Chapter 13-1: Intracellular Membrane Traffic 정리본

5주차 강의노트 기반 | 출처: chapter 13 강의 I 2026.pdf

1. Intracellular Membrane Traffic 개요

Intracellular membrane traffic은 세포 내 막으로 둘러싸인 구획들 사이에서 일어나는 물질 이동 체계이다. 크게 세 방향으로 나뉜다:

Secretory (biosynthetic) pathway: ER → Golgi → plasma membrane / 분비 / lysosome
Endocytic pathway: Plasma membrane → endosome → lysosome
Retrieval pathway: 잘못 운반된 단백질을 원래 compartment로 되돌리는 경로
Autophagy: 세포 자신의 성분을 lysosome으로 분해

모든 경로는 transport vesicle을 통해 이루어진다. Vesicle은 donor membrane에서 budding하여 target membrane과 fusion한다.

2. Vesicle Transport의 3단계

Vesicle transport는 다음 세 단계로 구성된다:

Budding (출아): Coat protein이 donor membrane에서 vesicle을 형성
Transport: Vesicle이 cytoskeleton을 따라 target compartment로 이동
Fusion (융합): Vesicle이 target membrane과 융합하여 cargo 전달

Coated Vesicle의 종류

Coat	위치	방향
Clathrin	Plasma membrane, TGN	Endocytosis, TGN→endosome
COPI	Golgi	Retrograde (Golgi→ER)
COPII	ER	Anterograde (ER→Golgi)

3. Clathrin Coat

Clathrin은 가장 잘 알려진 coat protein이다.

구조: Triskelion

Triskelion: 3개의 heavy chain + 3개의 light chain으로 구성
Heavy chain은 세 방향으로 뻗은 삼각형 구조
여러 triskelion이 모여 hexagon과 pentagon으로 구성된 polyhedral cage 형성 (축구공 모양)

조립과 분해 (Assembly/Disassembly)

Coat assembly:

AP2 adaptor protein이 membrane에 결합
Adaptor가 cargo receptor와 상호작용
Clathrin triskelion이 recruit되어 coat 형성
Membrane curvature 증가하며 coated pit 형성
Membrane-bending protein과 fission protein (dynamin) recruit → pinch off

Coat disassembly:

Vesicle이 budding된 직후 발생 (목적지 도달 후가 아님)
hsp70 chaperone이 ATP hydrolysis 에너지로 clathrin coat를 물리적으로 제거
Phosphoinositide phosphatase가 PI(4,5)P₂를 분해하여 adaptor protein의 막 결합 약화

4. AP2 어댑터 단백질

AP2는 clathrin coat 형성의 핵심 어댑터 단백질이다.

활성화 메커니즘

초기 상태 (locked): Cargo binding site가 차단된 비활성 구조
PI(4,5)P₂에 결합 → conformational change → cargo binding site 노출
Cargo motif 인식:
- YXXφ (tyrosine-based)
- dileucine motif ([DE]XXXL[LI])

5. Phosphoinositides (PIPs): Organelle Identity Marker

Phosphoinositides (PIPs)는 막 지질의 소수 성분(<10%)이지만 organelle identity를 결정하는 핵심 marker이다.

구조

PI (phosphatidylinositol): inositol sugar head group 보유
Inositol ring의 3’, 4’, 5’ position의 hydroxyl group이 인산화되어 다양한 PIP 생성

Compartment별 분포

Compartment	주요 PIP
Plasma membrane	PI(4,5)P₂
Early endosome	PI(3)P
Late endosome	PI(3)P + PI(3,5)P₂
Golgi	PI(4)P
ER	PI

모두 cytosolic leaflet에 위치
각 organelle에 특이적인 kinase와 phosphatase의 분포가 PIP 특이성 결정
PIP-binding domain을 가진 단백질이 특정 organelle로 선택적으로 recruit됨

6. Membrane-bending Proteins

Membrane-bending protein은 vesicle budding 시 막을 구부리는 역할을 한다.

BAR Domain Dimers

두 개의 subunit이 crescent-shaped dimer 형성
Positively charged inner surface가 negatively charged lipid head group과 상호작용 → membrane을 구부림
굽어진 내면이 tube 형태의 membrane에 결합
결합 자체가 membrane에 curvature 부여
이미 구부러진 막에 preferential하게 결합하여 곡률 증폭
일부 BAR-domain protein: PIP-binding domain 보유 → 특정 membrane으로 targeting

Vesicle Neck에서의 기능

Budding vesicle neck에서:

Sharp membrane bend 안정화
Clathrin machinery와 함께 local actin assembly 자극
Growing actin filament이 vesicle 주변 membrane을 push
Vesicle이 membrane으로부터 propelled됨

7. Dynamin: Vesicle Fission

Dynamin은 budding vesicle을 donor membrane으로부터 분리(pinch off)하는 GTPase이다.

