[생화학] 10.1 : 세포막(cell membrane) - 6

 

 

 

이번 포스트에서는 membrane이 가지는 아주 독특한 구조 중 하나인 membrane raft에 대해 알아보자. membrane raft는 microdomain이라고도 불리며, 다른 membrane에 비해 꽤나 rigid한 특성을 지니므로 L0 phase에 해당한다 할 수 있음.

 

 

 

 

위 그림에는 membrane raft의 구조가 나타나 있음. 이 raft에서는 특이적으로 cholesterol이 많이 관찰되는데, 그러다 보니 이 부분의 fluidity가 감소되는 효과가 있음. 그리고 이 raft에는 초록색으로 나타나 있는 sphingolipid가 많이 존재하고 있음. (특히 sphingolipid 중에서도 glycosphingolipid가 많음) 이 때 sphingolipid는 일반적으로 다른 glycerol phospholipid에 비해 fatty acid chain 길이가 더 길기 때문에 결국 raft 자체가 나머지 막에 비해서 더 두꺼워지게 되고 fluidity도 감소하게 됨.

 

위 그림에서도 표현되어 있는 것처럼 lipid raft는 다른 막에 비해서 조금 더 두꺼운 구조를 가지고 있음. 따라서 α helix를 기준으로 했을 때 이 lipid raft에서는 24-25개의 amino acid가 있어야 막을 한번 관통할 수 있음. 

 

 

 

그리고 lipid raft에는 doubly or triply acylated protein도 많이 존재하며, Caveolin등의 assesory protein, GPI-linked protein들도 많이 존재하고 있음. 그렇기에 lipid raft는 실제로 signaling pathway 등에 있어서 중요한 playground 역할을 수행할 수 있음.

 

이 중 Caveolin의 역할에 대해 조금 더 자세히 알아보자.

 

 

 

Caveolin은 lipid raft에서 inner cell membrane 방향에 붙은 채로 존재함. 위 그림 아래에 이 녀석의 구조가 나타나 있는데, 일단 Caveolin은 일반적으로 dimer를 이룬 채 존재함. 그리고 각각의 monomer들을 살펴보면 이 녀석은 fatty acid 3개, 그리고 여러 개의 cholesterol과 연결되어 있으며, 심지어 일부 부위는 hydrophobic해서 lipid bilayer의 hydrophobic region과 상호작용하고 있기도 함. (참고로 이 녀석의 모양을 보면 예상할 수 있는 것처럼, Caveolin 양쪽의 동그란 부분은 globular한 moiety를 띄고 있음)

 

이 녀석이 lipid raft의 내부에 있을 시 membrane의 일부가 위 그림 (a), (b)에 나타난 것처럼 내부로 움푹 들어가게 되면서 membrane trafficking like한 structure를 형성하게 됨. 그럴 시 실제로 내부로 움푹 들어간 lipid raft에 의해서 intracellular part로 cell signaling이 빠르게 일어날 수 있음.

 

 

한편 Caveolin에 의한 내부로 움푹 파인 structure는 일종의 membrane curvature를 유발하며, curvature되어있던 membrane이 위 그림 (c)와 같이 쭉 펼쳐지게 되면 cell의 enlargement가 일어나게 될 수 있음. 이는 상당히 중요한데, 만약 이런 enlargement가 불가능하다면 세포가 hypotonic한 조건에 있게 될 시 물이 세포 내로 들어와 cell이 swelling되어 터져버릴 수 있음. 그러나 Caveolin에 의한 enlargement가 가능하다면 어느 정도 세포는 hypotonic condition과 같은 mechanical stress에 resistant해질 수 있음. (즉, 결과적으로 Caveolin에 의해서 cell membrane에 추가적인 elasticity가 부여된 것임)

 

 

 

 

한편 membrane curvature는 위와 같이 다양한 membrane fusion 현상이 일어날 때도 중요함. 보면 golgi complex에서 budding이 일어날 때, exocytosis, endocytosis가 일어날 때, endosome과 lysosome이 fusion될 때, viral infection이 일어날 때, sperm과 egg가 fusion될 때, small vacuoles들이 plant에서 fusion될 때, cell division 과정에서 두개의 plasma membrane이 서로 분해될 때 등에서 fusion event가 일어남.

