Chapter 12-2: Intracellular Organization and Protein Sorting 정리본

이번 강의 범위

PEROXISOMES
THE TRANSPORT OF PROTEINS INTO MITOCHONDRIA AND CHLOROPLASTS
THE TRANSPORT OF MOLECULES BETWEEN THE NUCLEUS AND THE CYTOSOL

1. 응용 사례: Cystic Fibrosis와 ER Quality Control

CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator)

ABC transporter 계열의 membrane 단백질; 상피세포에서 Cl⁻ 채널 역할
이온·수분 수송 → thin, hydrated mucus 유지
ER에서 합성·폴딩, N-linked 당화, chaperone(BiP, calnexin)과 상호작용

낭포성 섬유증 (Cystic Fibrosis)

원인: ΔF508 돌연변이 — 508번 phenylalanine 결실
결과: ER에서 misfolding → **ERAD**에 의해 분해 → 세포막에 CFTR 없음
Cl⁻ 분비 불가 → 수분 이동 감소 → 폐·췌장·장에 thick, dehydrated mucus 형성
유럽계 인구 약 2,500–3,500명 중 1명에서 발생

핵심: 단백질 품질 관리 시스템의 임상적 중요성을 보여주는 대표 사례

2. PEROXISOMES 기본 특성

000_Peroxisome_MOC 참조

Fig 12-43. 쥐 간세포(rat liver cell)의 peroxisome EM 사진. Electron-dense crystalloid core는 주로 urate oxidase로 구성됨.

**단일막(single membrane)**으로 둘러싸인 소기관
DNA, ribosome 없음 → 모든 단백질은 핵 유전자로 암호화, 세포질에서 합성
EM에서 catalase, oxidase 축적 → crystalloid core 관찰 가능
단백질은 folded 상태로 수입 가능 (미토콘드리아와 차이)

기능 1: 산화 반응 (Oxidation)

$R H_{2} + O_{2} \to R + H_{2} O_{2} (by oxidase)$ $2 H_{2} O_{2} \to 2 H_{2} O + O_{2} (by catalase)$

Catalase: H₂O₂를 즉시 분해 + peroxidation 반응 수행

기능 2: Detoxification (해독; 간에서 중요)

알코올, 포름산, 독성 물질 분해
섭취한 ethanol의 약 25%를 peroxisome에서 **acetaldehyde(CH₃CHO)**로 산화

기능 3: Fatty Acid β-Oxidation

지방산 → acetyl-CoA → cytosol export
동물: 미토콘드리아 + peroxisome 분담 (peroxisome은 초장쇄 지방산, VLCFA 담당)
효모·식물: peroxisome only

3. Plasmalogen 합성

Plasmalogen 참조

Fig 12-44. Plasmalogen 구조. sn-1 위치에 vinyl ether(-O-CH=CH-) 결합(ether 결합)이 특징. sn-2 위치는 ester 결합.

Phospholipid의 한 종류
Myelin sheath(수초) 인지질의 약 80–90% 차지
뇌 백질, 심장, 면역세포에서 풍부
막 안정성, 항산화 기능, 신호전달에 중요한 역할
합성의 첫 두 단계가 peroxisome에서 수행됨 (ether 결합 형성) → 이후 중간체는 ER로 이동하여 합성 완성
Peroxisome 기능 장애 시 plasmalogen 합성 불가 → 신경, 근육, 호흡기, 심장 기능 이상 (Zellweger syndrome, Rhizomelic chondrodysplasia punctata)

4. Zellweger 증후군

Zellweger Syndrome 참조

원인: PEX 유전자 (주로 Pex1) 돌연변이 → peroxin(퍼옥시좀 형성·기능에 필수 단백질) 결함
Cellular Changes: peroxisome 없음 또는 비정상; 세포는 막은 있으나 효소가 없는 “빈” peroxisome 포함; matrix protein import 실패; lipid metabolism 장애

대사 결과	기전
VLCFA 축적	Peroxisomal β-oxidation 감소
Plasmalogen 감소	Membrane structure/function 이상
Oxidative stress 증가	H₂O₂ detox 장애

임상 증상: Severe hypotonia, seizures, hepatomegaly/liver dysfunction, craniofacial dysmorphism (high forehead, flat face) → 대부분 infancy에 사망

§5. Peroxisome 단백질 수입

Protein import into Peroxisome 참조

Fig 12-46. 퍼옥시좀 단백질 수입 경로. PTS1/PTS2 → Pex5/Pex7 receptor → Pex translocator → matrix.

