[세포생물학] 5.2 : gated transport 2 - Ran GTPase cycle, NF-AT
[세포생물학] 5.2 : signal sequence & gated transport 1 - NPC, NLS, Importin, Ran GTPase
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 있어
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이전 포스트에서는 핵막에 있는 NPC, cargo protein에 있는 NLS, NLS를 인지하는 Importin, gated transport에서의 에너지를 제공해주는 Ran GTPase에 대해 알아봤어요.
이번 포스트에서는 이들이 어떻게 조합되어서 실제로 gated transport가 일어나는지에 대해 자세히 알아볼게요.
앞서 GDP를 GTP로 갈아끼워주는 GEF, GTP를 GDP로 가수분해시켜주는 GAP에 대해 알아봤었는데요. 특히 Ran GTPase와 관련된 GEF, GAP들을 Ran-GEF, Ran-GAP라고 불러줘요.
그런데 이 때 재미있게도 Ran-GEF는 핵 안쪽에만, Ran-GAP는 핵 바깥쪽에만 존재해요. 이런 특수한 localization에 의해서 지금부터 살펴볼 Ran GTPase cycle이 일어날 수 있어요.
위 그림에서 회색으로 나타난 아래쪽 부분이 핵 내부이고 흰색으로 나타난 위쪽 부분이 핵 외부인데, 보면 실제로 핵 내부에서는 Ran-GEF만 존재하고, 핵 외부에서는 Ran-GAP만 존재하는 것을 알 수 있어요.
이 덕분에 핵 외부에 있는 Ran-GDP는 핵 내부로 들어왔을 때만 Ran-GEF에 의해서 GDP가 GTP로 exchange되어서 Ran-GTP가 될 수 있고, Ran-GTP는 다시 핵 밖으로 나가야지만 핵 밖에있는 Ran-GAP에 의해 Ran-GDP가 될 수 있어요.
이러한 cycle을 이용해서 cargo protein과 Importin이 붙어있는 복합체가 핵 내부로 수송될 수 있어요.
위 그림은 핵 외부에서 핵 내부로 특정한 단백질이 수송되는 기작을 나타내주고 있어요. 하나하나 살펴보죠.
1) 핵 외부에서 cargo protein의 NLS와 Importin이 결합한 후, NPC를 통해서 cargo protein-Importin 복합체가 핵 안으로 들어옴.
2) 핵 내부에 존재하고 있던 Ran-GTP가 Importin에 붙고, 동시에 Importin으로부터 cargo protein은 떨어져 나감.
3) Importin-Ran-GTP 복합체가 NPC를 통해서 핵 밖으로 빠져나감.
4) 핵 밖에 있는 Ran-GAP에 의해서 Ran-GTP가 Ran-GDP로 바뀌고 그 결과 Importin이 분리됨.
5) 외부에 있는 Ran-GDP는 다시 NPC를 통해 핵 내부로 들어오고 핵 안에 있는 Ran-GEF에 의해서 Ran-GDP가 다시 Ran-GTP로 바뀜. (이 때 핵 외부의 Ran-GDP를 핵 내부로 이동시키는 데 중요하게 작용하는 녀석이 NTF2임)
위와 같은 cycle에 의해서 반복적으로 핵 외부에 있는 NLS를 가지고 있는 단백질이 핵 내부로 들어올 수 있어요.
그렇다면 핵 내부에 있던 단백질이 다시 핵 외부로 이동할 때는 어떤 경로를 거칠까요?
위 그림은 핵 내부에서 핵 외부로 특정한 단백질이 수송되는 기작을 나타내주고 있어요. 이때 주목해야 할 것은, 핵 내부에서 핵 외부로 이동하기 위해서도 단백질이 특정한 signal을 가지고 있어야 한다는 거에요. 이 때 이 signal을 nuclear export signal이라고 불러요.