 

 

그런데 membrane 자체의 fluidity, elasticity에 더해, fusion 등의 event들을 조금 더 적극적으로 조절할 수 있는 기작들이 존재함. (아래에 나타나 있는 것은 fusion initiation 단계에서 membrane을 curve시킬 수 있는 추가적인 기작들임)

 

 

 

 

첫 번째로 나타나 있는 것은 intrinsically curved protein으로, 이 경우 membrane의 polar head와 결합할 수 있는, + charge를 띄고 있는 side를 가지고 있는 protein 그 자체의 모양이 휘어있어서 이 protein과 세포막이 결합하는 과정에서 막이 protein을 따라 같이 휘게 됨. (참고로 위 그림하에서 위쪽 방향이 intracellular direction임)

 

 

두 번째로 나타나 있는 것은 amphipathic helices를 가진 protein임. (이 경우에도 기본적으로 intrinsically curved protein이긴 함) 이 경우 protein의 양 끝부분에 있는, 막과 일시적으로 상호작용할 수 있는 amphipathic helices가 cellular membrane에 박혀서 membrane을 휘게 만들게 됨.

 

 

마지막으로 나타나 있는 것은 Crescent-shaped signaling complex임. 이 경우 BAR domain을 가진 protein들의 α helix bundle이 얽혀서 (추가적인 charge interaction 없이) 그 자체로 위 그림 왼쪽 아래와 같은 bundle을 형성함. 이렇게 형성된 구조가 membrane에 붙게 되고, 그 결과 membrane을 집어올려서 curvature를 만들게 됨. (혹은 이런 기작에 의해 이미 만들어져 있는 curvature가 maintain되기도 함)

 

 

 

 

이런 fusion과 관련해서 사람들이 굉장히 많은 연구를 수행함. 그 중에서도 neurotransmitter release와 관련된 membrane fusion이 특별히 더 많이 연구됨.

 

 

 

 

우선 위 그림과 같이 NT가 담겨있는 secretory vesicle 막에 있는 v-SNARE와 plasma membrane에 있는 t-SNARE가 서로 만남. (참고로 이 때 SNAP25는 이들의 fusion을 도와주는 regulator로 기능함) 이후 위 그림 가운데와 같이 v-SNARE와 t-SNARE가 서로 고무줄 감기듯 칭칭 감기게 되고, 그 결과 위 그림 아래와 같이 두 개의 membrane이 서로 가까워지게 됨.

 

 

 

 

그렇게 계속 가까워지다 보면 도중에 위 그림 가운데와 같이 hemifusion 상태가 되게 되고, 이후 두 막이 점점 더 가까워지면 결과적으로 완전한 fusion이 일어나서 신경전달물질이 밖으로 release되게 됨. 참고로 fusion이 완료되고 나면 NSF가 t-SNARE와 v-SNARE를 disassembly시켜주게 됨.

 

위 그림에 나타나 있는 연구자들은 SNARE와 관련된 신경전달물질 release 과정을 밝혀서 노벨상을 받음.

 

흥미롭게도 SNARE protein들과 SNAP25는 많은 neurotoxin들의 target임. 예를 들어 통조림 등을 제대로 보관하지 않을 시 감염에 의해 생기는 Botulinum toxin의 경우 protease의 일종이어서 t-SNARE와 v-SNARE간의 감김을 cut해주게 되고 그 결과 NT release가 제대로 이루어지지 않게 됨. 그러다 보니 이 toxin은 극소량만으로도 위협적일 수 있음. 다만 실제로 위 연구자들은 이 toxin을 research tool로 활용해서 NT release의 과정을 밝혀내기도 했으며, 그 밖에 이 toxin을 아주 mild하게 사용해서 주름을 개선하는 치료법인 보톡스 치료법이 등장하기도 했음.

 

 

그 밖에 Tetanus toxin의 경우에도 protease의 일종으로, 이 경우에도 NT release를 망가뜨리게 됨. 이 toxin에 의해 유발되는 대표적인 질병이 바로 파상풍임. (일반적으로 muscle spasm, lockjaw가 유발됨)

 

 

 

다음 포스트에서는 세포막을 통한 수송에 대해 간단히 알아보자.