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direct sorting in TGN

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Direct Sorting in TGN

개요

Trans Golgi Network (TGN)은 Golgi apparatus를 통과한 단백질들이 최종 목적지로 가기 위해 분류되는 주요 sorting station이다. TGN에서 단백질들은 서로 다른 transport vesicle로 선별되어 plasma membrane의 여러 domain, endosome, 또는 secretory vesicle로 전달된다.

Figure 13-38: TGN에서의 protein sorting pathway들. M6P를 가진 lysosomal protein, regulated secretion을 위한 protein, 그리고 constitutive secretion을 위한 protein이 서로 다른 vesicle로 분류된다.

TGN에서의 주요 Sorting Pathway

1. Lysosomal Protein Pathway

M6P (Mannose 6-Phosphate) system:

M6P Tag의 부착

Figure 13-40: Lysosomal hydrolase의 M6P tagging과 transport. Cis Golgi network에서 M6P가 부착되고, TGN에서 M6P receptor에 의해 선별된다.

과정:

  1. Cis Golgi Network에서 recognition

    • GlcNAc phosphotransferase가 lysosomal hydrolase 인식
    • Signal patch (특정 아미노산 cluster) 인식
    • High-mannose N-linked oligosaccharide에 작용

  2. Two-step modification

    • Step 1: GlcNAc-1-phosphate 전달
    • Step 2: GlcNAc 제거
    • 결과: Exposed M6P

  3. Multiple M6P groups

    • 각 hydrolase는 여러 개의 oligosaccharide 보유
    • 여러 개의 M6P tag 획득
    • M6P receptor에 대한 high affinity 제공

TGN에서 Sorting

M6P Receptor의 기능:

TGN (pH 6.5-6.7):
- M6P receptor가 M6P에 강하게 결합
- Clathrin adaptor protein에 결합
- Clathrin-coated vesicle로 packaging

Early endosome (pH 6.0):
- pH 감소로 receptor에서 hydrolase 해리
- Hydrolase는 late endosome으로 진행
- Receptor는 retromer-coated vesicle로 TGN 복귀

pH-dependent binding:

  • TGN: 높은 친화도
  • Endosome: 낮은 친화도
  • 일방향 transport 보장

2. Regulated Secretory Pathway

3. Constitutive Secretory Pathway (Default Pathway)

Default Mechanism

특징:

  • Signal 불필요
  • 자동 포장
  • 지속적 작동

포함되는 cargo:

  1. Specific sorting signal이 없는 protein
  2. ER에서 escape한 protein
  3. 재활용되지 않은 protein

Unpolarized cell:

  • 모든 non-sorted protein이 이 경로
  • Plasma membrane으로 직접 전달

Polarized cell:

  • Apical 또는 basolateral domain 선택 필요
  • 최소한 한 방향은 specific signal 필요
  • sorting mechanism은 다음 참고

극성 세포에서의 Direct Sorting (main)

Epithelial Cell의 Polarization

Figure 13-49: 극성 상피세포에서의 단백질 분류. (A) Direct pathway에서 TGN에서 직접 분류. (B) Indirect pathway에서는 일단 한 쪽으로 보낸 후 transcytosis.

Apical Domain으로의 Sorting

Lipid raft mechanism:

  1. GPI-anchored protein

  2. Lipid raft formation

  3. Vesicle budding

    • Raft와 함께 budding
    • GPI-anchored protein 농축
    • Apical-specific cargo 선별

기타 apical cargo:

  • Mucin
  • Digestive enzyme
  • Glycosphingolipid-rich membrane

Basolateral Domain으로의 Sorting

Signal-based mechanism:

  1. Basolateral sorting signal

    • Transmembrane protein의 cytoplasmic tail
    • Short amino acid sequence motif
    • Adaptor protein에 의해 인식

  2. Coat protein binding

    • Clathrin adaptor protein (AP1 또는 AP4)
    • Signal sequence 특이적 인식
    • Vesicle로 packaging

  3. Vesicle targeting

    • Basolateral membrane으로 직접 전달
    • Rab protein과 SNARE 특이성

Basolateral cargo:

  • Basal lamina 성분
  • Growth factor receptor
  • Specific transporter

Indirect Pathway (Transcytosis)

일부 경우에는 모든 protein이 먼저 한 domain으로 전달된 후, 잘못된 것들이 endocytosis를 통해 회수되어 올바른 domain으로 재전달된다. (존재는 하지만 메인 아님)

예시: Hepatocyte

  • 일부 apical protein이 먼저 basolateral로
  • Endocytosis로 회수
  • Early endosome 경유
  • Apical domain으로 재전달
  • Signal이 두 단계 모두에서 작용

Sorting Signal의 특성

M6P Signal

  • 위치: N-linked oligosaccharide
  • 인식: M6P receptor
  • Type: Carbohydrate modification
  • 특징: pH-dependent binding

Basolateral Signal

  • 위치: Cytoplasmic tail
  • 인식: Adaptor protein (AP1/AP4)
  • Type: Amino acid sequence
  • 특징: Linear motif

GPI Anchor

  • 위치: C-terminus
  • 인식: Lipid raft association
  • Type: Lipid modification
  • 특징: Membrane domain preference

Aggregation

  • 위치: Protein structure
  • 인식: Cargo receptor (추정)
  • Type: Conformational/ionic
  • 특징: pH and Ca²⁺ dependent

Vesicle Coat의 역할

Clathrin Coat

사용 경로:

  1. TGN → Early endosome

    • Lysosomal protein transport
    • M6P receptor mediated

  2. TGN → Plasma membrane (regulated)

    • Immature secretory vesicle에서 retrieval
    • TGN 성분 회수

  3. Basolateral sorting (일부)

    • AP1 or AP4 adaptor
    • Specific cargo selection

Non-clathrin Coat

Regulated secretion:

  • 특정 coat 불명확
  • Aggregation-driven budding 가능

Constitutive secretion:

  • Minimal coat 또는 coat-independent
  • Bulk flow mechanism

조절 메커니즘

Phosphoinositide의 역할

TGN membrane:

  • PI(4)P enrichment
  • Adaptor protein recruitment
  • Coat assembly site 표시

Rab Protein

각 pathway 특이적:

  • 서로 다른 Rab protein
  • Vesicle targeting 조절
  • Tethering protein recruitment

Cargo Concentration

Active vs. Passive:

  • Active: Signal-mediated selection
  • Passive: Bulk flow (default pathway)
  • 효율성 차이

병리학적 측면

I-cell Disease

원인:

  • GlcNAc phosphotransferase 결함
  • M6P tagging 실패
  • Lysosomal enzyme mis-sorting

결과:

  • Lysosome에 enzyme 부족
  • Enzyme이 blood로 분비
  • Severe developmental defect

Polarization Defect

상피세포 기능 장애:

  • Apical-basolateral sorting 실패
  • Barrier function 손상
  • Absorption/secretion 장애

요약

TGN에서의 direct sorting은 단백질들을 최종 목적지로 정확히 전달하기 위한 핵심 과정이다. M6P system은 lysosomal protein을 선별하고, aggregation은 regulated secretion을 위한 단백질을 모으며, default pathway는 나머지를 plasma membrane으로 보낸다. 극성 세포에서는 lipid raft와 basolateral sorting signal이 apical과 basolateral domain으로의 선택적 전달을 가능하게 한다. 이러한 정밀한 sorting은 여러 종류의 signal, receptor, coat protein의 조합을 통해 달성된다.

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