Signal	위치	수용체
PTS1	C-말단 3아미노산 (SKL 또는 유사)	Pex5 (cytosolic receptor)
PTS2	N-말단	Pex7

단백질은 folded 상태로, 보조인자 결합 상태로도 수입 가능
Pex5 receptor는 cargo 동반 통과 후 ubiquitin화 → recycling
일부 peroxisome 막 단백질은 ER을 거쳐 막으로 이동

6. 미토콘드리아와 엽록체 구획 구조

000_Protein import into Mitochondria_MOC 참조

Fig 12-47. 미토콘드리아(A)와 엽록체(B)의 세부 구획 비교.

소기관	구조	주요 기능
미토콘드리아	Outer membrane + IMS + inner membrane(cristae) + matrix	ATP 생산 (산화적 인산화); TCA 회로
엽록체	Outer + IMS + inner + stroma + thylakoid membrane + thylakoid lumen	ATP + NADPH 생산 (광합성); Calvin 회로

미토콘드리아 cristae: inner membrane의 일부 → 산화적 인산화를 위한 표면적 증가
엽록체 thylakoid: inner membrane에 연결되지 않는 독립된 밀봉된 구획 (미토콘드리아와 차이)
단백질의 ~99%는 핵 유전자 암호화 → 세포질 합성 후 번역 후(post-translational) 수입

7. Translocator 복합체

Translocators in mitochondrial membrane 참조

Fig 12-48. 미토콘드리아 막의 translocator 복합체 구조(A)와 경로(B).

복합체	위치	역할
TOM	Outer membrane	모든 핵 암호화 단백질의 첫 번째 관문; cytosol에서 signal sequence 인식 → IMS로 수송; α-나선형 소수성 분절 단백질은 측면(lateral)으로 outer membrane에 방출 가능; β-barrel 단백질은 SAM complex로 넘겨짐
TIM23	Inner membrane	Matrix 단백질 및 일부 inner membrane 단백질 (lateral release)
TIM22	Inner membrane	Multipass inner membrane 단백질 (대사물질 transporter 등)
SAM	Outer membrane	β-barrel 단백질 삽입·폴딩 (TOM → SAM 경로)
MIM	Outer membrane	α-helical outer membrane 단백질 삽입
OXA	Inner membrane	미토콘드리아 genome 암호화 단백질; matrix 쪽에서 접근

모든 핵 암호화 미토콘드리아 단백질은 반드시 unfolded 상태로 통과

8. Matrix 단백질 수입 — 7단계 메커니즘

000_Protein import into Mitochondria_MOC 참조

Precursor 단백질이 cytosol에서 N-terminal signal sequence와 함께 합성
Cytosolic hsp70이 결합 → unfolded 상태 유지 (조기 aggregation 방지)
Signal sequence가 TOM complex에 결합 → outer membrane 통과
TIM23 complex로 전달 → inner membrane 통과 개시
Mitochondrial hsp70 (import ATPase)이 polypeptide chain을 ATP 가수분해로 matrix 방향으로 끌어당김
Matrix 내 **MPP (Mitochondrial Processing Peptidase)**가 signal sequence 절단
Mitochondrial hsp60으로 전달되어 최종 폴딩 완성

9. 수입의 3가지 에너지원

3 Energy source for import 참조

Fig 12-50. (A) 막전위 Δψ — TIM23 통과 구동. (B) Mitochondrial hsp70 + ATP — matrix로 끌어당김. (C) Mia40 redox — disulfide 형성으로 IMS 단백질 고정.

에너지원	위치	역할
ATP (cytosolic hsp70)	세포질	Precursor를 unfolded 상태로 유지
막전위 Δψ	Inner membrane	양전하 MTS를 matrix 방향으로 electrophoresis
ATP (mitochondrial hsp70)	Matrix (TIM23에 부착)	Polypeptide chain을 matrix로 끌어당김 (ratchet)
산화환원 전위 (Mia40)	IMS	Cys에 disulfide 결합 → IMS 단백질 포획; 호흡사슬이 Mia40 재산화

TOM 통과에는 에너지 불필요. TIM23 = Δψ. Matrix 완전 수입 = ATP.

10. Inner Membrane 단백질 수송 경로 4가지

Transport into inner mitochondrial membrane 참조

Fig 12-51 (A–D). Inner membrane 단백질 4가지 수입 경로.

