Receptor-mediated Endocytosis
대부분의 동물 세포에서 clathrin-coated pit과 vesicle은 세포외 fluid에서 특정 거대분자를 흡수하는 효율적인 경로를 제공한다.
메커니즘
Receptor-mediated endocytosis 과정에서:
- 거대분자가 complementary transmembrane receptor 단백질에 결합
- Receptor가 coated pit에 축적
- Receptor-거대분자 complex가 clathrin-coated vesicle로 세포에 들어감
Selective concentrating mechanism(선택적 농축 메커니즘)
Ligand가 receptor에 의해 선택적으로 포획되기 때문에, receptor-mediated endocytosis는:
- 선택적 농축 메커니즘 제공
- Coat pit 자체가 receptor에 연결된 AP2가 모여 생성하기 때문에 농축됨
- 특정 ligand의 내재화 효율을 100배 이상 증가시킴
- 세포외 fluid의 minor component도 대량으로 효율적으로 흡수 가능
Clathrin-coated Pit의 역할
Molecular Filter
Clathrin-coated pit은 molecular filter 역할을 한다:
- 특정 plasma membrane 단백질(receptor)를 다른 것보다 우선적으로 수집(AP2가 receptor의 cytosolic face의 부분을 선택적으로 인식.)
- 대부분의 plasma membrane 단백질은 clathrin-coated pit에 농축되지 못함
Multiple Receptor Types
Electron microscopy 연구는 다양한 labeled ligand에 동시에 노출된 배양 세포에서:
- 많은 종류의 receptor가 같은 clathrin-coated pit에 cluster될 수 있음
- 일부 다른 receptor는 다른 clathrin-coated pit에 cluster됨
- 하나의 clathrin-coated pit의 plasma membrane이 다양한 종류의 100개 이상의 receptor를 수용할 수 있음
Receptor의 특성
25개 이상의 서로 다른 receptor가 다양한 유형의 분자의 receptor-mediated endocytosis에 참여하는 것으로 알려져 있다.
Endocytosis Signal
모든 receptor는 clathrin-dependent internalization route를 사용하는 것으로 보이며:
- Cytoplasmic tail의 signal에 의해 clathrin-coated pit으로 안내됨
- Signal이 clathrin coat의 adaptor 단백질에 결합
Ligand 의존성
Constitutive Internalization
일부 receptor (예: LDL receptor):
- 특정 ligand를 결합했는지 여부와 관계없이 coated pit에 들어감
Ligand-induced Internalization
다른 receptor:
- 특정 ligand에 결합될 때 우선적으로 들어감
- Ligand-induced conformational change가 필요함을 시사
- Signal sequence를 활성화하여 pit으로 안내
Endocytosis 이후 receptor의 처리
cargo가 붙은 상태이든 아니든,
- degradation in endolysosome(소화중인 lysosome)
- transcytosis : 세포 반대편으로 cargo를 보냄. 위 그림에서는 intestinal lumen(관내강)에서 extracellular fluid로
- recycling transport vesicles : cargo를 처리하고 receptor를 재활용함. 다시 원 위치로.
LDL Receptor : 대표적 사례
Cholesterol 흡수
많은 동물 세포는 receptor-mediated endocytosis를 통해 cholesterol을 흡수한다:
- 새로운 막을 만드는 데 필요한 cholesterol의 대부분을 획득
- 흡수가 차단되면 혈액에 cholesterol이 축적
- 동맥벽의 atherosclerotic plaque 형성에 기여
- 동맥 혈류를 차단하여 stroke와 heart attack을 일으킬 수 있음
Atherosclerosis 연구
Atherosclerosis에 대한 강한 유전적 소인을 가진 인간에 대한 연구가 receptor-mediated endocytosis 메커니즘을 처음 밝혀냈다.
