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Ran-GTP cycle & Transport Through NPC

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Ran-GTP Cycle

Ran GTPase는 핵 수입과 수출 모두에 방향성을 부여하는 핵심 분자이다. GTP 결합/가수분해 상태에 따라 두 가지 구조로 전환되는 molecular switch이다.

Fig 12-60. Ran-GDP와 Ran-GTP의 구획화. (A) Ran GAP은 세포질에, Ran GEF는 핵의 chromatin에 결합하므로, 세포질에는 주로 Ran-GDP, 핵에는 주로 Ran-GTP가 존재한다. (B) 핵 import receptor와 cargo의 상호작용은 Ran-GTP에 의해 역전된다 — 세포질에서는 receptor-cargo 결합이 유리하고 핵에서는 불리하다.

Ran의 두 상태

  • Ran-GTP : active state. A 핵에 주로 존재1
  • Ran-GDP : inactive state. 세포질에 주로 존재1

이 gradient를 만드는 요인:

  • Ran GAP (GTPase-activating protein): 세포질에 위치, Ran-GTP → Ran-GDP 전환 촉진2
  • Ran GEF (guanine nucleotide exchange factor): 핵 chromatin에 결합, Ran-GDP → Ran-GTP 전환 촉진2

두 조절 단백질의 위치 차이가 Ran의 상태 gradient를 만들고, 이것이 수송의 방향성을 결정한다.31

NPC를 통한 수송

핵 수입에서의 역할

Fig 12-61. 핵 수입과 수출 모두 Ran GTPase 사이클을 사용한다. 핵 수입(A)에서는 Ran-GTP가 cargo를 receptor에서 해리시키고, 핵 수출(B)에서는 Ran-GTP가 cargo-receptor 결합을 촉진한다. 두 경우 모두 세포질의 Ran GAP이 GTP 가수분해를 유도하여 사이클을 완성한다.

  1. Import receptor가 세포질에서 NLS cargo와 결합 (Ran-GDP 상태에서 가능)
  2. Receptor–cargo 복합체가 FG repeat를 이용해 NPC를 통과
  3. 핵 안에서 Ran-GTP가 receptor에 결합 → receptor가 cargo를 해리21
  4. Cargo는 핵에 방출됨
  5. Ran-GTP와 결합한 empty receptor가 NPC를 통해 세포질로 되돌아감
  6. 세포질의 Ran GAP이 Ran-GTP 가수분해 유도 → Ran-GDP 생성
  7. Ran-GDP가 receptor에서 해리, receptor가 다음 cargo를 위해 재사용됨

핵 수출에서의 역할

Import와 반대 방향으로 작동:

  1. 핵 안에서 Ran-GTP가 export receptor–NES cargo 복합체 결합을 촉진
  2. Export receptor–cargo–Ran-GTP 삼중 복합체가 NPC를 통해 세포질로 이동
  3. 세포질에서 Ran GAP이 Ran-GTP 가수분해 유도
  4. 가수분해 후 export receptor가 구조 변화 → cargo와 Ran-GDP 모두 세포질에 방출
  5. Free export receptor와 Ran-GDP는 핵으로 재수입됨 (import pathway 이용)

에너지 원천

Ran-GTP 가수분해의 자유에너지가 수송의 방향성을 부여하는 에너지원이다.1 GTP 가수분해는 세포질쪽에서만 일어나므로 수송이 일방향으로 rectify된다.

Footnotes

  1. 2025 중간 15번 — ③ 틀림(정답): Ran-GTP는 핵 내에서 높고 세포질에서 낮음(선지는 반대로 기술). ④ 옳음: Ran GTP 가수분해로 수송 방향성 에너지 제공. ⑤ 옳음: 핵 내 Ran-GTP가 importin에 결합하면 cargo 방출. ↩ ↩2 ↩3 ↩4 ↩5

  2. 2023 중간 25번 — ① 정답(바르게 된 것): 핵막은 이중막이며 외막은 ER과 연속적. ③ 오답: NLS는 negatively charged가 아닌 positively charged(Lys/Arg) 아미노산으로 구성. ⑤ 오답 근거: 세포질 RanGAP가 RanGTP를 가수분해하여 RanGDP로 전환함으로써 importin에서 cargo가 해리되는 것이 아니라 핵 내 Ran-GTP가 importin에서 cargo를 방출시킴. ↩ ↩2 ↩3

  3. 2021 중간 18번 — 핵과 세포질 사이 단백질 수송의 방향성을 제공하는 기전: RanGEF는 핵 chromatin에, RanGAP는 세포질에 존재하여 Ran-GTP/GDP 농도 구배를 만들고, 이 구배가 수입·수출의 방향을 결정함. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩

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