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Lipid anchor

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Lipid Anchor

Lipid anchor는 protein을 membrane에 부착시키는 covalently attached lipid group이다. 이러한 protein은 cytosol에서 수용성 protein으로 만들어진 후, lipid group의 공유 결합으로 membrane에 anchored된다.

Lipid Anchor의 종류

1. Fatty Acid Anchor

Fatty acid chain을 통한 membrane attachment는 두 가지 형태가 있다:

Myristoyl Anchor

구조:

  • 14-carbon saturated fatty acid chain (myristic acid)
  • Amide linkage를 통해 N-terminal glycine에 부착

부착 시기:

  • Ribosome에서 protein 합성 중
  • N-terminal amino group에 myristic acid 추가

예시:

  • Src family의 모든 cytoplasmic protein tyrosine kinase
  • 이 방식으로 myristoylated됨

Palmitoyl Anchor

구조:

  • 16-carbon saturated fatty acid chain (palmitic acid)
  • Thioester linkage를 통해 cysteine에 부착

특성:

  • 두 번째 lipid modification으로 종종 사용됨
  • Single lipid anchor만으로는 membrane attachment가 강하지 않음

예시:

  • 대부분의 Src kinase에서
  • Myristic acid와 palmitic acid 모두 부착됨

동적 조절:

  1. Extracellular signal에 반응하여 palmitic acid 부착
  2. Kinase를 plasma membrane으로 모집하는데 도움
  3. Signaling pathway가 꺼지면
  4. Palmitic acid 제거
  5. Kinase가 cytosol로 돌아감

2. Prenyl Anchor

구조:

  • Prenyl chain (farnesyl 또는 더 긴 geranylgeranyl chain)
  • Thioether linkage를 통해 cysteine residue에 부착
  • Cysteine는 처음에 protein의 C-terminus로부터 4번째 residue에 위치

Prenylation 과정:

  1. Prenyl group 부착
  2. Terminal 3개의 amino acid가 cleaved off
  3. 새로운 C-terminus가 methylated됨
  4. Membrane에 anchor 삽입

예시:

  • Ras family small GTPase
  • Myristic acid와 prenyl group, palmitic acid의 조합 사용
  • Plasma membrane으로 protein 모집

위 그림 (D-F)는 lipid anchor의 구조를 보여준다:

  • (D) Myristoyl anchor: 14-carbon saturated fatty acid chain
  • (E) Palmitoyl anchor: 16-carbon saturated fatty acid chain
  • (F) Farnesyl anchor: 15-carbon unsaturated hydrocarbon chain (3개의 5-carbon isoprenoid repeat으로 구성)

GPI Anchor

구조와 형성

Glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor:

  • Protein을 noncytosolic surface에 부착
  • Oligosaccharide linker를 통해
  • Outer monolayer의 phosphatidylinositol에 연결

형성 과정:

  1. Protein이 처음 ER에서 만들어지고 삽입됨
  2. C-terminus에 single transmembrane segment 보유 (예시 4와 유사)
  3. ER에 있는 동안
  4. Protein의 transmembrane segment가 cleaved off
  5. GPI anchor가 추가됨
  6. Protein이 ER membrane의 noncytosolic surface에만 anchor로 결합된 채로 남음
  7. Transport vesicle이 결국 protein을 plasma membrane으로 전달

위치

GPI-anchored protein은:

  • 오직 세포 표면에 노출됨
  • Plasma membrane의 noncytosolic surface에 위치
  • Lipid bilayer를 통과하지 않음

일시적 Membrane Association

많은 protein이 membrane에 일시적으로 부착한다:

1. Peripheral Membrane Protein

Classical peripheral membrane protein:

  • Regulated protein-protein interaction으로 membrane과 결합
  • Relatively gentle extraction procedure로 방출 가능:
    • 매우 높거나 낮은 ionic strength 용액
    • 극단적 pH
  • Protein-protein interaction은 방해하지만 lipid bilayer는 intact 유지

2. Conformational Change를 통한 전환

일부 protein은 soluble과 membrane protein 사이를 전환한다:

  • Conformational change가 hydrophobic peptide 노출
  • 또는 covalently attached lipid anchor 노출

Rab Protein Family 예:

  • Intracellular membrane traffic 조절하는 small GTPase
  • 결합된 nucleotide에 따라 switch

GDP-bound state:

  • Cytosol에서 가용성
  • 종종 GDP dissociation inhibitor (GDI)에 결합하여 안정화

GTP-bound state:

  • Lipid anchor가 노출됨
  • Membrane에 tether됨

결과:

  • 한 순간에는 membrane protein
  • 다음 순간에는 soluble protein
  • 이러한 highly dynamic interaction이 membrane 기능의 repertoire를 크게 확장

Functional Significance

Lipid anchor를 통한 membrane association은 protein 기능을 반영한다:

Signaling Protein

Intracellular signaling protein:

  • Plasma membrane의 cytosolic half에 결합
  • 하나 이상의 covalently attached lipid group으로
  • Fatty acid chain 또는 prenyl group 사용

신호 전달 조절:

  • Cell-surface receptor가 extracellular signal molecule에 결합
  • Large protein complex가 receptor의 cytosolic domain에 형성
  • Corral에서 escape하기 더 어려워짐
  • Corralling이 signaling complex 집중에 도움
  • Signaling process의 속도와 효율 증가

Membrane Protein Localization

Lipid anchor의 선택은 protein의 기능과 localization을 결정한다:

  • 한쪽 면에서만 기능하는 protein
  • 그 쪽 lipid monolayer 또는 protein domain에만 독점적으로 결합

관련 개념

GPI Anchor

GPI anchor

구조와 형성

Glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor:

  • Protein을 noncytosolic surface에 부착
  • Oligosaccharide linker를 통해
  • Outer monolayer의 phosphatidylinositol에 연결

형성 과정:

  1. Protein이 처음 ER에서 만들어지고 삽입됨
  2. C-terminus에 single transmembrane segment 보유 (예시 4와 유사)
  3. ER에 있는 동안
  4. Protein의 transmembrane segment가 cleaved off
  5. GPI anchor가 추가됨
  6. Protein이 ER membrane의 noncytosolic surface에만 anchor로 결합된 채로 남음
  7. Transport vesicle이 결국 protein을 plasma membrane으로 전달

위치

GPI-anchored protein은:

  • 오직 세포 표면에 노출됨
  • Plasma membrane의 noncytosolic surface에 위치
  • Lipid bilayer를 통과하지 않음

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