Phosphatidylinositol(PI) and Phosphoinositides(PIPs)

개요

Phosphoinositides (PIPs)는 membrane의 약 10% 미만을 차지¹하지만 중요한 regulatory function을 가진다. 이들은 organelle과 membrane domain의 molecular marker로 작용하며, vesicle transport의 여러 단계를 조절한다.

구조와 생성

PI(3,4,5) P3=phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate²

Phosphatidylinositol (PI)

• Inositol sugar head group을 가진 phospholipid³
• Head group의 3’, 4’, 5’ position에 free hydroxyl group 존재

Phosphoinositide (PIP) 생성

Inositol ring의 hydroxyl group이 phosphorylation되어 다양한 PIP 생성:

• PI 3-kinase: PI → PI(3)P
• PI 4-kinase: PI → PI(4)P
• PI 5-kinase: PI(4)P → PI(4,5)P₂
• 추가 phosphorylation으로 PI(3,4)P₂, PI(3,5)P₂, PI(3,4,5)P₃ 등 생성

Compartment-specific Distribution

각 organelle은 특정 PI와 PIP kinase 및 phosphatase를 가진다: 모두 cytosolic leaflet에 위치함.

Distribution Pattern

• Plasma membrane: PI(4,5)P₂ enriched
• Early endosome: PI(3)P enriched
• Late endosome: PI(3)P와 PI(3,5)P₂
• Golgi apparatus: PI(4)P
• ER: PI predominant

Enzyme Localization

• PI and PIP kinase와 PIP phosphatase의 distribution이 highly compartmentalized
• 이들 enzyme의 distribution, regulation, local balance가 각 PIP species의 steady-state distribution 결정

PIP-binding Domain을 통한 Protein Recruitment

많은 protein이 특정 PIP의 head group에 high specificity로 결합하는 domain 보유: 예를 들어, phagocytosis는 PI(4,5)P₂ , PI(3,4,5)P₃ 가 진행하기 위한 주요 Phosphatidiylinositides 신호로 작용함.

Recognition Specificity

• 서로 다른 phosphorylation form을 구별
• 예: PI(3)P-binding domain은 PI(4)P나 PI(4,5)P₂와 결합하지 않음

Functional Consequences

Local PIP kinase와 phosphatase 조절을 통해:

1. 특정 PIP 생성
2. PIP-binding domain을 가진 protein이 membrane으로 recruit
3. 이들 protein이 vesicle formation 등의 process 조절

Vesicle Transport에서의 역할

Coat Assembly 개시

Clathrin coat at plasma membrane:

1. PI 5-kinase가 PI(4)P → PI(4,5)P₂ 전환
2. AP2 adaptor protein이 PI(4,5)P₂ 인식
3. AP2가 conformational change하여 cargo binding site expose
4. Clathrin coat assembly 시작

COPII coat at ER:

• Sar1 GEF는 ER membrane에 embedded
• Local PIP가 Sar1 activation site 표시

Coat Disassembly

Vesicle budding 후:

1. Phosphoinositide phosphatase가 vesicle 내부에서 작용
2. PIP depletion
3. Adaptor protein의 membrane binding 약화
4. Coat disassembly 촉진

Vesicle Trafficking 조절

각 vesicle transport event와 연관된 특정 PIP:

• Secretory vesicle: PI(4)P 함유
  • Plasma membrane fusion 시 PI 5-kinase가 PI(4)P → PI(4,5)P₂
  • PI(4,5)P₂가 clathrin-coated pit formation 촉진 (endocytosis)
• Endocytic vesicle: PI(4,5)P₂에서 시작
  • Early endosome 도달 후 PI(5)P phosphatase가 작용
  • Vesicle uncoating 촉진

Membrane Domain 정의

PIP distribution은 continuous membrane 내에서도 vary:

• Specialized membrane domain 정의
• 같은 organelle 내 서로 다른 region 구별
• 예: Early endosome의 tubular domain vs vacuolar domain

Signaling에서의 역할

Vesicle transport 외에도 PIP는 intracellular signaling에 중요:

• Extracellular signal 응답으로 특정 PIP 생성
• Specific signaling protein을 plasma membrane으로 recruit
• 이는 vesicle transport와 유사한 전략 사용

관련 내용

• AP2의 PIP-dependent activation
• Clathrin coat assembly
• Vesicle formation 메커니즘
• Coat-recruitment GTPase
• Endocytosis

Footnotes

1. (1) 세포막을 이루는 인지질의 50%정도를 차지한다 ↩

2. PI(3,4,5) P3를 phosphatidylinositol 3,4,5-tri-phosphate 라고 읽는다. ↩

3. 인지질의 글리세롤 대신 이노시톨 (inositol)이 붙어있는 것이 PI이다. ↩