구조

GTPase domain: GTP hydrolysis 조절
PH domain (PI(4,5)P₂-binding domain): 막의 PI(4,5)P₂에 결합
Middle domain/stalk: oligomerization 담당

작동 메커니즘

Assembly:

Dynamin이 PI(4,5)P₂에 결합하여 vesicle neck 주위에 ring 형성
Ring이 spiral structure로 조립 (polymer 형성)

Constriction:

Bound GTP hydrolysis
Dynamin의 conformational change
Dynamin ring constriction → underlying membrane neck constrict
Fission 완성

Dynamin dimer: G-domain이 adjacent rung의 G-domain과 dimerize → GTPase 활성화 → conformational change → constriction

8. Monomeric GTPases: Coat Assembly 조절

Coat-recruitment GTPase는 특정 compartment에서만 coat assembly를 활성화하는 분자 스위치이다.

종류와 역할

GTPase	작동 위치	조절하는 coat
Sar1	ER membrane	COPII coat
ARF proteins	Golgi membrane	COPI coat, Clathrin coat

GDP/GTP Cycle

GEF (Guanine nucleotide exchange factor): GDP → GTP 교환 촉매 → 활성화
GAP (GTPase-activating protein): GTP hydrolysis 촉진 → 불활성화

Sar1에 의한 COPII Coat Assembly

ER membrane embedded Sar1 GEF(Sec12)가 세포질의 Sar1-GDP 활성화
GEF가 GDP를 방출 → 세포질의 GTP가 결합 → Sar1-GTP 형성
Sar1의 N-terminal amphiphilic helix 노출 → ER membrane cytoplasmic leaflet에 wedge처럼 삽입
Sar1-GTP가 Sec23/Sec24 (inner coat, adaptor) 모집
Sec23/Sec24 위에 Sec13/Sec31 (outer coat) 조립
Vesicle budding 완성

ARF도 같은 원리: Golgi membrane의 ARF GEF에 의해 활성화 → lipid anchor로 Golgi membrane에 삽입 → COPI/clathrin coat 모집

9. Rab Proteins: 수송 정확도의 핵심

Rab GTPase는 vesicle의 tethering, docking, fusion의 정확도를 담당한다.

Rab의 작동 원리

상태	결합 분자	위치
GTP-bound (활성)	Rab effectors	Target membrane
GDP-bound (비활성)	GDI	세포질

Rab cycle:

**GDI (GDP Dissociation Inhibitor)**가 GDP-Rab을 세포질에 유지
Membrane의 GEF가 GDI로부터 Rab을 떼어내고 GTP와 교환
GTP-Rab이 membrane에 결합 및 effector 모집
Effector: tethering factor, motor protein, SNARE 조절인자 등
GTP 가수분해 후 GDI가 GDP-Rab을 다시 세포질로 추출

Rab5 Domain 형성

Rab5가 **PI3K (PI 3-kinase)**를 effector로 모집
PI3K가 PI(3)P 생성 → PI(3)P-binding protein 추가 모집
Self-amplifying loop: Rab5-GTP가 더 많은 Rab5-GTP를 모집
PI(3)P enrichment가 early endosome의 identity 정의

Vesicle Tethering과 Docking

Long-range tethering:

Rab effector (filamentous protein)가 target membrane에서 vesicle을 먼 거리(200 nm)에서 포착
Vesicle의 Rab-GTP와 target membrane의 Rab effector가 상호작용
이때 vesicle의 Rab과 target membrane의 Rab은 같은 종류여야 함

SNARE-mediated docking:

Rab effector가 SNARE를 선택적으로 결합
v-SNARE와 t-SNARE pairing 촉진 → membrane fusion 유도

Rab inactivation:

Fusion 후 Rab GAP가 Rab-GTP를 가수분해 → Rab-GDP
GDI가 Rab-GDP를 membrane에서 추출 → cytosol로 복귀

Rab5→Rab7 Cascade

Rab5-associated membrane patch가 시간이 지나면서 Rab7-associated patch로 교체
이 전환이 일방향적이고 비가역적: early endosome → late endosome 성숙
Rab5→Rab7 전환 실패 시 cargo가 lysosome에 도달 불가

10. SNARE Proteins: Membrane Fusion

SNARE protein은 vesicle과 target membrane의 융합을 직접 촉매한다.

Fusion 5단계

Membrane Apposition: 두 membrane이 tight하게 lock
Expels water molecules
- SNARE pairing의 stability가 energy 제공
Stalk Formation:
Hemifusion:
- New bilayer 형성 (hemifusion 또는 half-fusion)
New bilayer rupture:
- Complete fusion reaction

SNARE-mediated fusion의 에너지는 궁극적으로 NSF의 ATP hydrolysis에서 유래. NSF가 SNARE를 분리하는 데 ATP 소비 → 분리된 SNARE가 다시 assembly하며 fusion을 drive하는 cycle.

