Quartz 4

Experimental basis for the signal hypothesis

6 min read

ER로 유입되는 단백질에서 Signal sequence가 최초로 발견됨

ER은 합성되고 있는 동안 세포질에서 선택된 단백질들을 포획한다. 이러한 단백질들은 두 가지 유형이 있다:

  • Transmembrane protein: ER membrane에 내장되는 단백질
  • Water-soluble protein: ER membrane을 완전히 가로질러 ER lumen으로 이동하는 단백질

이러한 단백질 중 일부는 ER에서 기능하지만, 많은 단백질들은 다른 organelle, plasma membrane에 위치하거나 세포 외부로 분비되도록 운명지어져 있다. 이러한 단백질들은 이후의 운명과 관계없이 모두 초기에 ER signal sequence에 의해 ER membrane으로 향하게 된다.

Signal hypothesis의 실험적 근거

Sorting Signal과 signal sequence 전략은 먼저 ER membrane을 가로질러 translocation되는 분비형 수용성 단백질에서 발견되었다.

핵심 실험 (Cell-free system)

세포에서 추출한 cytosol에 분비 단백질을 암호화하는 mRNA를 첨가하는 실험이 수행되었다:

실험 1: Rough microsomes1 없이

  • Cytosol의 ribosome이 mRNA를 정상 분비 단백질보다 약간 더 큰 단백질로 번역함 실험 2: Rough ER에서 유래한 microsomes와 함께
  • 정확한 크기의 단백질이 생산되었고
  • Microsome 내부에 위치함

대조 실험: Cytosolic protein을 암호화하는 mRNA

  • Rough microsome의 존재 여부와 관계없이 정확한 크기의 산물 생산

Figure 12-18: Signal hypothesis의 실험적 근거. 시험관에서 cytosol을 분비 단백질을 암호화하는 mRNA와 혼합한다. 두 가지 버전의 반응이 수행된다: 하나는 ER에서 유래한 rough microsome이 없고, 다른 하나는 포함한다. 두 반응 모두에서 cytosol의 ribosome이 mRNA를 번역하여 단백질을 생산한다. Microsome이 없는 반응에서 생산된 단백질은 microsome을 포함한 반응에서 생산된 단백질보다 약간 더 컸다. 이 크기 차이는 microsome을 포함한 반응에서만 선택적으로 제거되는 N-terminus의 작은 단백질 segment 때문인 것으로 밝혀졌다. 추가 분석 결과 microsome 존재하에 생산된 단백질은 microsome lumen에 위치해 있었다. 여기서 하늘색 구멍이 translocator

Signal hypothesis 제안

이러한 관찰 결과를 설명하기 위해 signal hypothesis가 정식화되었다:

주요 개념

  1. Signal sequence의 존재
    • 분비 단백질의 mRNA는 최종 분비되는 단백질보다 큰 단백질을 암호화
    • 추가 polypeptide는 분비 단백질을 ER membrane으로 향하게 하는 signal sequence
  2. Signal sequence의 제거
    • Signal sequence가 기능을 완수한 후
    • Polypeptide chain이 완성되기 전에
    • ER membrane의 signal peptidase에 의해 절단됨

Translocation 과정

ER signal sequence가 ribosome에서 나타날 때

  1. Signal sequence가 ribosome을 ER membrane의 translocator로 향하게 함
  2. Translocator가 membrane을 가로지르는 pore를 형성
  3. Polypeptide가 이 pore를 통해 translocation됨

Translation 중:

  • Signal peptidase가 translocator와 밀접하게 연관되어 있음
  • Translation 중에 signal sequence를 절단함
  • 합성 완료 직후 성숙 단백질이 ER lumen으로 방출됨

Translocator의 특성:

  • Ribosome이 결합할 때까지 닫혀 있음
  • ER membrane의 투과성 장벽을 항상 유지

실험의 중요성

Cell-free system의 장점

이러한 실험들은 ER import와 같은 복잡한 세포 과정이 mRNA, cytosol, microsome과 같은 필수 세포 구성요소를 함께 혼합하여 cell-free system에서 재구성될 수 있음을 보여준다.

방법론적 기여

  • 구성 요소를 다양한 방식으로 조합함으로써
  • mRNA를 직접 서열분석할 수 있기 훨씬 전에
  • 분비 단백질에 signal sequence의 존재를 추론할 수 있었음

후속 연구의 토대

이 cell-free system의 조작 용이성은 ER import를 담당하는 molecular machinery의 다양한 구성요소를 식별하고, 정제하고, 연구하는 데 필수불가결했다.

유사한 시스템이 이후 확립됨:

관련 개념

Footnotes

  1. Rough microsome(조면 마이크로솜) : 세포 생물학 연구를 위해 세포를 파쇄했을 때, 조면소포체(Rough ER)가 조각나면서 스스로 말려 형성된 작은 주머니 모양의 소낭 ↩

Graph View