미세섬유
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
미세섬유는 세포 골격을 구성하는 가장 얇은 섬유로, 액틴 단량체의 중합체이다. 액틴 필라멘트는 다발과 네트워크 구조로 조립되며, 액틴 결합 단백질에 의해 조절된다. 세포 내에서 액틴 세포골격은 세포 신호 전달에 의해 조절되며, 세포의 운동성, 형태 유지, 그리고 특정 세포 구조 형성에 중요한 역할을 한다. 마이오신 모터 단백질은 액틴 필라멘트를 따라 이동하며 다양한 세포 내 작용을 수행한다. 액토클램핀 모델은 액틴 필라멘트의 가시 말단을 추적하는 분자 모터의 존재를 제안하며, ATP 가수 분해를 통해 힘을 생성하여 세포 운동성과 병원체의 이동에 기여한다.
더 읽어볼만한 페이지
- 세포해부학 - 소포 (세포)
소포는 막으로 둘러싸인 작은 주머니 모양의 구조물로, 세포 내 물질 수송, 소화, 분비, 세포간 신호 전달, 세포 외부 물질 소화 및 배출 등 다양한 기능을 수행하며, 특히 세포외소포체는 질병과의 연관성으로 주목받고 있고, 클라트린, COPI, COPII, SNARE 단백질 등이 소포 형성 및 수송에 관여한다. - 세포해부학 - 세포막
세포막은 세포질을 둘러싸고 세포 내외부 환경을 구분하는 선택적 투과성 막으로, 인지질 이중층과 단백질, 탄수화물로 구성되어 물질 수송, 세포 형태 유지, 세포 간 신호 전달, 세포 접합 등의 기능을 수행하며, 유동 모자이크 모델로 설명된다. - 세포 - 체세포
체세포는 다세포 생물의 몸을 이루는 세포로서 생식세포와 구별되며 불임성을 가지고, 종에 따라 생식세포계열과 분리되기도 하지만 체세포 배 발생 능력을 보이기도 하며, 유전 정보, 복제, 유전자 변형, 바이오뱅킹, 세포 노화 연구 등에 활용된다. - 세포 - 세포질
세포질은 핵을 제외한 세포 내부를 채우는 물질로, 세포질 기질, 세포소기관, 세포질 내포물로 구성되어 세포 형태 유지, 항상성 유지, 세포소기관 지탱, 물질대사 관련 물질 저장 등의 기능을 수행하며 액체 또는 젤 형태를 띤다. - 세포생물학 - 세포융합
세포융합은 둘 이상의 세포가 융합하여 하나의 세포를 만드는 과정으로, 동종 또는 이종 세포 융합으로 나뉘며 품종 개량, 단일클론 항체 생산, 질병 치료 연구 등 다양한 분야에 활용된다. - 세포생물학 - 세포막
세포막은 세포질을 둘러싸고 세포 내외부 환경을 구분하는 선택적 투과성 막으로, 인지질 이중층과 단백질, 탄수화물로 구성되어 물질 수송, 세포 형태 유지, 세포 간 신호 전달, 세포 접합 등의 기능을 수행하며, 유동 모자이크 모델로 설명된다.
| 미세섬유 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 세포골격 |
| 아단위체 | 액틴 단량체 |
| 직경 | 약 7 nm |
| 길이 | 수 마이크로미터 |
| 기능 | 세포 모양 유지 세포 운동 세포 분열 근육 수축 |
| 구조 | |
| 구성 | 액틴 단량체의 중합체 |
| 형태 | 두 가닥의 액틴 사슬이 꼬여 있는 형태 |
| 극성 | (+) 말단과 (-) 말단을 가짐 |
| 기능 | |
| 세포 모양 유지 | 세포의 형태를 유지하고 세포 외부로부터의 기계적 스트레스에 저항함 |
| 세포 운동 | 근육 세포의 수축 세포의 이동 세포질 흐름 |
| 세포 분열 | 세포질 분열 과정에서 수축 고리 형성 |
| 신호 전달 | 세포 신호 전달 경로에 관여 |
| 관련 단백질 | |
| 액틴 결합 단백질 | 미오신 트로포미오신 필라민 겔솔린 |
2. 액틴 필라멘트의 구조와 조립
액틴 필라멘트는 다발(bundle)과 네트워크(network)의 두 가지 일반적인 구조로 조립된다. 다발은 극성 필라멘트 배열로 구성될 수 있는데, 이 경우 모든 가시 끝(barbed end)이 다발의 같은 쪽을 향하고, 비극성 배열은 가시 끝이 양쪽 끝을 향한다. 액틴 결합 단백질의 한 종류인 가교 단백질은 이러한 구조의 형성을 결정하며, 다발과 네트워크에서 필라멘트의 방향과 간격을 결정한다. 이러한 구조는 운동 단백질, 분지 단백질, 절단 단백질, 중합 촉진제, 캡핑 단백질을 포함한 여러 다른 종류의 액틴 결합 단백질에 의해 조절된다.
