Major Accessory Proteins of the Actin Cytoskeleton

Fig 16–11 패널. Actin cytoskeleton의 주요 accessory protein 종류. Myosin motor는 제외하고, 각 주요 유형의 예시를 보여준다. 실제로 대부분의 세포에는 100개 이상의 actin-binding protein이 있다.

Actin filament의 조립과 구조는 수많은 accessory protein에 의해 정교하게 조절된다.¹²³ 각 단백질이 actin에 어떻게 작용하는지에 따라 기능별로 분류할 수 있다.

Nucleating Proteins

3 complex 는 actin과 약 45% 동일한 두 actin-related protein(Arp2, Arp3)을 포함하는 복합체이다. Nucleation-promoting factor (NPF)의 활성화가 필요하며, 기존 필라멘트 측면에 결합할 때 가장 효율적으로 작동한다. 새 필라멘트는 기존 필라멘트에서 70° 각도로 분기되어 treelike branched network를 형성한다. Arp2/3 complex는 minus end에 결합하여 남고, plus end에서 빠른 elongation이 일어난다. 자세한 내용은 Protrusion of the Actin Meshwork at the Leading Edge참조.

Formin은 unbranched 필라멘트를 nucleate하는 dimeric 단백질이다. Nucleation 후 빠르게 성장하는 plus end에 계속 결합한 채 새 subunit 추가를 허용한다. Filopodia, stress fiber, contractile ring 형성에 관여한다. Formin의 작용 방식은 minus end에 고정되는 Arp2/3 complex와 달리, plus end에서 작동한다는 점에서 다르다.

Monomer 공급 단백질

Profilin은 actin monomer의 ATP-binding cleft 반대편 면에 결합하여, minus end에 결합하는 쪽은 막고 plus end에 결합하는 쪽은 열어 둔다.⁴ Profilin-actin complex가 free plus end에 결합하면 profilin이 떨어져 나가면서 필라멘트가 한 subunit 길어진다. 많은 formin과 NPF에 profilin 결합 부위가 있어, profilin-actin이 직접 elongation 부위로 모집된다. 이를 통해 free monomer pool을 유지하면서 중합을 가속한다.

Thymosin은 일부 세포에서 profilin과 경쟁하여 actin monomer 결합을 조절한다.

Filament End 조절 단백질

**Capping protein**은 actin 필라멘트의 plus end를 막아 elongation을 방지한다.⁵ Lamellipodium에서 일정 속도로 plus end를 막아, 필라멘트 길이를 제한하고 분기된 network의 구조를 유지하는 데 기여한다.

**Tropomodulin**은 minus end를 막는 capping protein으로, 근육 sarcomere의 thin filament에서 특히 중요하다.

Severing / Depolymerization 단백질

Cofilin (actin-depolymerizing factor라고도 불림)은 ADP-actin 필라멘트에 우선적으로 결합하여 필라멘트를 더 단단히 꼬이게 만든다. 이로써 subunit 간의 접촉이 약해져 필라멘트가 쉽게 끊기고, 분해 속도가 수십 배 빨라진다. 세포 내에서 actin filament의 half-life를 in vitro의 ~30분에서 ~30초로 단축시킨다. 오래된(ADP-함유) 필라멘트를 선택적으로 분해하여, leading edge에서의 방향성 있는 actin network 성장을 가능하게 한다 (→Protrusion of the Actin Meshwork at the Leading Edge참조).

Fig 16–16. Cofilin에 의한 actin 필라멘트 비틀림. Cofilin이 코팅된 필라멘트(B)는 순수 actin 필라멘트(A)보다 더 단단히 꼬여 있다.

Gelsolin superfamily는 높은 세포질 Ca²⁺에 의해 활성화되며, actin 필라멘트를 잘라낸다. 잘라낸 후 새로운 plus end에 남아 capping 역할도 한다.

Cross-linking / Bundling 단백질

**Fimbrin (plastin)**과 fascin은 actin 필라멘트를 평행하게 묶어 tight bundle을 형성한다. Filopodia의 parallel bundle 형성에 관여한다.

α-Actinin은 actin 필라멘트 사이에 일정 간격을 유지하면서 bundle을 형성한다. Stress fiber와 sarcomere의 Z disc에 존재한다.

Filamin은 actin 필라멘트를 직각으로 교차 연결하여 orthogonal network를 형성한다.

Spectrin은 cytoskeleton 중 plasmamembrane기저에 위치한 Cortical cytoskeleton의 구성 단백질이다.

Stabilizing 단백질

Tropomyosin은 actin 필라멘트의 홈을 따라 길게 결합하며, 필라멘트를 cofilin으로부터 보호하고 특정 구조(stress fiber, sarcomere)에 기능을 부여한다. 근육 수축 조절에서는 troponin과 함께 작용한다 (→ troponin 참조).

Motor 단백질

Myosin II는 반대 극성의 actin 필라멘트를 서로 잡아당겨 수축력을 발생시킨다. Stress fiber와 cortex의 contractile bundle에 존재한다 (→ Myosin II 참조).

이 단백질들의 조합에 따라 동일한 actin 단량체로부터 기능이 다른 다양한 array가 구성된다 (→ actin arrays, Rho family 참조).

Footnotes

1. 2023 기말 14번 — actin filament elongation 조건(G-actin+ATP+Mg²⁺)과 nucleation→elongation→treadmilling 과정에서 각 accessory protein(profilin, Arp2/3, capping protein, cofilin)의 역할이 정답 근거로 활용됨. ↩

2. 2023 기말 15번 — capping protein이 actin +end를 차단하면 elongation이 중단되고 minus end에서의 depolymerization이 우세해진다는 내용이 정답 근거로 활용됨. ↩

3. 2023 기말 16번 — Arp2/3+Rac1에 의한 branched filament network(lamellipodia)와 formin+RhoA에 의한 linear filament(stress fiber)의 차이가 정답 근거로 활용됨. ↩

4. 2022 기말 7번 — actin monomer와 결합하여 filament elongation을 촉진하는 단백질: profilin. 정답 ③. ↩

5. 2022 기말 8번 — capping protein이 actin filament + end를 차단하면 - end에서만 dynamics 가능. 정답 ②. ↩