경로	메커니즘
(A) TIM23 lateral release	N-terminal signal → TIM23 통과 후 소수성 TM domain이 inner membrane으로 측면 방출; signal 절단
(B) TOM → matrix → OXA	N-terminal signal → matrix로 완전 수입 → MPP 절단 → 노출된 두 번째 소수성 signal이 OXA 경로로 inner membrane 삽입
(C) TOM → TIM22	Internal signal sequences가 TOM을 loop 형태로 통과; IMS chaperone이 안내 → TIM22가 multipass 단백질 삽입
(D) OXA (미토콘드리아 genome)	미토콘드리아 ribosome이 matrix에서 합성 → OXA 복합체가 직접 inner membrane에 삽입

11. Nuclear Envelope 구조

Nuclear envelope 참조

Fig 12-54A. 핵막과 NPC, nuclear lamina, nucleolus의 관계.

Outer nuclear membrane: ER과 연속; 표면에 ribosome → rough ER와 동일한 성격
Inner nuclear membrane: Nuclear lamina 결합 단백질 포함; chromatin 및 NPC와 연결
Perinuclear space: 두 막 사이 공간; ER lumen과 연속
Inner + outer membrane은 NPC 위치에서 융합하여 통로 형성

Nuclear Lamins (핵 라민)

Nuclear lamina 참조

Inner nuclear membrane 안쪽 표면을 덮는 섬유성 단백질 meshwork → intermediate filament 단백질 계열
기능 4가지:
1. 구조적 지지: Nuclear envelope에 기계적 안정성 제공
2. Chromatin 부착 부위: 염색체와 결합
3. NPC 고정: Nuclear pore complex의 위치 고정
4. Cytoskeleton 연결: Transmembrane 단백질 복합체를 통해 세포질 cytoskeleton과 연결 → DNA-핵막-세포골격 구조 연결
유사분열 시 lamin 인산화 → lamina 분해 → 핵막 해체; 말기 탈인산화 → 재조립

Nucleolus (핵소체)

Nucleolus 참조

막 없이 biomolecular condensate로 존재; rRNA 전사·가공, 리보솜 조립이 일어나는 곳
리보솜 조립 사이클: cytosol에서 합성된 ribosomal protein → 핵으로 수입 → nucleolus에서 pre-rRNA와 조립 → pre-ribosomal particle이 NPC를 통해 세포질로 수출
내부는 동심 구획 구조: Fibrillarin (fibrillar component scaffold), Nucleophosmin (granular component scaffold) 등 scaffold 간 약한 친화력 차이로 다층 condensate 형성
In vitro 실험: 두 단백질을 RNA와 함께 각각 별도로 혼합하면 각자 별도의 condensate 형성; 함께 혼합하면 하나의 condensate 안에 다른 condensate가 포함된 다층(layered) 구조 형성 → nucleolus 내부 동심 구획의 자기조립(self-assembly) 원리 증명

12. Nuclear Pore Complex (NPC) 구조

Nuclear Pore Complex (structure) 참조

Fig 12-55A. NPC 구조 모식도.

구성 및 크기

~30종 nucleoporin, 8/16/32 카피 → 총 500–1,000개 단백질 / 직경 ~120 nm
포유류 세포 NPC: 3,000–4,000개; 초당 최대 1,000개 거대분자 양방향 수송

Nucleoporin 분류

종류	기능
Transmembrane ring	NPC를 nuclear envelope에 고정
Scaffold nucleoporin	층상 ring 구조 형성; 막 굴곡 단백질 역할
Channel nucleoporin	FG repeat 포함 disordered 영역 → gel-like FG mesh (선택적 장벽)
Cytosolic fibrils	Import receptor 최초 모집 부위
Nuclear basket	핵쪽 fibrils가 distal end에 모여 바구니 형성; RNA processing/export 관련

대칭성

8중 회전 대칭 (8/16/32 copies)
2중 횡단 대칭 (twofold transverse symmetry): 핵쪽과 세포질쪽 구조 유사하나 기능 다름

13. NPC를 통한 수동 확산 vs 능동 수송

Nuclear Pore Complex (structure) 참조

Fig 12-57. NLS를 입힌 금 입자(5–10 nm)의 NPC 통과 EM 시리즈. (A) 세포질 fibril에 접촉 → (B,C) NPC 중심 통과 → (D) 핵 면에 도달.