LDL (Low-Density Lipoprotein)
대부분의 cholesterol은 혈액에서 cholesterol ester로서 **low-density lipoprotein (LDL)**의 형태로 운반된다:
- 구조적으로 triacylglycerol core를 가진 lipid droplet과 유사
- Free cholesterol과 cholesterol ester 포함
- 단일 apolipoprotein B 분자에 의해 안정화됨
- 매우 큰 단백질이 LDL 입자를 감쌈
LDL Receptor-mediated Endocytosis
세포가 막 합성을 위해 cholesterol이 필요할 때:
- ER에서 LDL에 대한 transmembrane receptor 단백질 만듦
- Plasma membrane으로 운반
- LDL receptor가 diffuse함
- Cytoplasmic tail의 endocytosis signal이 adaptor 단백질 AP2에 결합
- AP2가 plasma membrane의 PI(4,5)P2에 결합하여 conformation unlock됨
- AP2가 clathrin을 recruit하여 endocytosis 시작
AP2 binding의 two-step 메커니즘은 과정에 효율성과 선택성을 부여한다.
LDL의 처리
Coated pit에 결합된 LDL 입자는:
- Coated pit이 지속적으로 pinch off하여 coated vesicle 형성
- 빠르게 내재화됨
- Coat을 shed한 후
- Early endosome으로 내용물 전달
- Early endosome의 낮은 pH에서:
- LDL이 receptor로부터 방출됨
- Late endosome을 거쳐 lysosome으로 전달됨
- Lysosome에서:
- LDL 입자의 cholesterol ester가 free cholesterol로 가수분해됨
- 새로운 막 합성에 사용 가능
Receptor 재활용
LDL receptor는 재활용된다:
- Early endosome의 tubular region에서 budding하는 transport vesicle로 회수됨
- Plasma membrane으로 직접 반환됨
- Occupied 여부와 관계없이 한 receptor는 일반적으로 10분마다 한 번씩 세포 안팎으로 왕복
- 20시간 수명 동안 최대 수백 번의 여행 가능
Cholesterol 조절
세포에서 너무 많은 free cholesterol이 축적되면:
- 내인성 cholesterol 합성을 동시에 차단
- LDL receptor 합성을 줄여 외인성 cholesterol 흡수를 감소시킴
유전적 결함
결함 있는 LDL receptor를 인코딩하는 유전자를 물려받은 개인:
- 높은 수준의 혈중 cholesterol
- Atherosclerosis를 조기에 발병하는 소인
- Coronary artery disease로 인한 심장 마비로 조기 사망할 수 있음
- Statin 등 혈중 cholesterol 수치를 낮추는 약물로 치료하지 않으면
Receptor 결함의 유형
일부 경우 receptor가 완전히 결여됨. 다른 경우 receptor가 결함적:
- 세포외 LDL binding site 결함
- Clathrin-coated pit의 AP2 adaptor 단백질에 대한 세포내 binding site 결함
후자의 경우:
- 정상적인 수의 LDL receptor 존재
- Clathrin-coated pit에 localize되지 못함
- LDL이 mutant 세포 표면에 결합하지만 내재화되지 않음
- Cholesterol 흡수를 위한 receptor-mediated endocytosis에서 clathrin-coated pit의 중요성을 직접 입증
Transferrin Receptor
Transferrin receptor는 LDL receptor와 유사한 재활용 경로를 따르지만, ligand도 재활용한다.
Transferrin의 역할
Transferrin은:
- 혈액에서 철을 운반하는 가용성 단백질
- Cell-surface transferrin receptor가 결합된 철과 함께 transferrin을 전달
- Receptor-mediated endocytosis로 early endosome으로 전달
철의 방출과 재활용
Endosome에서:
- 낮은 pH가 transferrin이 결합된 철을 방출하도록 유도
- 철 없는 transferrin (apotransferrin)은 receptor에 결합된 채로 남음
- Receptor-apotransferrin complex가 early endosome의 tubular extension으로 들어감
- Plasma membrane으로 재활용됨
- 세포외 fluid의 중성 pH로 돌아오면:
- Apotransferrin이 receptor로부터 dissociate됨
- 더 많은 철을 pick up하여 cycle을 다시 시작할 수 있게 됨
Transferrin은 세포외 fluid와 early endosome 사이를 왔다갔다 하며 shuttle하고:
- Lysosome을 피함
- 세포가 성장하고 증식하는 데 필요한 철을 세포 내부로 전달