2회차_세포막생리 2

세포 내 소기관 (Intracellular Compartments)

• 세포는 생명체의 기본 단위이며, 여기서 다루는 세포는 진핵세포입니다.
• LLPS(액체-액체 상 분리)는 액체가 신호를 전달하는 개념으로 중요하게 여겨지고 있습니다.

세포 내 소기관 소개

• 핵(Nucleus): 염색체를 함유하고, 단백질 합성에 필요한 전사인자를 가지고 있어 transcription에 관여합니다.
  • Transcription을 통해 생성된 messenger RNA는 리보솜에서 translation됩니다.
• rER(Rough ER): 리보솜이 부착되어 표면이 거칠게 보이며, translation과 PTM(post-translational modification)이 일어납니다.
• sER(매끈면 소포체): 호르몬과 지질 등을 생성합니다.
• Golgi complex(apparatus): 단백질 운송과 막 융합에 중요한 역할을 담당합니다.
• Lysosome: 가수분해 효소를 이용하여 가수분해 반응을 수행하고, digestive & hydrolytic enzymes을 활용하여 autophage(자가포식) 작용을 합니다.
• Peroxisome: 지방산 분해(lipid breakdown)를 수행하고, oxidation을 통해 세포를 보호합니다 (Catalase를 통해 과산화수소 제거).
• Mitochondrion(미토콘드리아): 에너지 생성에 중요한 compartment로, 베타 옥시데이션을 통해 에너지를 생성합니다.
• Microvilli(미세융모): 표면적을 넓혀, 소장 등에서 흡수를 용이하게 합니다.
• Flagellum(편모): 세포의 이동을 돕습니다.
• Cilium: 대부분의 세포에 존재하며, 신호 전달, sensing 등에 관여합니다.
• Proteasome: 단백질 degradation을 담당합니다.

Transport System

• Bulk Transport: 확산 또는 능동수송으로 세포막을 통과하기 어려운 큰 물질에 대한 수송 방식입니다.

Bulk Transport의 종류

• Filtration: 세포막을 자연스럽게 통과하는 방식으로, 스테로이드 등이 해당됩니다.
• Vesicular Traffic: 세포막을 통과하지 못하는 물질을 수송합니다.
  • Exocytosis (외포작용): 세포 밖으로 물질을 방출하는 과정으로, Extracellular Vesicles(EVs)를 내보냅니다.
  • Endocytosis (내포작용): 세포 안으로 물질을 받아들이는 과정입니다.
    • Phagocytosis: Cell eating (세포 찌꺼기, 박테리아 등)
    • Pinocytosis: Cell drinking (물, 작은 용매 등)
    • Receptor-mediated endocytosis: 특정 수용체 결합을 통해 일어납니다.

Transport Steps

• Gated Transport: Pore가 gate 역할을 하여 선택적인 물질만 통과시키는 방식으로, 핵막이 대표적인 예시입니다.
• Transmembrane Transport: Lipid bilayer로 인해 통과하기 어려운 hydrophilic 분자는 protein translocator(transporter)를 통해 통과합니다.
• Vesicular Transport: 세포 일부가 떨어져 liposome 형태로 이동하는 방식으로, calthrin, COPIcomplex, COPII complex 등 helper protein이 중요한 역할을 합니다.

Vesicular transport

• Vesicular trafficking 정의: Vesicle을 이용하여 세포 소기관 간 또는 세포와 주변 환경 간 물질을 교환하는 것을 의미합니다.
  • 뉴런의 시냅스 간 정보 교환에도 관여하며, interactive하게 물질이 이동합니다.

Vesicular trafficking의 다양한 방식

• 세포외배출경로(Exocytic pathway): 세포 내 물질을 세포 외부로 운반하는 경로
• 분해경로(Degradative pathway): 세포 내 물질을 분해하는 경로
• Exosome: Early endosome에서 multi vesicular body(MVB)를 형성한 후 exocytosis 형태로 진행됩니다.

Extracellular Vesicles(EVs)의 Types

• Exosomes (30-100nm): 강의 자료에는 150nm로 기재되어 있으나, 강의에서 100nm가 일반적이라고 언급함
• Ectosomes or shedding microvesicles (100-1000nm)
• Apoptotic bodies (50-5000nm)

Intracellular Membrane Traffic

• 세포 내외 물질 이동은 vesicle을 통해 양방향으로 일어납니다.
• Intracellular localization: Staining 기법을 통해 특정 단백질이 어디로 이동하는지 확인할 수 있습니다.

Exocytosis: Extracellular Vesicles (EVs)

• Exocytosis (세포 외 배출): 세포 밖으로 물질을 배출하는 기작입니다.

Exocytosis가 recipient cell에 영향을 미치는 방법

• Target cell(recipient cell)이 exosome을 받는 4가지 기작이 있습니다.
  • Receptor-ligand interaction: Exosome 표면의 ligand가 수용체와 반응합니다.
  • Direct membrane fusion: 직접적인 막 융합
  • Phagocytosis & macropinocytosis: 내포작용의 일종인 세포의 포식작용입니다.
  • Clathrin-mediated endocytosis: Clathrin 단백질에 의한 수송 방식입니다.

