Restricting Domain of Membrane Protein
세포는 Membrane protein과 lipid molecule을 continuous lipid bilayer 내의 특정 domain에 국한시키는 여러 방법을 가지고 있다. 생물학적 membrane이 2차원 fluid라는 인식은 membrane 구조와 기능 이해에 중요한 진보였지만, 모든 protein이 lipid sea에서 자유롭게 떠다니는 그림은 크게 단순화된 것이다.
Domain 형성의 예시
1. 2차원 결정 (Bacteriorhodopsin)
Halobacterium의 Purple Membrane:
- Bacteriorhodopsin molecule이 큰 2차원 결정으로 조립됨
- 개별 protein molecule이 서로에 대해 상대적으로 고정됨
- 매우 느리게 확산함
위 그림은 archaeon Halobacterium salinarum의 purple membrane patch를 보여준다:
- (A) 이 archaea는 saltwater pool에서 살며 햇빛에 노출됨
- Bacteriorhodopsin을 포함한 다양한 light-activated protein이 진화함
- Bacteriorhodopsin은 plasma membrane의 light-activated H⁺ pump
- (B) Purple membrane patch의 bacteriorhodopsin molecule이 2차원 crystalline array로 tightly packed됨
- (C, D) Atomic force microscopy로 개별 bacteriorhodopsin molecule 확인 가능
2. ATP Synthase 복합체
Mitochondria inner membrane의 ATP synthase complex:
- 긴 double row로 associate
- Large aggregate로 형성
- 매우 느리게 확산
3. Epithelial Cell의 Domain
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Epithelial cell (장이나 신장 tubule을 lining):
- 특정 plasma membrane enzyme과 transport protein이 apical surface에 국한됨
- 다른 것들은 basal과 lateral surface에 국한됨
위 그림은 epithelial cell에서 membrane molecule이 특정 membrane domain에 어떻게 제한될 수 있는지 보여준다:
- Protein A (apical domain)와 protein B (basal/lateral domain)는 자신의 domain에서 laterally diffuse 가능
- Tight junction에 의해 다른 domain으로 들어가는 것이 방지됨
- Outer (extracellular) monolayer의 lipid molecule도 두 domain 사이를 확산할 수 없음
- Inner (cytosolic) monolayer의 lipid는 확산 가능
기능적 중요성:
- Membrane protein의 비대칭 분포는 종종 epithelium의 기능에 필수적
- Lipid 조성도 이 두 membrane domain에서 다름
메커니즘:
- Specific type의 intercellular junction (tight junction)에 의해 설정된 장벽
- Protein과 lipid molecule 모두의 분리 유지
4. Spermatozoon의 Domain
포유류 정자세포:
- 단일 세포가 여러 구조적, 기능적으로 구별되는 부분으로 구성됨
- Continuous plasma membrane으로 덮여 있음
위 그림은 guinea pig sperm의 plasma membrane에서 세 개의 domain을 보여준다:
- (A) Sperm의 drawing
- (B-D) Phase-contrast micrograph (왼쪽)와 cell-surface immunofluorescence staining (오른쪽)
- 서로 다른 monoclonal antibody가 선택적으로 labeling:
- (B) Anterior head
- (C) Posterior head
- (D) Tail
특성:
- Plasma membrane이 최소한 세 개의 distinct domain으로 구성됨
- 일부 membrane molecule은 자신의 domain 범위 내에서 자유롭게 확산 가능
- Domain을 떠나지 못하게 하는 “fence”의 분자적 특성은 대부분 알려지지 않음
5. Nerve Cell의 Domain
Nerve cell plasma membrane:
- Cell body와 dendrite를 둘러싸는 domain
- Axon을 둘러싸는 또 다른 domain
메커니즘:
- Actin filament의 belt가 cell-body-axon junction에서 plasma membrane과 tightly associate
- Barrier의 일부 형성
Membrane Protein 고정 메커니즘
위 그림은 특정 plasma membrane protein의 lateral mobility를 제한하는 네 가지 일반적인 방법을 보여준다:
1. Self-assembly
(A) Large Aggregate 형성:
- Protein이 large aggregate로 self-assemble
- 예: Halobacterium salinarum의 purple membrane에서 bacteriorhodopsin
2. Tethering to Extracellular Macromolecule
(B) 세포 외부의 Macromolecule Assembly에 Tether:
- Membrane protein이 세포 외부의 macromolecule assembly와 상호작용으로 tether됨
3. Tethering to Intracellular Macromolecule
(C) 세포 내부의 Macromolecule Assembly에 Tether:
- Membrane protein이 세포 내부의 macromolecule assembly와 상호작용으로 tether됨
- Cortical cytoskeleton이 주요 역할
4. Interaction with Another Cell
(D) 다른 세포 표면의 Protein과 상호작용:
- Membrane protein이 다른 세포 표면의 protein과 상호작용
Corralling by Cortical Cytoskeleton
Corral 형성
Cortical cytoskeleton은 plasma membrane protein의 확산을 제한한다:
메커니즘:
- Cytoskeletal filament가 plasma membrane의 cytosolic surface에 밀접하게 apposed됨
- Mechanical barrier 형성
- Membrane을 작은 domain 또는 corral로 partition
위 그림은 cortical cytoskeletal filament에 의한 plasma membrane protein의 corralling을 보여준다:
- (A) Filament가 membrane을 작은 domain (corral)로 나누는 diffusion barrier 제공
- (B) High-speed single-particle tracking으로 한 type의 형광 labeled membrane protein의 경로를 시간에 따라 추적
- 개별 protein molecule이 tightly delimited membrane domain 내에서 확산
- 드물게 이웃 domain으로 escape (색 변화로 표시)
Corral의 특성:
- Permanent (예: sperm)
- 또는 transient일 수 있음
Escape 메커니즘:
- 드물게 thermal motion이 몇 개의 cortical filament를 membrane에서 일시적으로 detach시킴
- Protein이 인접한 corral로 escape 허용
Confinement 정도
Transmembrane protein이 corral 내에 국한되는 정도는 다음에 의존:
- 다른 protein과의 association
- Cytoplasmic domain의 크기
큰 cytosolic domain:
- Cytoskeletal barrier를 통과하기 더 어려움
예시: Cell-surface Receptor
- Extracellular signal molecule에 결합
- Large protein complex가 receptor의 cytosolic domain에 형성
- Receptor가 corral에서 escape하기 더 어려워짐
기능:
- Corralling이 signaling complex를 집중시키는데 도움
- Signaling process의 속도와 효율 증가