[세포생물학] 5.2 : signal sequence & gated transport 1

전공자를 위한 생물학/세포생물학

[세포생물학] 5.2 : signal sequence & gated transport 1 - NPC, NLS, Importin, Ran GTPase

단세포가 되고파🫠 2021. 4. 25. 01:42

이번 포스트부터는 본격적으로 단백질이 경유할 수 있는 pathway들 중 한 종류인 gated transport에 대해 자세히 알아보도록 할게요.

우선 이에 앞서 signal sequence라는 개념에 대해 알아둘 필요가 있어요.

출처 : Chapter 26 : Protein Metabolism (bioinfo.org.cn)

signal sequence는 단백질 내부에 있는 일종의 꼬리표라고 볼 수 있어요. 다리 말해서 리보솜(ribosome)에서 합성된 protein들이 세포 내 어디로 가서 위치하게 될지를 나타내주는 정보인 것이죠.

signal sequence는 크게 signal peptide와 signal patch의 두 종류로 나눌 수 있어요.

출처 : Chapter 4: Intracellular Compartment & Transport animalcellbiology (wordpress.com)

위 그림 위쪽과 같이 단백질의 아미노산 서열 중 일부 연속된 서열이 단백질의 주소(adress)를 나타내는 것이 바로 signal peptide이고, 위 그림 아래쪽과 같이 단백질의 아미노산 서열 중 일부 불연속적인 여러 서열들이 단백질 접힘(folding) 과정에서 한 곳에 모여서 단백질의 주소(adress)를 나타내는 것이 바로 signal patch에요.

이제 본격적으로 gated transport에 대해 알아볼게요.

gated transport란 세포질(cytosol)과 핵(nucleus) 사이에서 일어나는 단백질 이동과정을 의미해요. 이 때 이 녀석의 이름에서도 알 수 있는것처럼 gate, 즉 문이 상당히 중요한데요. 이 때 중요한 gate가 바로 핵막에 있는 nuclear pore complex(NPC)이에요.

출처 : Infographic: The Nuclear Pore Complex The Scientist Magazine® (the-scientist.com)

위 그림에 NPC의 구조가 나타나 있어요. NPC는 outer nuclear membrane과 inner nuclear membrane을 관통하고 있는 모양새이며, 이 녀석을 통해서 특정 단백질이 선택적으로 수송될 수 있어요.

그렇다면 도대체 핵 내부로 수송되는 특정 단백질은 어떤 녀석들일까요? 답은 간단한데, 핵으로 들어오게끔 해주는 signal sequence를 가진 단백질들이에요. 이 때 핵을 목적지로 지정해주는 signal peptide를 특별히 nuclear localization signal(NLS)이라고 불러요.

출처 : Figure 10.20 (macmillanhighered.com)

위 그림에는 NLS와 관련된 아주 전통적인 실험이 나와있는데요.

보면 NLS가 붙어있는 단백질들은 모두 핵 내에 위치하는 반면 NLS가 붙어있지 않거나, 혹은 돌연변이를 통해 sequence가 달라진 NLS를 붙여준 경우에는 단백질이 모두 핵 밖에 위치하는 것을 알 수 있어요. 이를 통해 NLS가 nucleus localization에 핵심적인 sequence라고 결론내릴 수 있는 거죠.

그렇다면 NLS가 있는 단백질들은 어떻게 핵으로 운반되는 것일까요?

실제로 NLS를 인식해서 결합하는 단백질이 바로 nuclear import receptor, 혹은 Importin이라 불리는 녀석이에요.

출처 : Lange, A., Mills, R. E., Lange, C. J., Stewart, M., Devine, S. E., & Corbett, A. H. (2007). Classical nuclear localization signals: definition, function, and interaction with importin α. Journal of Biological Chemistry , 282 (8), 5101-5105.

실제로 위 그림을 보면 importin에 의해서 NLS를 가진 cargo protein이 인식되는 것을 알 수 있어요.

참고로 이 때 Importin이 직접 NLS를 인식하여 결합할 수도 있고, 아니면 위 그림 오른쪽과 같이 nuclear import adaptor protein(초록색)을 사이에 두고 간접적으로 결합할 수도 있어요.

한편 핵의 외부에서 핵의 내부로, 혹은 핵의 내부에서 핵의 외부로 단백질이 이동하는 과정은 에너지가 투입되어야만 일어날 수 있는 반응이에요. 이 때 에너지를 제공해주는 녀석이 바로 Ran GTPase에요.

Ran GTPase는 일종의 GTPase에요. 한편 이 녀석은 크게 두 가지 형태로 존재할 수 있는데, Ran GDP와 Ran GTP가 바로 그것이죠.

출처 : How do small GTPases regulate mechanosignaling pathways? MBInfo (mechanobio.info)

위 그림 위쪽에 나와있는 것이 바로 Ran GDP이고, 이 경우 GTPase의 활성이 activate된 상태에요.

한편 위 그림 아래쪽에 나와있는 것이 Ran GTP이며, 이 경우 Ran GTPase에 붙어있던 GDP가 GTP로 갈아끼워지면서 GTPase의 활성이 inactivate된 상태에요.

그리고 이 때 매우 중요한 것이 있는데, Ran GDP에 있던 GDP를 GTP로 exchange시켜서 Ran GTP를 만들어주는데 관여하는 효소가 바로 GEF(Guanine exchange factor)이고, Ran GTP에 붙어있던 GTP를 가수분해(hydrolysis)시켜서 Ran GDP를 만들어주는 효소가 바로 GAP(GTPase-activating protein)이에요. 이 효소들은 사실 Ran GTPase에서만 나오는 것이 아니라 GTP에 의해 on/off되는 다양한 단백질에 대한 스토리에서 계속 나오기 때문에 기억해두시면 많은 도움이 될 것 같아요.

이번 포스트에서는 gated transport에 대해 이해하기 위해 필요한 기본개념들에 대해 다뤄봤어요.

다음 포스트에서는 NPC, NLS, Importin, Ran GTPase 등의 요소들이 어떻게 한데 어우러져서 gated transport가 일어나는지에 대해 다뤄보도록 할게요!