암세포에서의 tEVs(tumor-derived EVs)

• 종양 세포가 분비하는 exosome은 일종의 biomarker로 활용될 수 있습니다.
• ECM degradation: 암세포는 tEV를 이용하여 metalloproteinases를 분비, host의 cytoskeleton 파괴 후 ECM degradation을 유도합니다.
• 약물 치료 및 apoptosis 회피: 암세포는 tEVs를 이용하여 항암제가 작용하지 못하도록 하거나, 항암제를 무력화시키는 성분을 분비합니다.
• 심혈관 생성 유도: tEVs는 stromal cell의 angiogenic factors를 자극하여 혈관 생성(angiogenesis)을 유도합니다.
• 면역세포 무력화: 암세포에서 유래된 tEV들은 Fas ligand를 방출하여 T-cell apoptosis를 유도, 면역 감시를 회피합니다.

The process of Vesicular Transport

• Vesicular transport는 specialized된 기전을 통해 recipient cell로 이동하며, 3가지 기전이 존재합니다.
  • Vesicle formation and budding
  • Vesicle transport and tethering
  • Vesicle fusion with the target membrane

Machinery Regulating Vesicle Traffic in Cells

• Vesicle이 막에서 나오고 들어가는 과정은 단백질 COPI, COPII, clathrin을 이용하여 이루어집니다.

Life cycle of the transport vesicle

• 수송 대상 물질(Soluble cargo)이 막에 존재하는 특이적 수용체로 인식되어 막 쪽으로 이동합니다.
• Coat protein(e.g. COPI)에 의해 싸이고 에너지(GTP)를 사용하여 scission됩니다.
• Coat protein은 떨어져 재활용되고 motor protein(e.g. dynein)을 통해 translocation됩니다.
• Acceptor 근접 시, tethering factor(한계 인자)가 에너지를 사용해 vesicle을 끌어들입니다.
• Vesicle에 있는 vesicle SNARE complex(v-SNARE)와 acceptor의 target SNARE complex(t-SNARE)가 일종의 지퍼처럼 연결되어 열리면 soluble cargo가 acceptor 내로 이동 가능합니다.

Vesicular Transport 기전 3단계

• Vesicle Formation and Budding: Clathrin, COPI, COPII complex에 의해서 Budding이 일어납니다.
  • 구 형태를 나타내면 GTP를 사용하여 dynamin이 목 부분을 잘라줍니다 (Coated vesicle 형성).
  • 어느 정도 detach가 되면 cytosol에서 naked vesicle form이 됩니다.
  • Uncoating되면서 coat protein들은 reuse됩니다.
• Vesicle Transport and Tethering: Uncoating된 vesicle은 dynein, motor protein과 같은 transporter protein들이 cytoskeletal filament를 통해 움직이게 합니다.
  • Membrane에는 v-SNARE(vesicular-SNARE)가 있는데, target cell로 도착하도록 하며, 도착할 때 즈음에 tethering factor나 tethering complex들이 recipient cell membrane에 잘 부착할 수 있도록 도와줍니다.
• Vesicle Fusion to Target Membrane:
  • Tethering protein이 도킹을 하면 v-SNARE과 t-SNARE(target-SNARE)이 꽈배기 꼬듯이 꼬아집니다.
  • 그렇게 fusion이 되어 안에 있던 안쪽에 있던 물질이 target cell로 갈 수 있게 됩니다.

Neuronal Membrane Trafficking

• 세포 내 수송을 통해 신경 세포의 성장, 유지 및 기능에 필요한 단백질과 지질을 운반합니다.

신경전달물질을 방출할 때 Exocytosis의 메커니즘

• 개요: 노벨상 수상자인 Sudhof가 발견한 내용으로, SNARE complex와 관련된 내용입니다.
• SNARE complex는 단순하지 않고 여러 단백질(synaptobrevin, syntaxin, synaptotagmin 등)이 상호작용하며 ATP를 사용합니다.
• 세포 내 Ca2+가 밖으로 나오면서 synaptotagmin에 구조 변화가 일어나 막 융합이 촉진됩니다.

Endocytosis

• 세포가 물질을 세포 내로 받아들이는 과정입니다.

Pathways of entry into cells

• Phagocytosis: 세포가 큰 입자를 삼키는 과정입니다.
• Macropinocytosis: 세포가 액체를 마시는 과정과 유사합니다.
• Clathrin-dependent endocytosis: Clathrin 단백질을 이용하여 물질을 받아들입니다.
• Caveolin-dependent endocytosis: Caveolin 단백질을 이용하여 물질을 받아들입니다.
• Clathrin-and caveolin-independent pathways: Clathrin과 caveolin을 모두 사용하지 않는 경로입니다.

Endocytosis – Signaling Pathways

• 작은 vesicle을 만들면서 신호를 증폭시키는 과정입니다. (Signal enhancing)
• GPCR(G-protein coupled receptor): GPCR에 있는 receptor들이 신호 전달과 함께, endocytosis를 일으킵니다.
  • Ligand가 수용체와 결합하였을 때
  • Endocytosis가 되는 중
  • Endocytosis가 된 후 endosome의 형태로 있을 때에도 계속 signal을 보냅니다.
• "Autophagosome”: 세포 자가 포식 작용: Autophagosome이 lysosome과 합쳐져 autolysosome을 형성함으로서 물질을 재활용합니다.
• 2023년 1쿼터 1차시험:
  • 8. Signal Sequence에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
  • 9. 암세포의 tEV가 일으키는 일로 옳은 것은?
  • 10(서술형) 보톡스가 작용하는 장소와 주름을 제거하는 기전에 대해 한 줄로 설명하시오.
  • 11(설명) 보톡스의 독소가 SNARE complex가 작용하지 못하게 해 세포간 신호전달을 막는다. 따라서 근육이 수축하지 못하게 된다.