이번 포스트에서는 단백질이 ER에서 Golgi로 수송되는 전체 과정에 대해 조금 더 자세히 알아볼게요.
ER에서 golgi로 가고자 하는, 이미 접힘이 완료된 protein들은 exit signal(일종의 ER을 벗어나고자 하는 신호 서열)을 가지고 있어요.
위와 같이 ER 막에 있는 cargo receptor가 exit signal을 인지하면 이전 포스트에서 살펴본 COPII-coated vesicle이 형성되게 되고, 최종적으로는 coat protein이 떨어진 채로 온전한 지질성분의 vesicle만 남게 되는거죠. (이전 포스트 참고)
그런데 흥미롭게도, vesicle이 motor protein(운동 단백질)에 의해서 이동하는 과정에서 자기들끼리 서로 합쳐져서 불규칙한 모양의 vesicular tubular cluster라는 형태가 형성되어요. 이 상태로 motor protein에 의해 이동되다가 결국에는 cis-golgi와 만나게 되는거죠. (cis-golgi란 Golgi 중에서 ER과 가까운쪽 부분을 의미해요)
한편 이 때 exit signal receptor 등의 단백질은 ER로 다시 돌아가야 하는데, 이런 녀석들은 vesicle의 이동과정(혹은 golgi의 성숙과정) 중에 COPI에 의해 둘러쌓이고, retrieval pathway에 의해 다시 ER로 이동돼요.
위 그림은 COPI에 의해 ER로 일부 단백질들이 역수송되는 과정을 더 자세히 나타내주고 있어요. 실제로 vesicular tubular cluster, 혹은 golgi 내부에 있는 단백질들 중에, ER로 다시 돌아가야 하는 단백질이 있다면, 이 단백질 내부에는 ER retrieval signal(일종의 신호 서열)이 존재하고 있어요. 그런데 이 신호서열은 대부분의 경우 Lys-Asp-Glu-Leu(KDEL)의 형태를 띄므로 KDEL(케이들)로 통칭해요. 이 KDEL이 KDEL receptor(membrane에 위치)와 만나면 COPI coat가 형성되고 결국 ER로(vesicle의 형태로) 재수송되는거죠.
다음으로 Golgi apparatus(골지체)의 구조에 대해 조금 더 살펴볼게요.
Golgi는 위 그림에 나타나 있는 것처럼 길고 납작한 막구조가 층층이 쌓여있는 구조에요. 이 중 ER에서부터 오는 vesicle들을 받아들이는 면이 cis-Golgi, Golgi로부터 수송되어 나가는 면이 trans-Golgi에요 (혹은 이들을 각각 cis Golgi network(CGN), trans Golgi network(TGN)이라고도 불러요)
한편 Golgi의 각 층을 형성하는 막구조의 내부 공간을 cisternae(시스터나)라고 부르며, cis에 있으면 cis cisternae, trans에 있으면 trans cisternae, 가운데에 있으면 medial cisternae라고 불러줘요.
이 때 특히 중요한 것은, 위와 같이 Golgi를 통한 수송에서 방향성이 있다는 거에요. 그리고 층의 위치마다 위와 같이 효소, 환경 등 다양한 요소들이 각기 달라서 결과적으로 Golgi의 각 위치마다 특이적인 효소 반응이 일어날 수 있는 거죠.
방금전 Golgi가 방향성을 가진다고 했었는데요. 그렇다면 Golgi는 어떻게 방향성을 가지게 되는 것일까요. 이와 관련해서 크게 두 가지 가설이 있는데, cisternal maturation model과 vesicle transport model이 바로 그것이에요.
각각이 위 그림에 표현되어 있어요. 우선 cisternal maturation model의 경우 veicular tubular cluster가 cis-Golgi로 들어가게 되면 기존에 있던 cisterna들이 밀려나간다는 가설이에요. (이 과정에서 각 cisterna에 필요한 enzyme등은 푸른색 화살표로 표시된 것과 같이 COPI에 의해 쌓인 채 층층히 이동하는거죠) 한편 vesicle transport model의 경우 cisterna들은 고정된 상태에서 수송되어야 할 물질을 포함한 vesicle들만 이동한다는 가설이에요.
현재는 여러 실험적인 증거들을 통해 cisternal maturation model이 조금 더 지지를 받고 있는 상황이에요. (다만 어느것이 확실히 맞다고는 아직 말하지 못해요)
이제 다음으로 Golgi에서 glycosylation(당화)된 당 잔기가 변되는 과정에 대해 살펴볼게요.
당 잔기가 변형되는 형태는 크게 두 가지인데, 위 그림 (B), (C)에 각각 나타나 있는 complex oligosaccharide와 high-mannose oligosaccharide가 바로 그것이에요. (특별히 complex oligosaccharide 끝에는 NANA, 혹은 sialic acid로도 불리는 N-acetylneuraminic acid가 결합해 있는 것이 특징이에요)
이들의 형성 기작이 위 그림에 나타나 있어요. 하나하나 살펴볼게요.
1. 우선 ER에 단백질이 존재하는 시점에서, 당 잔기 끝부분에 붙어있던 glucose 1개는 떨어지고, 또 다른 glucosidase에 의해 나머지 2개의 glucose도 마저 떨어짐. (참고로 1개의 glucose를 떨어지게 해주는 녀석이 glucosidase I이고, 남은 2개의 glucose를 마저 떨어지게 해주는 녀석이 glucosidase II임)
2. ER을 나가기 전 ER mannosidase에 의해서 mannose 1개도 추가적으로 떨어짐. 이 상태로 ER→Golgi로 수송됨.
3. Golgi로 이동한 뒤에는 Golgi mannosidase I에 의해서 mannose 3개가 더 떨어짐. (이 상태로 끝나면 high-mannose oligosaccharide가 됨)
4. 이후 N-acetylglucosamine transferase I에 의해서 GlcNAc-UDP가 UDP로 바뀌면서 GlcNAc가 당 잔기의 오른쪽 끝 부분에 붙게 됨.
5. Golgi mannosidase II에 의해 mannose 2개가 추가적으로 더 떨어짐.
6. 2개의 GlcNAc-UDP, 4개의 Gal-UDP, 4개의 NANA-CMP가 UDP, CMP로 각각 바뀌면서 당 잔기가 오른쪽 부근에 첨가됨. 그 결과 complex oligosaccharide가 완성됨.
실제로 단백질 내 아미노산의 종류, 위치 등에 따라서 단백질이 complex oligosaccharide, high-mannose oligosaccharide를 다 가질 수도 있고, 하나만 가질 수도 있어요.
지금까지 논의해본 기작은 Asn의 N에 당화가 일어나는 N-glycosylation(N-당화)의 processing(변형) 기작이었음. 그런데 이 밖에, Ser, Thr, Pro, Lys 등의 아미노산의 O에 당 잔기가 붙는 O-glycosylation(O-당화)도 일어날 수 있으며, 이 또한 ER에서 시작되고 golgi에서 변형돼요.
이번 포스트에서는 ER에서 Golgi로 단백질이 수송되는 과정, 그리고 Golgi 내부에서 단백질의 당 잔기가 변형되는 과정에 대해 살펴보았어요.
다음 포스트에서는 Golgi를 벗어난 단백질이 어떤 경로로 수송될 수 있는지에 대해 살펴볼게요.
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