디네인

1. 개요

디네인은 세포 내 수송과 운동에 관여하는 단백질 복합체로, 세포질 디네인과 축삭 디네인 두 그룹으로 나뉜다. 세포질 디네인은 소기관 수송, 염색체 이동, 세포 분열 등에 관여하며, 축삭 디네인은 섬모와 편모의 운동을 담당한다. 디네인은 다양한 폴리펩타이드 하위 단위로 구성되며, ATP를 사용하여 미세소관을 따라 움직인다. 1963년 섬모와 편모에서 처음 발견되었으며, 세포질 디네인은 그 후 20년 후에 확인되었다.

2. 분류

다이네인은 세포질 다이네인과 액손 다이네인(섬모 또는 편모 다이네인이라고도 함)의 두 그룹으로 나눌 수 있다.

2.1. 세포질 다이네인

다이네인은 세포질 다이네인과 축삭 다이네인(섬모 또는 편모 다이네인이라고도 함)의 두 그룹으로 나눌 수 있다. 세포질 다이네인은 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있다.

2.2. 축삭 다이네인

다이네인은 세포질 다이네인과 액손 다이네인(섬모 또는 편모 다이네인이라고도 불린다)의 두 그룹으로 나눌 수 있다.

액손 다이네인의 구성 요소는 다음과 같다.

3. 기능

축사 소포체 디네인은 섬모와 편모의 축사에서 미세소관의 활주를 유발하며, 이러한 구조를 가진 세포에서만 발견된다. 세포질 디네인은 모든 동물 세포에서 발견되며 식물 세포에서도 발견될 수 있고, 소기관 수송 및 중심체 조립과 같이 세포 생존에 필요한 기능을 수행한다.

다이네인과 키네신은 바이러스가 복제 과정을 매개하는 데 활용될 수 있다. 많은 바이러스가 세포막 침투 후 핵산/단백질 코어를 세포 내 복제 부위로 수송하기 위해 미세소관 수송 시스템을 사용한다. 바이러스의 운동 단백질 특이적 결합 부위에 대해서는 알려진 바가 많지 않지만, 일부 바이러스는 바이러스 간에 차이가 있는 프롤린이 풍부한 서열을 포함하고 있으며, 이를 제거하면 다이넥틴 결합, 축삭 수송(배양), 생체 내 신경 침투가 감소한다. 이는 프롤린이 풍부한 서열이 다이네인을 활용하는 주요 결합 부위일 수 있음을 시사한다.

3.1. 세포질 다이네인의 기능

세포질 다이네인은 소기관 수송 및 중심체 조립과 같이 세포 생존에 필요한 기능을 수행한다. 세포질 다이네인은 미세소관을 따라 진행성 운동을 한다. 즉, 디네인이 미세소관에서 떨어지지 않고 상당한 거리를 "이동"할 수 있도록 하나의 줄기가 항상 미세소관에 부착되어 있다.

세포질 다이네인은 골지체 및 기타 세포 내 소기관의 위치를 ​​잡는 데 도움이 된다. 또한 소포체, 내소체 및 리소좀에 의해 만들어진 소포와 같이 세포 기능에 필요한 화물을 수송하는 데에도 도움이 된다. 디네인은 염색체의 이동 및 세포 분열을 위한 방추사 위치 설정에 관여한다. 신경 세포의 축삭을 따라 세포체 쪽으로 소기관, 소포 및 미세소관 조각을 운반하며, 이를 역행성 축삭 수송이라고 한다. 또한, 디네인 모터는 가지돌기에서 퇴행성 내소체의 역행성 수송을 담당한다.

세포질 다이네인은 세포질 분열 부위에 중심체에서 발산하는 성상 미세소관을 잡아당기고 세포 피질에 고정하여 방추체를 위치시킨다. MIT 박사후 연구원 토모미 키요미츠는 다이네인이 유사분열 중기 동안 세포 중앙에 염색체를 정렬하는 데 운동 단백질 역할을 한다는 것을 발견했다. 다이네인은 미세소관과 염색체를 세포의 한쪽 끝으로 잡아당긴다. 미세소관의 끝이 세포막에 가까워지면 다이네인을 세포 반대편으로 밀어내는 화학적 신호를 방출한다. 이 과정이 반복되면서 염색체는 세포 중앙에 위치하게 되며, 이는 유사분열에 필수적이다. 출아 효모는 이 과정을 연구하는 강력한 모델 생물이며, 다이네인이 성상 미세소관의 플러스 (+) 말단을 표적으로 하고 하역 메커니즘을 통해 세포 피질로 전달된다는 것을 보여주었다.

3.2. 축삭 다이네인의 기능

축삭 다이네인은 섬모와 편모의 축사에서 미세소관의 활주를 유발하며, 이러한 구조를 가진 세포에서만 발견된다.

4. 구조

디네인 모터는 여러 개의 작은 폴리펩타이드 하위 단위로 구성된 복잡한 단백질 조립체이다. 세포질 다이네인과 축삭 다이네인은 일부 동일한 구성 요소를 공유하지만, 고유한 하위 단위도 포함하고 있다.