전자 현미경 사진은 빠르게 성장하는 갈고리 말단과 느리게 성장하는 뾰족 말단에 대한 증거를 제공한다. 이러한 극성은 마이오신 S1 단편의 결합 패턴에 의해 결정된다. 뾰족 말단은 일반적으로 마이너스 (−) 말단이라고 하며, 갈고리 말단은 플러스 (+) 말단이라고 한다.
캡핑 단백질과 함께 액틴 중합은 최근 기술 및 전기 상호 연결 제작에 유용한 3차원 토폴로지를 수행하기 위해 단백질 필라멘트의 3차원 성장을 제어하는 데 사용되었다. 전기 전도성은 단백질 3D 구조의 금속화를 통해 얻는다.[6][7]
2. 1. 액틴 필라멘트의 구조
액틴 필라멘트는 6 nm 정도의 지름을 갖는 미세섬유로, 세포 골격 섬유 중 가장 얇다.[4] 각 필라멘트는 G-액틴 단위체의 두 가닥이 꼬인 나선형 구조를 이룬다. 미세소관처럼 액틴 필라멘트는 극성을 가지며, 빠르게 성장하는 갈고리 말단(+)과 느리게 성장하는 뾰족 말단(-)을 가진다.2. 2. ''In vitro'' 액틴 필라멘트의 자가 조립
''In vitro'' (시험관 내) 액틴 중합, 즉 핵형성은 세 개의 G-액틴 단량체가 자기 연관되어 삼량체를 형성하는 것으로 시작한다.[4] ATP가 결합된 액틴은 갈고리 말단에 결합하며, 이후 ATP가 가수 분해된다. ATP 가수 분해는 약 2초의 반감기를 가지며, 무기 인산염 해리의 반감기는 약 6분이다.[5] 이 자가 촉매 반응은 인접한 소단위체 간의 결합 강도를 감소시켜 일반적으로 필라멘트를 불안정하게 만든다.''생체 내'' 액틴 중합은 액토클램핀이라는 필라멘트 말단 추적 분자 모터의 일종에 의해 촉매된다.
이후, ADP-액틴은 뾰족 말단에서 천천히 해리되며, 이 과정은 액틴 결합 단백질인 코필린에 의해 현저하게 가속화된다. ADP 결합 코필린은 (−)-말단에 가장 가까운 ADP가 풍부한 부위를 절단한다. 방출되면 자유 액틴 단량체는 ADP에서 천천히 해리되고, 이는 차례로 세포질에서 확산되는 자유 ATP에 빠르게 결합하여, 더 많은 갈고리 말단 필라멘트 연장에 필요한 ATP-액틴 단량체 단위를 형성한다. 이러한 빠른 회전율은 세포의 움직임에 중요하다. CapZ와 같은 말단 캡핑 단백질은 근육 장치와 같이 액틴 회전율이 불리한 필라멘트 말단에서 단량체의 첨가 또는 손실을 방지한다.[4]
2. 3. 힘 생성 메커니즘
ATP 가수분해 결과, 필라멘트는 가시 끝에서 뭉툭한 끝보다 약 10배 더 빠르게 신장된다. 정상 상태에서 가시 끝에서의 중합 속도는 뭉툭한 끝에서의 탈중합 속도와 일치하며, 미세 섬유는 트레드밀링 현상을 보인다. 트레드밀링은 가시 끝에서의 신장과 뭉툭한 끝에서의 단축을 초래하여 필라멘트 전체를 이동시킨다. 두 과정 모두 에너지적으로 유리하기 때문에, 이는 힘이 생성된다는 것을 의미하며, 궁극적으로 ATP에서 에너지가 발생한다.[1]3. 세포 내 액틴 필라멘트
세포 내 액틴 세포 골격의 조립과 해체는 세포 신호 전달 메커니즘에 의해 엄격하게 조절된다.
