이번 포스트부터는 vesicular transport, 즉 골지체를 통해 세포 외부, 혹은 라이소좀 등의 특정 기관으로 단백질들이 수송되는 과정에 대해 살펴볼게요. 이 과정을 vesicular transport라고 부르는 이유는 일반적으로 이 과정에서 vesicle, 즉 소낭을 통한 수송이 이루어지기 때문이에요.
vesicular transport에는 크게 3가지 종류가 있는데,
1. biosynthetic-secretory pathway (붉은색) - 세포 밖으로 분비되는 단백질들이 경유하는 경로
2. endocytic pathway (녹색) - 세포 외부에서 내부로 들어오는 단백질들이 경유하는 경로
3. retrieval pathway (푸른색) - 1번 경로(붉은색)와 반대 방향으로 수송되는 단백질들이 경유하는 경로
로 나눌 수 있어요.
이런 수송 과정에서 가장 중요한 것중 하나는, 위 그림에 나타나 있는 동그란 구조인 vesicle, 즉 소낭이에요.
vesicle은 세포소기관과 구조적으로 굉장히 비슷하지만 크기가 훨씬 작아요. 특별히 이들은 특정 공여막(donor compartment, 즉 출발지)로부터 튀어나와서 vesicle이 되고, vesicle이 표적막(target compartment, 즉 목적지)로 가면 합쳐져서 표적막의 일부가 돼요.
이 때, 공여막으로부터 볼록하게 튀어나와 결과적으로 vesicle이 형성되는 과정을 budding(버딩)이라고 불러요.
budding은 매우 정교한 생물학적 반응이기 때문에, 당연히 이 과정에도 수많은 단백질들이 작용하며, 앞서 언급한 3종류의 vesicular transport 방식에 따라 위와 같이 다양한 종류의 단백질들이 관여해요.
위 그림상에도 나타나 있는 것처럼 clathrin(클라트린)은 주로 endocytic pathway에서 이용되는 coat protein이고, COP I은 주로 retrieval pathway에서 이용되는 coat protein, COP II는 주로 biosynthetic-secretory pathway에서 이용되는 coat protein이에요. 이들 단백질들은 'coat' 단백질이기에 실제로 vesicle을 물리적으로 둘러싸는 형태로 존재해요.
우선 endocytic pathway에서 생성되는 Clathrin-coated vesicle에 대해서부터 자세히 살펴볼게요. endocytic pathway의 경우 앞서 언급했던 것처럼 세포막에서 출발해서 골지체 혹은 엔도솜(endosome)으로 이동하는 방향의 경로에요.
Clathrin은 위 그림 (A), (B)와 같이 구부러진 갈퀴, 혹은 삼지창처럼 생겼어요. 이 녀석은 heavy chain(중쇄) 3개와 light chain(경쇄) 3개가 서로 얽혀있는데, 이들 Clathrin들 끼리도 (C), (D)와 같이 서로서로 얽혀서 결과적으로 vesicle을 둘러싸는 형태의 coat(코트)가 형성되는거죠. 이 때 Clathrin의 모양 자체가 입체적으로 구부러진 손과도 같아서 이 녀석들이 세포막의 특정 부분에 붙게 되면 자연스럽게 막이 구부러지고, 결과적으로 budding이 일어날 수 있는거죠.
한편, Clathrin과 여러 단백질들에 의해서 세포막이 볼록하게 budding되게 된 후에는, 세포막과 볼록한 버드(bud)사이를 끊어주어야 결과적으로 vesicle이 형성될 수 있는데, 이 때 위 그림에 나타나 있는 Dynamin(디네인)이 필요해요. 그림에도 간략히 표현되어 있지만 Dynamin에는 GTPase domain이 있어서 위 그림 (D)에 나타나 있는 것과 같이 GTP의 가수분해반응을 이용해서 세포막과 버드 사이를 끊어주는 역할을 수행해요.
위 그림상에 구체적인 기작이 나타나 있으니 하나하나 살펴볼게요.
1. 세포막, 즉 공여막에 있는 수용체(cargo receptor)와, 수용체에 결합할 수 있는 단백질(cargo protein)이 결합함.
2. clathrin과 원래부터 연결된 채 존재하고 있던 adaptor protein(일종의 연결고리 역할 역할)이 cargo receptor와 결합함. (이 때 결합이 이루어지면 이루어질수록 clathrin의 구조적 특징에 의해 bud가 서서히 형성됨)
3. clathrin triskelion(clathrin들이 서로 엉켜 형성되는 구조)이 형성되고, Dynamin에 의해 막과 bud 사이의 분리가 일어나 vesicle이 형성됨.
4. uncoating, 즉 clathrin이 다시 다 떨어져나가는 반응이 일어나며, 그 결과 naked transport vesicle(직역하자면 clathrin이 없어 발가벗은 상태의 수송 소낭)이 형성됨.
+) 그 밖에 위 그림상에는 나타나 있지 않지만 실제로는 액틴 필라멘트(actin filament)도 bud의 형성을 상당히 많이 도와줘요.
다음으로 biosynthetic-secretory pathway에서의 vesicle 형성에 관여하는 COPII에 대해 알아볼게요. 참고로 앞서 설명했던 것처럼 biosynthetic-secretory pathway의 경우 ER에서 golgi로, golgi에서 세포 외부로의 분비 와 관련되어 있어요.
biosynthetic-secretory pathway에서의 vesicle은 위 그림과 같은 과정을 통해 형성돼요.
세부적인 기작에 대해 알아보기 전에 우선적으로 알고 있어야 하는 것이 있는데, COPII로 둘러쌓인, 즉 COPII-coated vesicle의 형성을 위해서는 coat를 불러와주는 기능을 하는 GTPase, 그 중에서도 Sar1 단백질이이 핵심적으로 작동한다는 것이에요. 이 단백질은 왼쪽 위 그림과 같이 amphiphilic helix(양친매성 헬릭스)를 가지는데 Sar1-GDP일 때는 이 helix가 내부에 숨어있다가 Sar1-GTP가 되면 이 helix가 외부로 드러나는 식으로 작용해요.
이제 이 사실을 염두에 두고 본격적으로 세부적인 기작들에 대해 알아볼게요.
1. ER 막에 있는 cargo receptor와 lumen의 cargo protein이 결합함.
2. 불활성 형태인(amphiphilic helix를 숨기고 있는) Sar1-GDP가 ER 막의 Sar1-GEF와 만나서 GDP가 GTP로 교체됨.
3. 이 교체 덕분에 Sar1 GTPase의 amphiphilic helix가 외부로 튀어나오고, 이 helix 중 일부분이 ER 막과 물리적으로 유사하므로 결과적으로 ER 막에 이 helix의 일부가 결합됨.
4. Sar1-GTP와 결합할 수 있는 Sec23이 Sec24와 결합된 형태로 Sar1-GTP와 결합함. (즉, Sar1-GTP에 Sec23-Sec24 복합체가 결합하는 것임)
5. Sec24와 cargo receptor(즉, 단백질을 인식하고 결합할 수 있는 수용체)가 결합함.
6. 이들을 인지하고 Sec13/31이 와서 결합하고 결과적으로 outer coat(외부 코트)가 형성됨.
7. 최종적으로 bud가 형성됨.
+) 참고로 COPII가 나중에 uncoating될 때는 에너지원으로써 GTP가 사용됨.
이번 포스트에서는 막 수송과 관련된 다양한 종류의 coat protein에 대해 알아봤어요. 다음 포스트에서는 세포막의 인식, 퓨전(fusion) 등에 대해 조금 더 알아보도록 할게요.