분자 크기	수송 방식
< 5 kDa (~5 nm)	자유 확산 (이온, 대사산물)
~40 kDa 이하 (~9 nm)	느린 수동 확산; 에너지·signal 불필요
> ~60 kDa (>9–10 nm) / RNA	수동 확산 불가; NLS/NES + energy 필요
성숙 세포질 ribosome (~30 nm)	NPC 통과 불가 → 단백질 합성은 세포질에 국한

능동 수송 단백질은 완전히 folded 상태로 통과 (미토콘드리아 수입과 달리 unfold 불필요)

14. Nuclear Localization Signal (NLS)

Nuclear Localization Signals 참조

Fig 12-56. (A) 정상 NLS(Lys-rich) → 핵 축적. (B) Lys→Thr 변형 → 세포질에 잔류.

Lys(K), Arg(R)이 풍부한 양전하 짧은 서열 (하나 또는 두 묶음)
예시 (SV40 T-antigen): ...Pro–Pro–Lys–Lys–Lys–Arg–Lys–Val...
아미노산 서열의 거의 어느 위치에나 존재 가능
수입 후에도 절단되지 않고 유지 → 유사분열 후 핵 재조립 시 반복 수입 가능
다성분 복합체에서 한 subunit만 NLS 보유해도 복합체 전체 수입 가능

Nuclear Export Signal (NES)

Nuclear Export Signals 참조

Leu(류신)이 풍부한 소수성 짧은 서열
Exportin이 인식 → 단백질/RNA를 세포질로 수출

RNA 및 리보솜 단백질은 합성 후 NES를 통해 세포질로 이동; 전사인자는 필요할 때만 핵 안으로 수입

NLS vs NES 비교

	NLS	NES
역할	세포질 → 핵	핵 → 세포질
인식	Nuclear import receptor	Nuclear export receptor
Ran-GTP 효과	Cargo 해리 촉진	Cargo 결합 촉진
제거 여부	제거 안 됨	제거 안 됨
아미노산 잔기	Lys(K), Arg(R) 풍부 (양전하, 염기성)	Leu(L) 풍부 (소수성)

NLS + NES 모두 가진 단백질 → 핵-세포질 간 왕복(shuttling) 가능; 수입/수출 속도 비율이 정상 상태 위치 결정

15. Nuclear Import Receptor (Importin)

Nuclear Import Receptor 참조

Fig 12-58. (A) 서로 다른 import receptor가 서로 다른 NLS를 인식. (B) Adaptor 단백질을 통한 간접 결합.

Karyopherin 단백질 계열의 soluble cytosolic 단백질
서로 다른 NLS는 서로 다른 특정 import receptor가 인식

Importin α / β

Subunit	역할
Importin α	NLS를 직접 인식하는 adaptor 역할; cargo와 결합
Importin β	NPC의 FG repeat과 상호작용하여 통과 담당

Adaptor 단백질

일부 cargo는 NLS가 receptor에 직접 결합하지 못함 → adaptor 단백질 필요
Adaptor는 import receptor와 구조적으로 유사; cargo의 NLS를 인식하고, cargo 결합 시에만 자체 NLS가 노출되어 receptor에 결합

FG Repeat와의 상호작용

Import receptor는 FG repeat에 낮은 친화력으로 반복 결합/해리하면서 mesh를 통과
이를 통해 receptor에 결합한 cargo는 빠르고 효율적으로 핵 안으로 이동

16. GTP-GDP 사이클과 Ran GTPase

Ran-GTP cycle & Transport Through NPC 참조

Ran: Guanosine 5’-Triphosphatase (GTPase) — molecular switch

조절 단백질	위치	작용
RanGAP (GTPase-activating protein)	세포질	Ran-GTP → Ran-GDP 전환 촉진
RanGEF (guanine nucleotide exchange factor)	핵 chromatin	Ran-GDP → Ran-GTP 전환 촉진

→ 핵: Ran-GTP 높음 / 세포질: Ran-GDP 높음 의 농도 기울기 형성

Fig 12-60. Ran-GDP/Ran-GTP 구획화. (A) RanGAP(세포질)/RanGEF(핵)의 위치 차이가 기울기를 유지. (B) 핵 수입에서 Ran-GTP의 역할 — 핵 안에서 receptor-cargo 결합을 해리.