3. 1. 세포 신호 전달과 액틴 필라멘트 조절
많은 신호 전달 시스템은 액틴 세포골격을 스캐폴드로 사용하여 주변 막의 안쪽 표면 또는 그 근처에 유지한다. 이 세포 내 위치는 막횡단 수용체 작용과 그로 인한 신호 처리 효소의 연쇄 반응에 즉각적으로 반응할 수 있게 해준다.주화성 동안 액틴 기반 운동성을 높은 속도로 유지하려면 액틴 단량체를 재활용해야 하므로, 세포 신호 전달은 액틴 필라멘트 탈중합 단백질인 코필린을 활성화하는 것으로 여겨진다. 코필린은 필라멘트의 뾰족한 끝 부분에 가장 가까운 ADP가 풍부한 액틴 서브유닛에 결합하여 필라멘트 파편화를 촉진하고, 액틴 단량체를 방출하기 위해 동반되는 탈중합을 유도한다. 대부분의 동물 세포에서 단량체 액틴은 프로필린과 티모신 베타-4에 결합하며, 이 둘은 모두 ATP를 포함하는 단량체에 1:1 화학양론으로 우선적으로 결합한다. 티모신 베타-4는 엄격하게 단량체 격리 단백질이지만, 프로필린의 거동은 훨씬 더 복잡하다. 프로필린은 액틴에 결합된 ADP를 용액 내 ATP로 교환하여 액틴-ATP와 ADP를 생성함으로써 단량체의 조립 능력을 향상시킨다. 프로필린은 PIP2 결합 부위를 통해 선두 가장자리로 옮겨지며, 폴리-L-프롤린 결합 부위를 사용하여 말단 추적 단백질에 도킹한다. 일단 결합되면 프로필린-액틴-ATP는 액토클램핀 운동자의 단량체 삽입 부위에 로드된다.
필라멘트 형성에 또 다른 중요한 구성 요소는 Arp2/3 복합체이다. 이 복합체는 이미 존재하는 필라멘트(또는 "모체 필라멘트")의 측면에 결합하여 모체 필라멘트에 대해 70도 각도로 새로운 딸 필라멘트의 형성을 핵화하여 부채꼴 모양의 분지된 필라멘트 네트워크를 형성한다.[8]
3. 2. 특수한 액틴 세포골격 구조
세포질 막에 인접해 있는 특수한 고유의 액틴 세포골격 구조들이 있다. 주목할 만한 예로는 적혈구, 인간 배아 신장 세포, 뉴런, 정자 세포가 있다.- 적혈구에서는 스펙트린-액틴 육각형 격자가 상호 연결된 짧은 액틴 필라멘트에 의해 형성된다.[9]
- 인간 배아 신장 세포에서는 피질 액틴이 스케일 프리 프랙탈 구조를 형성한다.[10]
- 뉴런 축삭에서 처음 발견된 액틴은 스펙트린과 아듀신에 의해 안정화된 주기적 고리를 형성하며[11][12], 이 고리 구조는 2016년 He 등 연구진에 의해 ''Caenorhabditis elegans'', ''초파리'', ''Gallus gallus'', ''Mus musculus''를 포함한 거의 모든 동물 분류군의 거의 모든 뉴런 유형과 신경교 세포에서 발견되었다.[13]
- 포유류 정자에서 액틴은 편모의 첫 번째 부분인 중간 부분에서 나선형 구조를 형성한다.[14]
4. 액틴 관련 단백질
액틴 결합 단백질 중 가교 단백질은 액틴 필라멘트 다발과 네트워크에서 필라멘트의 방향과 간격을 결정한다. 이러한 구조는 운동 단백질, 분지 단백질, 절단 단백질, 중합 촉진제, 캡핑 단백질 등 다양한 종류의 액틴 결합 단백질에 의해 조절된다. 비근육 세포에서 액틴 필라멘트의 형성과 회전율은 이러한 단백질들에 의해 조절된다.
4. 1. 액틴 필라멘트 조절 단백질
액틴 결합 단백질은 다발과 네트워크에서 필라멘트의 방향과 간격을 결정하여 액틴 필라멘트의 구조 형성을 조절한다. 비근육 세포에서 액틴 필라멘트는 막 표면 근처에서 형성되며, 이들의 형성과 회전율은 여러 단백질에 의해 조절된다.
액틴 필라멘트 네트워크는 각 필라멘트의 가시 말단이 고정된 필라멘트 연장 모터(액토클램핀)에 의해 세포 주변 막에 부착된다. 이 연장 모터는 포르민, VASP, 메나, WASP, N-WASP 등으로 구성되며, 주요 기질은 연장 필라멘트 말단으로 전달되는 프로필린-액틴-ATP 복합체이다.[16] 각 필라멘트의 뾰족한 말단은 세포 내부를 향한다. 라멜리포디아 성장 시 Arp2/3 복합체는 분지된 네트워크를 생성하고, 필로포디아에서는 평행한 필라멘트 배열이 형성된다.
