방법이 있다. 젖 중에는 사람의 초유(분만 후 얼마 되지 않은 시기의 모유)에서 농도가 가장 높으며(7g/L), 그 뒤를 사람의 모유(성숙유, 1g/L)와 우유(150mg/L)가 따른다.
락토페린은 면역계의 일부로서 항미생물 활성을 가지며 주로 점액에서 선천면역계의 구성원으로서의 역할을 수행한다. 특히 신생아가 살균 능력을 갖출 수 있도록 한다. 락토페린은 DNA, RNA, 다당류, 헤파린 등의 물질과 상호작용하며 이러한 리간드들과 복합체를 이뤄 생물학적 기능을 수행하기도 한다. 락토페린 보충을 통해 호흡기 감염의 위험을 줄일 수 있다는 사실이 무작위 대조 시험들의 메타 분석을 통해 알려져 있다. 그러나 영양 보충제에 쓰이는 락토페린의 생산은 의약품과 같은 엄격한 규제 절차의 대상이 아니기 때문에 온라인상에서 판매되는 락토페린 보충제의 품질은 문제가 될 여지가 있다.
락토페린 유전자
11종의 포유류에서 최소 60개의 락토페린 유전자 서열이 알려져 있다. 대부분의 종에서 종결 코돈은 UAA이며 생쥐(Mus musculus)에서는 UGA이다. 종결 코돈 삭제, 삽입, 돌연변이는 암호화 부분에 영향을 미치며 암호화 부분의 길이는 2,055 ~ 2,190 뉴클레오타이드 쌍 사이에서 달라진다. 종 간의 유전자 다형성은 종 내의 락토페린 다형성보다 훨씬 더 다양하며, 멧돼지의 유전자 다형성이 가장 큰 것으로 나타났다. 아미노산 서열에도 차이가 있는데, 아미노산 변이 부위의 개수가 사람에서는 8개, 생쥐에서는 6개, 염소(Capra hircus)에서는 6개, 소(Bos taurus)에서는 10개, 멧돼지(Sus scrofa)에서는 20개로 드러났다. 이런 변이는 서로 다른 종류의 락토페린 간의 기능적 차이를 나타내는 것일 수 있다.
사람의 락토페린 유전자 LTF는 3번 염색체의 3q21-q23 유전자자리에 위치하고 있다. 황소의 경우 암호화 서열은 17개의 엑손으로 구성되어 있으며 길이는 대략 뉴클레오타이드 34,500쌍이다. 황소의 락토페린 유전자를 구성하는 엑손은 트랜스페린 패밀리에 속하는 다른 유전자들의 엑손과 그 크기가 비슷하지만, 인트론의 크기는 다르다. 엑손 크기와 각각의 엑손이 단백질 분자의 도메인에 분포하는 양상이 비슷하다는 사실은 락토페린 유전자의 진화적 발달이 복제를 통해 일어났다는 것을 시사한다. 락토페린 암호화 유전자의 다형성에 대한 연구는 유선염에 저항성을 가지는 가축 품종을 선별하는 데에 도움이 된다.
분자 구조
락토페린은 철을 세포 내로 이동시키며 혈중 철 농도와 바깥으로의 분비량을 조절하는 트랜스페린 단백질의 일종이다. 사람과 다른 포유류의 젖, 혈장, 호중구에 들어 있으며 포유류의 거의 모든 외분비액(타액, 쓸개즙, 눈물, 이자액 등)에 포함되어 있는 주요 단백질이다.
사람의 젖에 들어 있는 락토페린의 농도는 초유에서는 7g/L, 성숙유에서는 1g/L까지 다르게 나타난다.
X선 회절을 통해 락토페린이 700개 정도의 아미노산을 포함하는 하나의 폴리펩타이드 사슬에 기본을 두고, 상동인 두 개의 구상 도메인인 N-로브(lobe), C-로브를 형성하고 있다는 것을 알 수 있다. N-로브는 아미노산 잔기 1-333에, C-로브는 345-692에 대응하며 두 도메인은 짧은 알파 나선으로 연결되어 있다.[19][20] 두 로브는 60 °C와 90 °C의 서로 다른 온도에서 두 차례 변성된다.[21] N-로브와 C-로브의 상동성은 33-41%로 서로 높은 수준의 상동성을 가지고 있다.[22] 각각의 로브는 두 개의 서브도메인(N1, N2와 S1, S2)으로 구성되어 있으며, 서브도메인 하나당 하나의 철 결합 부위와 하나의 글리코실화 부위를 가지고 있다. 단백질의 글리코실화 정도는 달라질 수 있으며, 따라서 락토페린의 분자량도 76 ~ 80kDa 사이에서 달라진다. 락토페린의 안정성은 글리코실화 정도가 높아질수록 커진다.
사람 아포락토페린
락토페린의 등전점은 8.7로 염기성 단백질에 속한다. 철이 풍부한 홀로락토페린과 철을 포함하지 않고 있는 아포락토페린의 두 가지 형태로 존재한다. 두 형태의 삼차 구조가 다른데, 아포락토페린은 N-로브의 열린 형태와 C-로브의 닫힌 형태가 특징적이다. 반면 홀로락토페린은 두 로브가 모두 닫힌 형태이다.
각 락토페린 분자는 철, 아연, 구리, 기타 다른 금속 이온 두 개와 가역적으로 결합할 수 있다.[25] 결합할 수 있는 다른 금속 이온에는 Al3+, Ga3+, Mn3+, Co3+ 등이 있으나 이들에 대한 친화성은 철에 비해 훨씬 낮다.[26] 철 이온이 결합하는 데에는 두 개의 타이로신 잔기, 한 개의 히스티딘 잔기, 한 개의 아스파르트산 잔기가 필요하며 중탄산염 이온의 결합에는 아르지닌 잔기가 필요하다.
