Membrane Bending Protein
Cell membrane은 다양한 형태를 가진다. 진핵세포의 정교하고 다양한 cell-surface protrusion과 membrane-enclosed organelle의 구조가 이를 보여준다. Flat sheet, narrow tubule, round vesicle, fenestrated sheet, pita-bread-shaped cisterna가 모두 가능하며, 종종 같은 continuous bilayer의 서로 다른 영역에 다양한 형태가 존재한다.
Membrane Shape의 동적 조절
Membrane shape는 동적으로 조절된다:
- Vesicle budding
- Cell movement
- Cell division 과 같은 많은 필수 세포 과정이 정교한 일시적 membrane 변형을 필요로 한다.
Shape 결정 요인
많은 경우 membrane shape는 다음에 의해 영향받는다:
- Cytoskeletal structure의 dynamic pushing and pulling force
- Extracellular structure
Membrane-bending protein의 역할:
- 이러한 변형을 생성하는데 중요한 역할
- Local membrane curvature 조절
- 종종 cytoskeletal dynamics와 함께 작용
Membrane-bending Protein의 작용 메커니즘
Membrane-bending protein은 필요에 따라 특정 membrane region에 부착하며, 세 가지 주요 메커니즘 중 하나 이상으로 작용한다:
1. Hydrophobic Domain Insertion
메커니즘:
- 일부 protein이 hydrophobic protein domain 또는 attached lipid anchor를 bilayer의 한 leaflet에 삽입
- 한 leaflet의 면적만 증가
- Membrane이 bend되도록 함
위 그림 (B)는 protein의 hydrophobic region이 한 monolayer로 wedge로 삽입되어 lipid head group을 pry apart하는 것을 보여준다. 이러한 region은 그림처럼 amphiphilic helix 또는 hydrophobic hairpin일 수 있다.
예시:
- Endoplasmic reticulum의 convoluted network of narrow tubule을 형성하는 protein
- 이 방식으로 작동
2. Rigid Scaffold Formation
메커니즘:
- 일부 membrane-bending protein이 rigid scaffold 형성
- Membrane을 deform하거나
- 이미 bent된 membrane을 stabilize
위 그림 (C)는 protein의 curved surface가 lipid head group에 결합하여 membrane을 deform하거나 curvature를 stabilize하는 것을 보여준다.
예시:
- Intracellular transport에서 budding vesicle을 shape하는 coat protein
- 이 class에 속함
3. Lipid Clustering
메커니즘: Cone-shaped과 inverted cone-shaped lipid의 비대칭 분포:
- Inner 또는 outer leaflet에서
- Membrane bending 유발 가능
일부 membrane-bending protein이:
- 특정 membrane lipid를 cluster하도록 유도
- Membrane curvature를 induce
위 그림 (D)는 protein이 큰 head group을 가진 lipid에 결합하고 cluster하여 membrane을 bend하는 것을 보여준다.
Lipid의 Curvature Induction: Lipid가 positive 또는 negative membrane curvature를 induce하는 능력은:
- Head group과 hydrocarbon tail의 상대적 cross-sectional area에 의해 결정됨
예시:
-
Phosphoinositide:
- 큰 head group을 가짐
- Wedge-shaped lipid molecule
- 한 bilayer leaflet의 domain에 축적되면
- Positive curvature induce
-
Phospholipase가 처리한 lipid:
- Lipid head group 제거
- Inversely shaped lipid molecule 생성
- Negative curvature induce
Membrane-bending Protein의 협력
종종 서로 다른 membrane-bending protein이 협력하여:
- 특정 curvature 달성
- 예: Budding transport vesicle의 shaping
다양한 메커니즘이 결합되어:
- 복잡한 membrane shape 생성
- 동적 membrane remodeling 조절
기능적 중요성
Membrane-bending protein은 여러 중요한 세포 과정에 필수적이다:
1. Vesicle Formation
Transport vesicle:
- Coat protein이 scaffold 역할
- Specific lipid가 curvature 유도
- Membrane이 bud하여 vesicle 형성
2. Organelle Shaping
Endoplasmic reticulum:
- Tubule을 형성하고 유지
- Hydrophobic domain insertion 메커니즘 사용
- Network structure 생성
3. Cell Movement
Membrane protrusion:
- Filopodia와 lamellipodia 형성
- Membrane-bending protein과 actin polymerization 협력
4. Cell Division
Cytokinesis:
- Membrane이 constrict되어 두 daughter cell 분리
- Membrane bending이 필수
5. Membrane Fusion and Fission
Fusion event:
- 두 membrane이 합쳐짐
- Highly curved intermediate structure 형성
Fission event:
- Membrane이 분리됨
- Neck region의 high curvature 필요