Homotypic vs Heterotypic Fusion

Heterotypic fusion (대부분의 경우): 서로 다른 compartment의 membrane이 융합. v-SNARE + t-SNARE pairing
Homotypic fusion: 같은 종류의 membrane끼리 융합. 양쪽 membrane에 v-SNARE와 t-SNARE 모두 존재
- 예: ER-derived vesicle끼리 융합하여 VTC 형성, endosome끼리 융합

Synaptic Vesicle의 특수한 SNARE

Component:

v-SNARE: Synaptobrevin (transmembrane)
t-SNARE: Syntaxin (transmembrane, 1 helix) + SNAP25 (peripheral, 2 helices)

조절 메커니즘 (Complexin + Synaptotagmin):

SNARE partially assemble → primed state
Complexin이 premature fusion 방지 (metastable state로 freeze)
Ca²⁺ influx → Synaptotagmin (Ca²⁺ sensor) 활성화
Complexin release
SNARE fully zipper → rapid fusion
Neurotransmitter release (millisecond scale)

11. ER-to-Golgi Transport

ER에서 Golgi로의 수송은 COPII vesicle을 통해 이루어진다.

12. Vesicular Tubular Cluster (VTC)

VTC는 ER에서 Golgi로 이동하는 중간 수송 구획이다.

형성

COPII-coated vesicle이 coat를 shed한 후 homotypic fusion (SNARE mediated)
Convoluted 모양의 vesicular tubular cluster 형성
지속적으로 새로 생성되어 ER → Golgi로 material 운반

Golgi로의 이동

Microtubule을 따라 motor protein에 의해 Golgi로 이동
VTC가 Golgi와 fusion하여 cargo 전달

13. Retrieval Pathway: ER Resident Protein 회수

Retrieval pathway는 실수로 ER을 떠난 단백질을 되돌리는 경로이다.

COPI-coated Vesicle

VTC에서 즉시 COPI-coated vesicle budding 시작
COPI coat의 특징: inner + outer coat가 coatomer라는 preassembled complex로 한 번에 recruit

ER Retrieval Signal

막 단백질 신호: KKXX

C-terminal에 two lysine + any two amino acid: KKXX sequence
COPI coat에 직접 결합 → COPI vesicle로 ER 귀환
ER-Golgi interface에서 기능하는 SNARE, cargo receptor에서 발견

가용성 단백질 신호: KDEL

C-terminal의 KDEL sequence (Lys-Asp-Glu-Leu)
BiP 등 soluble ER resident protein이 보유
KDEL receptor (multipass transmembrane protein)가 인식 → COPI vesicle로 packaging

KDEL receptor cycling:

Golgi (pH ~6.5–6.7): KDEL sequence에 강하게 결합 → COPI vesicle로 ER 귀환
ER (pH ~7.2): 약한 결합 → KDEL-bearing protein 방출
Critical histidine: Golgi의 낮은 pH에서 protonated → KDEL과의 interaction 강화
KDEL receptor가 ER↔Golgi 사이를 shuttle하며 escaped protein 회수

14. Golgi Apparatus

Golgi apparatus는 secretory pathway의 중심 processing 기관이다.

Cis/Medial/Trans 구획

구획	위치	주요 기능
Cis Golgi	ER에 가장 가까운 면	M6P tagging, 초기 processing
Medial cisternae	중간	중간 단계 glycosylation
Trans Golgi	ER에서 먼 면	최종 glycosylation 완성
TGN	Trans cisterna와 연속	단백질 sorting 및 발송

초기 작용 효소: 주로 cis cisternae
나중 작용 효소: 주로 trans cisternae
효소 분포는 stack 전체에 graded 방식으로 분포

N-linked Oligosaccharide Processing

구획	가공
Cis + Medial	Mannose 제거, N-acetylglucosamine 추가
Trans + TGN	Galactose 추가, Sialic acid 추가

모든 Golgi glycosidase/glycosyl transferase: single-pass transmembrane protein
기질: 활성화된 sugar nucleotide (UDP-GlcNAc, UDP-Gal, CMP-NANA)

Cisternal Maturation Model vs. Vesicle Transport Model

모델	특징
Vesicle transport model	Cisternae는 고정. Cargo가 vesicle로 앞 방향 이동
Cisternal maturation model	Cisternae 자체가 cis→trans로 이동하며 성숙. Golgi enzyme은 COPI vesicle로 역행 이동하여 위치 유지

Cisternal maturation model이 지지되는 이유:

Procollagen처럼 vesicle에 포장하기 너무 큰 cargo의 이동이 관찰됨
COPI vesicle은 Golgi enzyme의 역행 수송 담당 (cargo는 남고 enzyme이 이동)
organelle identity가 순차적으로 변화

요약 흐름도

ER exit site
    ↓ (COPII vesicle)
Vesicular Tubular Cluster (VTC)
    ↓ (microtubule transport)
Cis Golgi → Medial → Trans → TGN
    ↑
COPI retrograde vesicle (Golgi enzyme 역행, ER retrieval)
    ↑
KKXX / KDEL signal로 회수

Quartz 4

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