Raft Domain
Raft domain (lipid raft)은 plasma membrane의 specialized domain으로, 특정 lipid와 membrane protein이 일시적으로 clustering되어 형성되는 영역이다. Fluidity of a lipid bilayer에도 불구하고, 세포는 특정 조성을 가진 membrane domain을 형성할 수 있다.
Domain 형성의 기초
Lipid Bilayer의 균질성
Lipid bilayer는 2차원 fluid이기 때문에:
- 대부분의 lipid molecule type이 잘 섞이고 자신의 monolayer에 무작위로 분포될 것으로 예상
- 이웃 hydrocarbon tail 사이의 van der Waals attractive force는 phospholipid molecule group을 함께 유지할 만큼 충분히 selective하지 않음
Phase Separation
특정 lipid 혼합물을 가진 artificial bilayer에서:
- Phase transition 관찰 가능
- 특정 lipid끼리 모이는 lateral segregation으로 이어짐
- Separate domain에 특정 lipid가 함께 옴
위 그림은 artificial lipid bilayer에서의 lateral phase separation을 보여준다:
(A) 균일한 bilayer:
- 1:1 혼합의 phosphatidylcholine과 sphingomyelin
- 균일한 bilayer 형성
(B) 분리된 phase:
- 1:1:1 혼합의 phosphatidylcholine, sphingomyelin, Cholesterol
- 두 개의 분리된 phase를 가진 bilayer 형성
- Liposome은 한 phase로 우선적으로 분할되는 fluorescent dye의 trace concentration으로 염색됨
중요한 점:
- 이 거대 artificial liposome에서 형성되는 domain의 평균 크기는 세포막에서 예상되는 것보다 훨씬 큼
- Lipid raft는 몇 nanometer 직경만큼 작을 수 있음
Phase Transition의 원리
이러한 경우 lipid molecule 사이의 attractive force가:
- Domain에 집중시키는 것과 관련된 entropic cost를 능가함
- Phase transition이 bilayer의 균질성을 다른 특성을 가진 domain의 patchwork로 깨뜨림
살아있는 세포에서의 Lipid Raft
논쟁
세포 생물학자들 사이에서 오랜 논쟁이 있었다:
- 살아있는 세포의 plasma membrane에서 lipid molecule이 유사하게 specialized domain으로 분리되는가?
관찰 결과
대규모 lipid phase segregation:
- 살아있는 세포 membrane에서 드물게 관찰됨
실제 양상:
- 많은 lipid와 membrane protein이 균일하게 분포하지 않음
- 특정 membrane protein과 lipid가 더 일시적이고 동적인 방식으로 집중됨
- Protein-protein interaction에 의해 촉진됨
- Specialized membrane region의 일시적 형성 허용
Raft Domain의 특성
위 그림은 raft domain의 model을 보여준다:
Cluster 형태:
- Tiny nanocluster: 몇 개의 molecule 규모
- Larger assembly: Electron microscopy로 볼 수 있음 (예: caveolae)
구성 성분: Weak protein-protein, protein-lipid, lipid-lipid interaction이 서로 강화하여:
- Interacting component를 raft domain으로 분할
- Cholesterol 농축
- Sphingolipid 농축
- Glycolipid 농축
- Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored protein 농축
- 일부 transmembrane protein 농축
물리적 특성:
- 조성으로 인해 membrane thickness 증가
- Oligosaccharide linker 포함
형성 메커니즘
Artificial bilayer에서 보이는 lipid 혼합물의 phase transition 경향이:
- 살아있는 세포 membrane에서 raft 생성을 도울 수 있음
목적:
- Transport: Membrane vesicle에서의 transport를 위해 membrane protein 조직화 및 집중
- Protein assembly: Signaling을 위해 함께 작동하는 protein assembly
- Extracellular signal을 intracellular signal로 변환
기능적 역할
Raft domain은 세포막의 여러 중요한 과정에 관여한다:
1. Membrane Traffic
- Membrane vesicle에서 protein 조직화
- Specific protein의 transport 촉진
- Vesicle formation과 targeting 조절
2. Cell Signaling
- Signal transduction에 필요한 protein 집중
- Receptor와 signaling protein의 clustering
- Extracellular signal의 intracellular signal로의 효율적 변환
3. Cell Adhesion
- Cell-cell adhesion process에 관여
- GPI-anchored protein의 localization
- Membrane-bound lectin의 조직화
Domain의 동적 특성
Raft domain의 중요한 특성:
- 일시적 (Transient): 지속적으로 존재하지 않고 필요에 따라 형성/해체
- 동적 (Dynamic): Protein-protein interaction에 의해 조절됨
- 작은 규모 (Nanoscale): 몇 nanometer에서 수백 nanometer
- 기능 특화 (Functionally specialized): 특정 cellular process를 위해 조직화됨