GPI Anchor

개요

Glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor는 일부 plasma membrane 단백질이 막에 부착되는 특별한 방식이다. 이 단백질들은 C-말단에 공유결합으로 연결된 GPI anchor를 통해 막의 외부 표면에 부착된다.

GPI Anchor의 구조

GPI anchor는 다음과 같은 구성 요소로 이루어진 복잡한 glycolipid 구조이다:

• Inositol: lipid에 부착되어 있으며, 이로부터 GPI anchor의 이름이 유래
• Glucosamine: Inositol에 연결
• 3개의 Mannose: sugar chain 형성
• Phosphoethanolamine: terminal mannose에 연결되어 단백질 부착을 위한 amino group 제공
• Lipid 부분: 막에 anchor를 고정

GPI Anchor 부착 메커니즘

1단계: 초기 단백질 합성 및 ER Signal Sequence 인식

• GPI-anchored protein은 N-말단에 ER signal sequence를 가지고 합성된다
• 이 signal sequence가 단백질을 ER로 유도한다
• Signal peptidase가 signal sequence를 제거한다

2단계: ER 막 통합

• 단백질은 single-pass transmembrane protein처럼 ER 막에 통합된다
• C-말단 근처의 hydrophobic sequence (15-20개 amino acid)이 단백질을 막에 고정
• 나머지 단백질 부분은 ER lumen에 위치

3단계: Transamidase에 의한 GPI anchor 부착

단백질 합성 완료 직후 (1분 이내), transamidase enzyme complex가 다음과 같은 반응을 촉매한다:

1. 절단 반응: C-말단 hydrophobic sequence를 단백질에서 제거
2. 부착 반응: 미리 조립된 GPI intermediate를 새로운 C-말단에 동시에 부착

이 반응은 ER에서 일어나며, GPI intermediate의 phosphoethanolamine에 있는 amino group이 단백질의 새로운 C-말단과 amide bond¹를 형성한다.

4단계: 막 부착 유지

• 공유결합으로 연결된 lipid anchor로 인해 단백질은 막에 결합된 상태를 유지
• 모든 amino acid가 처음에는 ER의 lumenal 면에 노출
• 최종적으로 plasma membrane의 외부 표면에 노출

GPI Anchor 부착 신호

단백질이 GPI anchor를 받기 위해서는 특정 signal이 필요하다:

• C-말단 hydrophobic sequence
• 이 sequence에 인접한 ER lumenal 면의 몇 개 amino acid
• 이 signal을 다른 단백질에 추가하면, 그 단백질도 GPI anchor modification을 받는다

기능적 의미

1. 막으로부터의 방출

• Plasma membrane의 특정 phospholipase가 활성화되면 GPI anchor가 절단될 수 있다
• 이를 통해 단백질이 soluble form으로 세포에서 방출된다
• 예: Trypanosome parasite는 면역계 공격 시 이 mechanism을 사용하여 GPI-anchored surface protein coat을 벗겨낸다

2. 막 Domain으로의 구획화

• GPI anchor는 일부 plasma membrane 단백질을 specialized domain으로 유도한다
• Lipid Rafts과 같은 구조에 단백질을 laterally segregate
• 다른 membrane protein과의 spatial separation 제공

관련 개념

• Transmembrane Protein Insertion
• ER Protein Processing
• Membrane Protein Topology
• Lipid Rafts
• Plasma Membrane

요약

GPI anchor는 단백질을 막에 부착하는 독특한 방법이다. ER에서 transamidase가 단백질의 C-말단 hydrophobic sequence를 절단하고 동시에 미리 조립된 GPI intermediate를 부착한다. 이를 통해 단백질은 covalent lipid anchor를 통해 막에 결합되며, 필요시 방출되거나 특정 membrane domain으로 구획화될 수 있다.

Footnotes

1. **아마이드 결합(Amide bond)**은 하나의 아미노산에 있는 **카복실기($-COOH$)**와 다른 아미노산의 **아미노기($-N{H}_2$)**가 반응하여 물 분자($H_{2}O$) 하나가 빠져나오면서 형성되는 화학 결합입니다.

   생물학에서는 단백질을 구성하는 기본 결합이기 때문에 **펩타이드 결합(Peptide bond)**이라고도 부릅니다.

   ---

   1. 화학적 구조

   아마이드 결합은 특징적인 $-CONH-$ 구조를 가집니다.

   • 카보닐기($C=O$): 탄소와 산소가 이중 결합을 하고 있습니다.

   • 아미노기($N-H$): 질소와 수소가 결합되어 있습니다.

   • 이 두 기가 서로 연결되어 탄소-질소($C-N$) 단일 결합을 형성합니다.

   $R_1-COOH+R_2-N{H}_2\to R_1-CONH-R_2+H_{2}O$ ↩