다이닌의 기능 단위는 1~3개의 중쇄, 몇 종류의 중간 사슬, 그리고 경쇄로 구성된다. 그 형태는 일반적으로 2개의 중쇄 각각이 형성하는 머리 부분과, 머리에서 뻗어나온 스토크(stalk)라고 불리는 부위, 그리고 자루 부분이 기본이 되며, 중간 사슬과 경쇄는 자루 부분에 결합되어 있다. 다이닌은 스토크의 끝에서 미세소관에 결합하여 미세 소관 위를 운동한다.

4.1. 세포질 다이네인의 구조

세포질 다이네인(Cytoplasmic dynein^영어)은 약 12개의 폴리펩타이드 소단위체로 구성된 이량체(dimer)의 이량체이며, 분자량은 약 1.5 메가달톤(MDa)이다. 이 이량체는 두 개의 동일한 "무거운 사슬(heavy chain)" (520 kDa)로 구성되며, 이 무거운 사슬은 ATPase 활성을 가지고 있어 미세소관을 따라 이동하는 역할을 한다. 또한 디네인은 화물을 고정하는 것으로 여겨지는 74 kDa의 두 개의 중간 사슬, 53–59 kDa의 여러 개의 가벼운 중간 사슬, 그리고 몇 개의 가벼운 사슬을 가지고 있다.

각 디네인 무거운 사슬의 힘을 생성하는 ATPase 활성은 큰 도넛 모양의 "머리"에 위치해 있으며, 이는 다른 AAA 단백질과 관련이 있다. 머리에서 뻗어 나온 두 개의 돌출부는 다른 세포질 구조와 연결된다. 한쪽 돌출부인 코일 코일 스토크는 반복적인 분리 및 재부착 주기를 통해 미세소관의 표면에 결합하여 "걸어간다". 다른 돌출부인 확장된 꼬리는 가벼운 중간 사슬, 중간 사슬 및 가벼운 사슬 소단위체에 결합하여 디네인을 화물에 부착시킨다. 완전한 세포질 다이네인 모터에서 쌍을 이루는 무거운 사슬의 교대 활성은 단일 디네인 분자가 완전히 분리되지 않고 미세소관을 따라 상당한 거리를 "걸어" 화물을 운송할 수 있게 한다.

디네인의 아포 상태에서 모터는 뉴클레오티드가 없고, AAA 도메인 링은 열린 컨포메이션으로 존재하며, MTBD는 높은 친화도 상태로 존재한다. AAA 도메인에 대한 많은 부분은 여전히 알려지지 않았지만, AAA1은 디네인에서 ATP 가수분해의 주요 부위로 잘 확립되어 있다. ATP가 AAA1에 결합하면 AAA 도메인 링이 "닫힌" 구성으로의 컨포메이션 변화, 버트레스의 이동, 및 링커의 컨포메이션 변화가 시작된다. 링커는 구부러져 AAA5에서 AAA2로 이동하는 동안 AAA1에 결합된 상태를 유지한다. 스토크에서 하나의 부착된 알파-나선은 버트레스에 의해 당겨져 코일 코일 파트너에 대해 반 헵타드 반복만큼 나선을 미끄러뜨리고, 스토크를 꺾는다. 결과적으로 디네인의 MTBD는 낮은 친화도 상태로 들어가 모터가 새로운 결합 부위로 이동할 수 있게 한다. ATP 가수분해 후, 스토크가 회전하여 디네인을 MT를 따라 더 이동시킨다. 인산염이 방출되면 MTBD는 높은 친화도 상태로 돌아가 MT에 다시 결합하여 파워 스트로크를 유발한다. 링커는 직선 컨포메이션으로 돌아가 AAA2에서 AAA5로 다시 스윙하며 레버 작용을 생성하여 파워 스트로크에 의해 디네인이 가장 큰 변위를 생성한다. 이 주기는 ADP의 방출로 완료되며, 이는 AAA 도메인 링을 다시 "열린" 구성으로 되돌린다.

효모 디네인은 분리되지 않고 미세소관을 따라 이동할 수 있지만, 다세포 생물에서는 세포질 다이네인은 다이낙틴의 결합, 즉 미토시스에 필수적인 또 다른 다중 소단위체 단백질, 그리고 화물 어댑터에 의해 활성화되어야 한다. 디네인, 다이낙틴 및 화물 어댑터를 포함하는 삼중 복합체는 초고도로 진행적이며 화물의 세포 내 목적지에 도달하기 위해 분리되지 않고 먼 거리를 이동할 수 있다. 지금까지 확인된 화물 어댑터에는 BicD2, Hook3, FIP3 및 Spindly가 있다. Ras 슈퍼패밀리의 구성원인 가벼운 중간 사슬은 여러 화물 어댑터가 디네인 모터에 부착되는 것을 매개한다.

