Pinching-Off
개요
Pinching-off는 budding vesicle이 donor membrane으로부터 완전히 분리되는 과정이다. 이 과정은 vesicle neck의 두 noncytosolic leaflet을 close proximity로 가져와 seal하여 완전한 vesicle을 형성한다.
Dynamin의 역할
Dynamin은 주요 pinching-off protein이다:
구조와 기능
- GTPase domain: GTP hydrolysis 조절
- PI(4,5)P2-binding domain**: cytosolic leaflet에 tether. PI(4,5)P2
- Multiple dynamin molecule: Budding vesicle neck 주위에 spiral로 조립
Pinching-off Mechanism
Assembly:
- Dynamin molecule들이 막의 PI(4,5)2와 결합하면서 결집하여 vesicle neck 주위에 ring 형성 (dynamin을 membrane translocation했다고 표현함. 세포질에 떠 있던 단백질이 세포막으로 이동해 결합했다. protein translocation과는 다른 것.)
- Ring이 spiral structure로 조립
- 동시에 자동으로 PI(4,5)2들도 모여있는 상태가 됨. 이는 머리가 큰 PI(4,5)2의 특성상 양의 곡률을 만듦.
Constriction:
- Bound GTP hydrolysis
- Dynamin의 conformational change
- Dynamin ring constriction
- Underlying membrane neck도 함께 constrict
Membrane Fusion:
- Neck 부위의 두 noncytosolic leaflet이 close proximity
- Leaflet끼리 flow together하여 seal
- Lipid-modifying enzyme recruitment하여 local lipid composition 변화로 membrane fusion 촉진
GTP Hydrolysis Cycle
Dynamin의 작동은 GTP binding과 hydrolysis cycle을 통해 조절된다:
Stepping Model
- GTP binding: Dynamin dimer의 GTPase domain이 adjacent rung의 GTPase domain과 상호작용
- GTP hydrolysis: Conformational change로 dynamin molecule compaction
- Partial constriction: Dynamin spiral의 부분적 수축
- GTP loss: GTPase domain간 interaction 약화
- GTP rebinding: Dynamin이 adjacent position으로 이동
- Cycle repeat: 반복적인 compaction과 stepping으로 progressive constriction
Energy Source
- GTP hydrolysis의 energy가 membrane neck constriction을 power
- Cycle을 반복하며 점진적으로 neck 직경 감소
Shibire Mutant
Drosophila shibire mutant 연구를 통해 dynamin의 역할이 밝혀졌다:
Phenotype
- Temperature-sensitive dynamin mutation
- Elevated temperature에서 rapid paralysis
- Temperature 낮추면 빠르게 회복
Molecular Defect
- Synaptic transmission between nerve and muscle cell이 block됨
- Nerve terminal의 electron micrograph 관찰:
- Synaptic vesicle 소실
- Coated pit 수 엄청나게 증가
- Mutant dynamin이 coated pit neck에 belt 형성
의미
- Pinching-off process 실패
- Required membrane fusion 발생하지 않음
- Clathrin-mediated endocytosis가 중단되어 synaptic vesicle membrane recycling 실패
Lipid Modification의 역할
Dynamin은 pinching-off 과정에서 lipid-modifying enzyme도 recruit할 수 있다:
Mechanism
- Local lipid composition 변화
- Membrane fusion 촉진
- Vesicle 분리 완성
다른 Coat Type의 Pinching-off
Clathrin-coated vesicle 외에도 다른 type의 vesicle도 유사한 mechanism 사용:
COPII vesicles at ER
- Sar1 protein이 membrane deformation 개시
- Additional factor들이 sealing event 매개
COPI vesicles at Golgi
- ARF protein과 연관된 machinery
- Specific pinching-off protein 관여
Timing Control
Coat disassembly는 premature하게 발생하면 안 됨:
Prevention Mechanism
- Pinching-off 전에 coat 제거되는 것 방지
- Complete vesicle 형성 후에만 coat disassembly 허용
- Coat-recruitment GTPase의 GTP hydrolysis rate가 timing 조절