그리고 당연히 NLS를 인지하는 Importin이 있었던 것처럼, nuclear export signal을 인지하는 단백질도 존재해야 하는데, 이 단백질을 Nulcear export receptor, 혹은 Exportin이라고 불러요.
이제 이런 사실들을 유념하면서 위 그림에 나타나 있는 cycle에 대해 살펴볼게요.
1) exportin이 NPC를 통해서 핵 안으로 들어옴.
2) 핵 안에 있는 Ran-GTP가 exportin과 결합하고, exportin은 nuclear export signal을 가진 단백질과도 결합하여서 exportin/Ran-GTP/protein complex가 형성되고 니 녀석이 NPC를 통해 핵 밖으로 이동함.
3) 핵 밖에 있는 Ran-GAP에 의해서 Ran-GTP가 Ran-GDP가 되면서 exportin, 단백질이 모두 다 분리됨.
위와 같은 과정을 통해서 핵 안에 있던 단백질이 핵 밖으로 수송될 수 있어요. 실제로 핵 밖에서 안으로의 수송, 핵 안에서 밖으로의 수송과정은 비슷한 점도 있고 다른 점도 있기 때문에 이 둘을 비교해가면서 살펴보시는게 중요할 것 같아요.
다음 토픽으로 넘어가기 전에, 아주 흥미로운 예시 중 하나인 NF-AT에 대해 소개해드릴게요.
NF-AT라는 단백질은 흥미롭게도 내부에 export signal, import signal을 다 가지고 있어요.
실제로 NF-AT는 세포 내 Ca2+ 농도가 높으면 핵 안으로 들어가고, 낮으면 핵 밖으로 나오는 성질을 가지고 있어요.
위 그림에는 NF-AT의 gated transport 과정이 나타나 있어요.
보면 만약 세포 내 Ca2+ 농도가 높은 경우 Ca2+에 의해서 calcineurin이라는 녀석의 활성화가 일어나요. 이 때 calcinuerin은 protein phosphatase, 즉 단백질로부터 인산기를 때주는 활성을 가지고 있기 때문에 이 녀석의 작용에 의해서 NF-AT에 붙어있떤 3개의 인산기가 다 떨어져나가요.
이러한 탈인산화에 의해서 NF-AT 전체의 구조가 상당히 많이 변하게 되고 그러면서 위 그림 오른쪽과 같이 붉은색으로 표시된 import signal이 밖으로 노출되는거죠. (동시에 export signal은 다른 단백질에 의해서 가려진 형태로 존재하고 있어요)
그렇게 되면 결과적으로 import signal이 Importin에 의해 인식되고 그 결과 NF-AT가 핵 안으로 들어오게 되고, NF-AT는 transcription factor로 작용해서 각종 유전자의 전사(transcription)를 촉진시키게 되는거죠.
한편 세포 내 Ca2+ 농도가 낮은 경우에는 핵 내에 activa하게 존재하는 protein kinase에 의해서 NF-AT, 그 중에서도 import signal이 있는 부위가 인산화(phosphorylation)되고 그 결과 구조적 변화가 일어나 export signal 부위가 밖으로 노출된 상태로 바뀌게 돼요.
그러면 export signal이 Exportin에 의해 인식되고 그 결과 NF-AT가 핵 밖으로 나가게 되는거죠.
참고로 면역계에서 중요한 역할을 하는 T cell의 경우 활성화가 될 경우 세포내 Ca2+ 농도가 높아지는 특성을 가지고 있어요. 이 경우 높아진 Ca2+ 농도에 의해서 NF-AT가 핵 내로 들어오고 그 결과 T cell에 필요한 단백질의 전사가 활성화되어서 T cell이 효과적으로 면역반응에 참여할 수 있어요.
이번 포스트에서는 gated transport와 관련된 각종 cycle들에 대해 알아보았고, NF-AT라는 흥미로운 예시에 대해서도 알아봤어요.
다음 포스트부터는 transmembrane transport에 대해 본격적으로 알아보도록 할게요!