락토페린은 철과 결합하여 불그스름한 복합체를 형성한다. 철에 대한 락토페린의 친화성은 트랜스페린보다 300배 더 크다. 약산성 용액에서는 친화성이 증가한다. 따라서 염증이 생기면 젖산과 다른 산들이 축적되어 조직의 pH가 감소하면서 트랜스페린에서 락토페린으로 철 이온의 이동을 촉진한다. 낮은 pH에서 철에 대한 친화성이 유지되는 이러한 락토페린의 특성은 세균의 대사 활동으로 인해 pH가 4.5 밑으로 떨어진 산성 환경에서도 락토페린이 세균 증식을 억제하는 데에 중요하게 작용한다. 모유의 락토페린에서 포화 철 농도는 10-30%로 추정된다. (100%는 모든 락토페린 분자가 2개의 철 원자와 결합한 상태를 뜻한다.) 락토페린은 철, 아연, 구리의 이동뿐만 아니라 이들의 섭취를 조절하는 데에도 관여한다. 아연과 구리 이온이 적게 존재할 때는 락토페린의 철 결합 능력에 영향을 미치지 않으며 오히려 능력을 높여 주기도 한다.
중합체 형태
혈장과 분비액에서의 락토페린은 단량체에서 사량체까지 다양한 형태의 중합체로 존재한다. 생체내(in vivo)와 생체외(in vitro)에서 모두 중합되는 경향이 있으며 특히 높은 농도에서 더 그런 경향이 크다. 몇몇 연구에서는 생리학적 조건에서 락토페린의 주된 형태는 사량체 형태로, 단백질 농도가 10-5 M일 때 단량체:사량체 비가 1:4 정도로 나타난다는 것을 알아냈다.
락토페린의 올리고머 상태는 그 농도에 의해 결정된다는 주장이 있다. 또한 락토페린의 중합은 Ca2+ 이온의 존재에 크게 영향을 받는다. 특히 Ca2+가 존재할 때 락토페린 농도가 10−10 ~ 10−11M일 때는 단량체가 주된 형태가 된다. 반면 락토페린의 농도가 10−9 ~ 10−10M을 넘어가면 단량체가 사량체로 바뀌게 된다.[31][34] 혈액 내 락토페린의 역가는 이 과도기(단량체에서 사량체로 변할 때)의 농도에 대응하며, 따라서 혈액 내의 락토페린은 단량체와 사량체 양쪽 모두의 형태로 나타나게 된다.
사람 락토페리신
락토페린 펩타이드(lactoferrin peptide)는 락토페린이 포함하고 있는 여러 항미생물 펩타이드로, 단백질분해효소에 의해 가수분해되어 형성되며, 위장관계나 미생물 감염 부위에서 주로 나타난다. 따라서 락토페린을 경구 투여했을 때 장 내강에서 락토페린 펩타이드가 만들어진다.[36] 락토페린 펩타이드는 락토페린의 N-로브에서 기원한다. 항미생물 활성을 가지는 펩타이드는 양이온성과 소수성이 공통적으로 드러난다.[37] 가장 많이 연구된 락토페린 펩타이드는 락토페린1-11 (Lf1-11), 락토페리신(Lfcin), 락토페람핀(Lfampin)이다. 이들은 모두 항균, 항바이러스, 항진균, 항기생충, 항암 활성을 다양하게 나타낸다.
Lf1-11은 락토페린 N-1의 아미노산 잔기 중 첫 11개의 잔기들로 구성된 올리고펩타이드이다. 친수성과 소수성 부분을 모두 가지고 있어 양전하를 띄고 있고, 여러 세균의 세포막에 작용하는 것으로 알려져 있다. 모든 종들에서 등전점이 11을 넘어 양이온성이 매우 높으며 소수성 잔기인 발린이나 트립토판 등이 보존되어 있다. 사람 Lf1-11(hLF1-11)은 단핵구를 표적으로 다양한 면역조절 효과를 일으키는데, 골수세포형과산화효소(MPO)의 효소 활성을 억제한 뒤 단핵구로 뚫고 들어가는 것이 알려져 있다. MPO 억제제인 4-아미노벤조산 하이드라지드는 hLf1-11이 단핵구의 염증 반응과 단핵구-대식세포 분화 과정에 미치는 영향을 모방하여 비슷하게 작용한다.
락토페리신은 양전하를 띄며 양친매성을 가지는 펩타이드로 항미생물, 항암 작용을 한다. 락토페린이 펩신에 의해 소화되면 17-41번 아미노산 잔기로 이루어진 락토페리신이 형성된다. 양친매성을 띄는 것은 염기성 아미노산인 라이신과 아르지닌, 소수성 잔기인 트립토판과 페닐알라닌이 모두 풍부하기 때문이다. 모든 종의 락토페리신은 분자 내에 이황화 결합 다리를 포함하고 있다. 사람 락토페리신은 두 번째 이황화 결합으로 인해 소 락토페리신보다 그 길이가 두 배 정도 길다.
락토페람핀은 락토페린 L1 서브도메인에 위치한 268-284번 아미노산 잔기로 구성되며 입체 구조상에서 락토페리신과 가까이 위치하고 있다. 양이온성, 양친매성을 띈다는 점은 락토페리신과 동일하지만 사슬의 길이와 아미노산의 배열이 다르기 때문에 그 구조도 크게 다르다.