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Retrieval Pathway to the ER

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Retrieval Pathway to the ER

KDEL COPI

개요

Retrieval pathway는 ER을 실수로 떠난 protein을 다시 ER로 되돌리는 transport system이다.123 이 pathway는 각 compartment의 identity를 유지하는 데 essential하다.

COPI-coated Vesicle

Retrieval pathway는 COPI-coated vesicle에 의해 매개된다.345

Budding Sites

COPI vesicle budding 발생 위치:

  • Vesicular tubular cluster: ER vesicle fusion 직후 시작
  • Golgi cisternae: 각 cisterna에서 budding
  • cis Golgi network: 주요 retrieval site
  • trans Golgi network: 일부 protein return

Cargo

COPI vesicle이 운반하는 cargo:

  1. Escaped ER resident protein

    • Soluble ER protein
    • ER membrane protein

  2. Recycled machinery

    • Cargo receptor
    • SNARE protein
    • Coat component

  3. Golgi resident protein

    • 다음 cisterna로 잘못 이동한 경우
    • Appropriate cisterna로 return

Signals

Retrieval pathway는 specific signal에 의존한다.

Membrane Protein Signal: KKXX

=ER resident membrane protein34 Structure:

  • C-terminal end에 위치
  • K-K-X-X: Two lysine + any two amino acid
  • Single-letter code 사용

Mechanism:

  1. KKXX sequence가 COPI coat에 directly bind34
  2. Protein이 COPI-coated vesicle에 package
  3. ER로 retrograde delivery
  4. ER에 도달하여 release

Protein examples:

  • ER membrane protein
  • v-SNARE와 t-SNARE (ER-Golgi interface에서 기능)
  • Some cargo receptor

Soluble ER resident Protein Signal: KDEL

Structure:

  • C-terminal end에 위치34
  • K-D-E-L: Lys-Asp-Glu-Leu
  • 또는 유사한 sequence

Protein examples:

  • BiP (ER chaperone)
  • Other soluble ER resident protein

Genetic engineering evidence:

  • KDEL 제거: Protein slowly secreted
  • KDEL 추가: Normally secreted protein이 ER accumulate

KDEL Receptor

Soluble protein의 retrieval은 KDEL receptor 필요.

Structure

  • Multipass transmembrane protein
  • Luminal domain: KDEL sequence 인식34
  • Cytosolic domain: COPI coat binding34

Cycling Mechanism

ER → Golgi:

  1. KDEL receptor가 ER membrane에 위치3
  2. Forward transport pathway로 Golgi에 도달3
  3. Low pH in Golgi

Golgi에서:

  1. KDEL-bearing protein 인식
  2. Receptor–ligand complex 형성
  3. COPI coat recruitment
  4. COPI vesicle에 package

Golgi → ER:

  1. COPI vesicle이 ER로 이동
  2. ER에 fusion
  3. Higher pH in ER
  4. Ligand release
  5. Free receptor는 다시 Golgi로

pH-dependent Affinity

Key feature:

  • Golgi (pH ~6.5-6.7): High affinity for KDEL34
  • ER (pH ~7.2): Low affinity for KDEL34

Molecular basis:

  • Critical histidine in KDEL receptor
  • Golgi의 lower pH에서 protonated4
  • Protonation이 KDEL sequence와의 interaction favor4
  • ER의 higher pH에서 deprotonated → weak binding4

Functional consequence:

  • Directional transport
  • Unidirectional retrieval
  • Efficient cycling

관련 내용

Footnotes

  1. 2021 중간 미상B번 — KDEL(soluble ER 단백질 회수)과 KKXX(막 단백질 회수) 신호를 이용한 ER retrieval pathway 개념이 선지 근거로 활용됨. ↩

  2. 2022 중간 27번 — COPI vesicle을 통한 ER retrieval 메커니즘과 KDEL receptor의 pH 의존적 결합이 정답 근거로 활용됨. ↩

  3. 2023 중간 5번 — ①번 선지: KDEL 신호서열은 COPI에 의해 운반된다 (틀림, KDEL 자체가 COPI에 결합하는 것이 아니라 KDEL receptor의 cytosolic tail에 있는 신호(KKXX-like)가 COPI에 결합); ②번 선지: ER 루멘은 골지체에서의 루멘과 비교하여 더 낮은 pH를 가지고 있다 (틀림, ER lumen pH ~7.2 > Golgi pH ~6.5); ③번 선지: ER로의 회수 과정에는 COPII가 coating 단백질로 작용한다 (틀림, ER retrieval은 COPI vesicle 사용, COPII는 ER→Golgi 전진 수송); ④번 선지: Soluble ER resident 단백질은 KKXX 신호서열을 가지고 있다 (틀림, soluble lumenal ER resident는 KDEL, 막 단백질이 KKXX 신호 보유); ⑤번 선지: KDEL receptor는 ER의 vesicle 그리고 골지체에 모두 위치한다 (맞음, KDEL receptor는 ER과 Golgi 사이를 순환, 정답). ↩ ↩2 ↩3 ↩4 ↩5 ↩6 ↩7 ↩8 ↩9 ↩10 ↩11

  4. 2025 중간 20번 — ①번 선지: KDEL 신호서열은 COPI 결합 신호이다 (틀림, KDEL은 KDEL receptor가 인식하는 신호, receptor의 KKXX-like tail이 COPI 결합); ②번 선지: ER로의 회수 과정에는 COPII가 coating 단백질로 작용한다 (틀림, COPI 사용); ③번 선지: KDEL receptor는 대부분 활성화되어 불활성화되지 않고 이동된다 (틀림, KDEL receptor는 재활용(recycled) 됨); ④번 선지: Soluble ER resident 단백질은 KKXX 신호서열을 가지고 있다 (틀림, KKXX는 transmembrane ER membrane 단백질의 신호, soluble은 KDEL); ⑤번 선지: ER 루멘은 골지체에서의 루멘과 비교하여 더 높은 pH를 가지고 있어 KDEL receptor가 cargo와 분리된다 (맞음, ER pH ~7.2에서 KDEL receptor가 KDEL 배위체를 낮은 친화도로 결합하여 cargo 방출, 정답). ↩ ↩2 ↩3 ↩4 ↩5 ↩6 ↩7 ↩8 ↩9 ↩10 ↩11

  5. 2025 중간 18번 — ⑤번 선지: COPI 코팅이 활성화되어 retrieval pathway(역행 수송)가 활성화되고 유지된다 (틀림, COPI는 PI(4)P/ARF에 의해 Golgi에서 활성화되며, 제시된 효소들은 PI(4,5)P₂를 분해하여 COPI와는 관련 없음). ↩

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