Retrieval Pathway to the ER
개요
Retrieval pathway는 ER을 실수로 떠난 protein을 다시 ER로 되돌리는 transport system이다. 이 pathway는 각 compartment의 identity를 유지하는 데 essential하다.
COPI-coated Vesicle
Retrieval pathway는 COPI-coated vesicle에 의해 매개된다.
Budding Sites
COPI vesicle budding 발생 위치:
- Vesicular tubular cluster: ER vesicle fusion 직후 시작
- Golgi cisternae: 각 cisterna에서 budding
- cis Golgi network: 주요 retrieval site
- trans Golgi network: 일부 protein return
Cargo
COPI vesicle이 운반하는 cargo:
-
Escaped ER resident protein
- Soluble ER protein
- ER membrane protein
-
Recycled machinery
- Cargo receptor
- SNARE protein
- Coat component
-
Golgi resident protein
- 다음 cisterna로 잘못 이동한 경우
- Appropriate cisterna로 return
ER Retrieval Signal
Retrieval pathway는 specific signal에 의존한다.
Membrane Protein Signal: KKXX
Structure:
- C-terminal end에 위치
- K-K-X-X: Two lysine + any two amino acid
- Single-letter code 사용
Mechanism:
- KKXX sequence가 COPI coat에 directly bind
- Protein이 COPI-coated vesicle에 package
- ER로 retrograde delivery
- ER에 도달하여 release
Protein examples:
- ER membrane protein
- v-SNARE와 t-SNARE (ER-Golgi interface에서 기능)
- Some cargo receptor
Soluble Protein Signal: KDEL
Structure:
- C-terminal end에 위치
- K-D-E-L: Lys-Asp-Glu-Leu
- 또는 유사한 sequence
Protein examples:
- BiP (ER chaperone)
- Other soluble ER resident protein
Genetic engineering evidence:
- KDEL 제거: Protein slowly secreted
- KDEL 추가: Normally secreted protein이 ER accumulate
KDEL Receptor
Soluble protein의 retrieval은 KDEL receptor 필요.
Structure
- Multipass transmembrane protein
- Luminal domain: KDEL sequence 인식
- Cytosolic domain: COPI coat binding
Cycling Mechanism
ER → Golgi:
- KDEL receptor가 ER membrane에 위치
- Forward transport pathway로 Golgi에 도달
- Low pH in Golgi
Golgi에서:
- KDEL-bearing protein 인식
- Receptor–ligand complex 형성
- COPI coat recruitment
- COPI vesicle에 package
Golgi → ER:
- COPI vesicle이 ER로 이동
- ER에 fusion
- Higher pH in ER
- Ligand release
- Free receptor는 다시 Golgi로
pH-dependent Affinity
Key feature:
- Golgi (pH ~6.5-6.7): High affinity for KDEL
- ER (pH ~7.2): Low affinity for KDEL
Molecular basis:
- Critical histidine in KDEL receptor
- Golgi의 lower pH에서 protonated
- Protonation이 KDEL sequence와의 interaction favor
- ER의 higher pH에서 deprotonated → weak binding
Functional consequence:
- Directional transport
- Unidirectional retrieval
- Efficient cycling
V-type H⁺-ATPase
pH gradient maintenance:
- Golgi membrane의 V-type ATPase
- ATP hydrolysis로 H⁺ pump
- Golgi lumen acidification
- Retrieval system의 driving force 제공
Two-tier Retention System
ER resident protein retention은 두 mechanism 결합:
Primary: Aggregation-based Retention
Mechanism:
- ER resident protein끊끼리 결합
- Large complex 형성
- Too big to enter transport vesicle efficiently
Rationale:
- ER resident protein은 매우 high concentration (millimolar)
- Relatively low-affinity interaction으로도 충분
- 대부분의 protein을 complex로 retain
Secondary: Signal-based Retrieval
Mechanism:
- Aggregation escape한 일부 protein
- KDEL 또는 KKXX signal로 capture
- COPI vesicle로 return
Efficiency:
- Complete retention 불가능
- 일부 ER protein은 천천히 leak
- Retrieval system이 대부분 recover
pH-sensitive Sorting
KDEL receptor는 pH-sensitive protein–protein interaction 사용:
- 많은 protein-sorting step에서 유사 mechanism
- Compartment간 pH difference 이용
- Directional transport 제공
Other examples:
- M6P receptor (TGN ↔ endosome)
- Transferrin receptor (endosome ↔ plasma membrane)
- Various cargo receptor
Continuous Retrieval
Retrieval은 continuous process:
Vesicular Tubular Cluster
- ER vesicle fusion 직후 시작
- Initial protein sorting
- Major ER protein return
Golgi Apparatus
- Each cisterna에서 retrieval
- Progressive protein sorting
- Golgi enzyme도 이전 cisterna로 return
Maturation
- Vesicular tubular cluster가 Golgi로 이동하면서
- Continuous COPI budding
- Selected protein return
- Composition 점진적 변화
Functional Significance
Compartment Identity
- 각 compartment의 unique protein composition 유지
- Constant membrane exchange에도 불구하고
- Identity preservation
Machinery Recycling
- Cargo receptor, SNARE 등 재사용
- Efficient vesicle transport
- Resource conservation
Quality Control
- Incorrectly localized protein correction
- Protein sorting error recovery
- System robustness
Balance Maintenance
- Forward와 retrograde transport balance
- Compartment size와 composition steady-state
- Homeostasis