17. 핵 수입 (Nuclear Import) 메커니즘

Ran-GTP cycle & Transport Through NPC 참조

세포질에서 importin이 NLS cargo와 결합 (Ran-GDP 상태에서 친화력 높음)
Importin–cargo 복합체가 NPC의 cytosolic fibrils에 결합
FG repeat mesh를 통과하여 핵 안으로 이동
핵 안에서 Ran-GTP가 importin에 결합 → cargo 해리 (방출)
Importin–Ran-GTP 복합체가 세포질로 되돌아감
세포질 RanGAP이 Ran-GTP → Ran-GDP 가수분해
Ran-GDP가 importin에서 해리 → importin 재사용

18. 핵 수출 (Nuclear Export) 메커니즘

Nuclear Export Receptor 참조

핵 안에서 Ran-GTP가 exportin–NES cargo 결합을 촉진 (삼중 복합체 형성)
Exportin–cargo–Ran-GTP 복합체가 NPC를 통해 세포질로 이동
세포질 RanGAP이 Ran-GTP → Ran-GDP 가수분해
Exportin 구조 변화 → cargo와 Ran-GDP 모두 세포질에 방출
Free exportin + Ran-GDP는 핵으로 재수입

Ran-GTP의 역할 정리: Import에서는 cargo 해리(release), Export에서는 cargo 결합(complex formation)

19. NPC 수송의 조절 — Dorsal protein (Drosophila)

Dorsal protein production control 참조

초기 초파리 배아는 다핵 공동세포질(syncytium) 상태
Dorsal 단백질: 세포질 전체에 균일하게 합성되지만, 기능하려면 핵 안으로 들어가야 함
배아의 배쪽(ventral) 핵에는 Dorsal이 농축, 등쪽(dorsal) 핵에서는 배제
→ 핵 수송의 차별적 조절이 등-배 축(dorsal-ventral axis) 형성을 결정

20. NPC 수송의 조절 — NF-AT와 T 세포 활성화

Nuclear import control during T-cell activation 참조

Fig 12-63. T 세포 활성화 중 NF-AT의 핵 수입 조절.

NF-AT (Nuclear Factor of Activated T cells): T 세포 활성화 관련 유전자 전사 조절 인자

상태	인산화	NLS	NES	위치
휴지 (resting)	인산화됨	마스킹(inactive)	노출(active)	세포질
활성화 (activated)	탈인산화됨	노출(active)	마스킹(inactive)	핵

활성화 과정:

항원 자극 → 세포 내 Ca²⁺ 농도 상승
Calcineurin (Ca²⁺-dependent phosphatase) 활성화 → NF-AT 탈인산화
NLS 노출 / NES 차단 → NF-AT–calcineurin 복합체가 핵으로 수입
T 세포 활성화 유전자 전사 활성화

Off switch: Ca²⁺ 감소 → calcineurin 해리 → NF-AT 재인산화 → 세포질로 재이동

임상 적용: Cyclosporin A, FK506 (Tacrolimus) → calcineurin 억제 → NF-AT 핵 이동 차단 → T 세포 활성화 억제 → 면역억제제 (장기이식 거부 반응 방지)

21. 유사분열 시 핵막 분해와 재조립

Nuclear Envelope Disassembly 참조

Fig 12-65. 유사분열 중 핵막과 nuclear lamina의 분해·재형성 과정.

분해 (유사분열 시작 — Prophase)

CDK1–cyclin B 활성화 (M phase)
Lamin 인산화 → nuclear lamina 분해 → nuclear envelope 붕괴
Nucleoporin, inner nuclear membrane 단백질도 인산화 → NPC 해체
핵막 단백질이 ER 막 전반으로 분산; 핵 단백질이 세포질과 혼합

재조립 (유사분열 말기 — Telophase)

CDK1 불활성화 → lamin, nucleoporin 탈인산화
RanGEF가 chromatin에 결합 유지 → 염색체 주변 Ran-GTP cloud 형성
Ran-GTP가 위치 표지 → 염색체 표면에 NPC 단백질 모집 및 새 NPC 조립
탈인산화된 lamin이 chromatin에 재결합 → inner nuclear membrane 단백질 모집
ER 막이 염색체 세트를 감싸며 측면 융합 → 봉합된 nuclear envelope 재형성 (engulfment)
NLS 수입 재개 → 핵 단백질 구성 복원

세균·효모 등 많은 생물: closed mitosis (유사분열 중 핵막 유지, 핵 분열)

전체 비교 요약

소기관	수입 방식	Signal	Targeting signal 제거 여부	에너지
ER	Co-translational (대부분)	N-말단 signal sequence	절단됨 (signal peptidase)	GTP (SRP/SR)
Peroxisome	Post-translational, folded	PTS1 (C-말단) / PTS2 (N-말단)	유지	ATP (Pex recycling)
Mitochondria	Post-translational, unfolded	MTS (N-말단, 양전하 α-나선)	절단됨 (MPP)	Δψ + ATP
Nucleus	Post-translational, folded	NLS (Lys/Arg-rich)	유지	GTP (Ran cycle)

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