세포 내에서 디네인에 대한 주요 모터 조절 형태 중 하나는 다이낙틴이며, 거의 모든 세포질 다이네인 기능에 필요할 수 있다. 다이낙틴은 세포질 다이네인에 연결하여 세포 전체의 세포 내 수송을 돕는 단백질이며, 다른 단백질이 결합할 수 있는 스캐폴드 역할을 하고, 디네인이 있어야 할 위치로 국소화하는 모집 인자 역할을 한다.

4.2. 축삭 다이네인의 구조

다이네인 모터의 각 분자는 많은 더 작은 폴리펩타이드 하위 단위로 구성된 복잡한 단백질 조립체이다. 세포질 및 축삭 다이네인은 동일한 구성 요소를 일부 포함하지만 고유한 하위 단위도 일부 포함한다.

축삭 다이네인은 생물체와 섬모 내 위치에 따라 하나, 둘 또는 세 개의 서로 다른 헤비 체인을 포함하는 여러 형태를 가지고 있다. 각 헤비 체인은 AAA 단백질과 유사한 도넛 모양 구조를 가진 구형 모터 도메인, 미세 소관에 결합하는 코일 코일 "자루", 동일한 축사의 인접한 미세 소관에 부착되는 확장된 꼬리 (또는 "줄기")를 가지고 있다. 따라서 각 다이네인 분자는 섬모 축사의 인접한 두 미세 소관 사이에 가교를 형성한다. 움직임을 유발하는 "파워 스트로크" 동안 AAA ATPase 모터 도메인은 미세 소관 결합 자루가 화물 결합 꼬리에 상대적으로 회전하도록 하는 형태 변화를 겪으며, 그 결과 한 미세 소관이 다른 미세 소관에 상대적으로 미끄러진다. 이러한 미끄러짐은 섬모가 박동하고 세포 또는 기타 입자를 추진하는 데 필요한 굴곡 운동을 생성한다. 반대 방향으로 움직임을 담당하는 다이네인 분자 그룹은 아마도 조정된 방식으로 활성화 및 비활성화되어 섬모 또는 편모가 앞뒤로 움직일 수 있다. 방사상 스포크는 이러한 움직임을 동기화하는 구조(또는 구조 중 하나)로 제안되었다.

축사 다이네인 활성의 조절은 편모 박동 빈도와 섬모 파형에 매우 중요하다. 축사 다이네인 조절 방식에는 인산화, 산화 환원 및 칼슘이 포함된다. 축사에 가해지는 기계적 힘 또한 축사 다이네인 기능에 영향을 미친다. 축사 다이네인의 내부 및 외부 팔의 헤비 체인은 미세 소관의 미끄러짐 속도를 제어하기 위해 인산화/탈인산화된다. 다른 축사 다이네인 팔과 관련된 티오레독신은 다이닌이 축사에서 결합하는 위치를 조절하기 위해 산화/환원된다. 센터린과 외부 축사 다이네인 팔의 구성 요소는 칼슘 농도의 변동을 감지한다. 칼슘 변동은 섬모 파형 및 편모 박동 빈도를 변경하는 데 중요한 역할을 한다.

4.3. 다이네인 중쇄의 상세 구조 (일본어 위키 텍스트 기반)

다이닌 중쇄는 다이닌의 골격을 형성하며, ATP의 에너지를 운동으로 변화시키는 기능을 갖는다. 중쇄의 아미노 말단은 자루 부분이 되며, 이는 다이머 형성과 다른 다이닌 형성 분자와의 상호 작용을 담당한다. 중앙부에서 카르복실 말단에 걸쳐 링 모양의 머리 부분을 형성하며, 6개의 AAA+ ATP아제 패밀리에 속하는 도메인과 하나의 C 말단 도메인이 형성하는 7개의 서브 유닛 유사 구조가 된다. AAA+ ATP아제 도메인 4와 5 사이에 존재하는 100 아미노산 잔기 정도의 영역이 스토크로 돌출된 부분이 되어 미세 소관과 작용한다고 생각된다. ATP가 결합하는 것은 6개 중에서도 처음 4개의 AAA+ 도메인이며, 게다가 처음 하나의 도메인만이 ATP아제 활성을 갖는다고 여겨진다.

5. 역사

섬모와 편모의 운동을 담당하는 단백질은 1963년 처음 발견되어 디네인으로 명명되었다. 20년 후, 편모 디네인의 발견 이후 존재가 의심되었던 세포질 디네인이 분리 및 확인되었다.

6. 감수 분열 동안의 염색체 분리

상동 염색체는 감수 분열의 첫 번째 분열 동안 세포의 반대쪽 극으로 분리된다. 적절한 분리는 정상적인 염색체 보충을 갖춘 반수체 감수 분열 산물을 생성하는 데 필수적이다. 키아스마(교차 재조합 사건)의 형성은 일반적으로 적절한 분리를 촉진하는 것으로 보인다. 그러나 분열 효모 Schizosaccharomyces pombe에서 키아스마가 없을 때 디네인이 분리를 촉진한다. 디네인의 운동 소단위인 Dhc1은 키아스마 유무와 관계없이 염색체 분리에 필요하다. 디네인 경쇄 Dlc1 단백질 또한 특히 키아스마가 없을 때 분리에 필요하다.