4. 2. 액틴 필라멘트 네트워크의 동역학
비근육 세포의 액틴 필라멘트 네트워크는 매우 역동적이다. 액틴 필라멘트 네트워크는 각 필라멘트의 가시 말단이 고정된 필라멘트 연장 모터, 즉 필라멘트 가시 말단과 클램핑 단백질 (포르민, VASP, 메나, WASP 및 N-WASP)로 구성된 "액토클램핀"에 의해 세포의 주변 막에 부착되도록 배열된다.[15] 이러한 연장 모터의 주요 기질은 프로필린-액틴-ATP 복합체이며, 연장 필라멘트 말단으로 직접 전달된다.[16]5. 마이오신 모터 단백질과 액틴의 상호작용
마이오신 운동 단백질은 세포 내에서 다양한 작용을 하는 ATP 의존성 효소이다. 이들은 액틴 필라멘트에 결합하여 이를 따라 이동한다.
5. 1. 마이오신 모터 단백질의 역할
마이오신 운동 단백질은 세포 내 ATP 의존성 효소로, 액틴 필라멘트에 결합하여 액틴 필라멘트를 따라 이동한다. 다양한 종류의 마이오신 운동 단백질은 세포 내에서 장력을 가하고 화물 소포를 수송하는 등 매우 다양한 작용을 한다.6. 액토클램핀 모델
액토클램핀 모델은 액틴 필라멘트의 가시 말단을 추적하는 분자 모터인 "액토클램핀"의 존재를 제안한다.[17] 액토클램핀은 라멜리포디아, 필로포디아, 침투포디아, 수상 돌기 및 세포 내 소포의 액틴 기반 운동성, 내부 섭취, 세포 외 배출, 포도솜 형성 및 탐식의 운동 과정에 필요한 추진력을 생성한다. 또한 ''리스테리아 모노사이토제네스'', ''플렉스너 이질균'', ''바씨니아'' 및 ''리케차''와 같은 세포 내 병원체를 추진하며, 생체 모방 입자도 추진할 수 있다.
Dickinson과 Purich는 즉각적인 ATP 가수 분해가 액틴 기반 운동 중 힘을 설명할 수 있다고 보았다.[15]
6. 1. 액토클램핀 모델의 제안
액틴 필라멘트의 가시 말단을 추적하는 분자 모터인 "액토클램핀"의 존재를 제안하는 모델이 있다.[17] 제안된 액토클램핀은 라멜리포디아, 필로포디아, 침투포디아 등 다양한 세포 운동 과정에 필요한 추진력을 생성한다. 액토클램핀 모터는 ''리스테리아 모노사이토제네스'', ''플렉스너 이질균''과 같은 세포 내 병원체를 추진한다.액토클램핀이라는 용어는 액틴 필라멘트가 관여함을 나타내는 ''액토''-(예: 액토미오신), 유연하거나 움직이는 물체를 강화하고 둘 이상의 구성 요소를 안전하게 고정하는 데 사용되는 고정 장치를 나타내는 ''클램프'', 단백질 기원을 나타내는 접미사 -''인''에서 파생되었다.
Dickinson과 Purich는 즉각적인 ATP 가수 분해가 액틴 기반 운동 중에 달성된 힘을 설명할 수 있음을 인식했다.[15] 그들은 말단 추적 단백질이 이중 가닥 액틴 필라멘트의 한 하위 필라멘트 끝에 단단히 결합된 상태로 유지되는("잠긴" 또는 클램프된) Lock, Load & Fire 모델을 제안했다.
6. 2. 액토클램핀의 어원
액토클램핀이라는 용어는 액틴 필라멘트의 관여를 나타내는 '액토'(예: 액토미오신), 유연하거나 움직이는 물체를 강화하고 둘 이상의 구성 요소를 안전하게 고정하는 데 사용되는 고정 장치를 나타내는 '클램프', 단백질 기원을 나타내는 접미사 '-인'에서 파생되었다.[17] 따라서 액틴 필라멘트 말단 추적 단백질은 클램핀이라고 할 수 있다.6. 3. 액토클램핀의 힘 생성 단계
Dickinson과 Purich는 ATP 가수 분해가 액틴 기반 운동 중에 달성되는 힘을 설명할 수 있음을 알아냈다.[15] 그들은 Lock, Load & Fire 모델로 알려진 메카노 효소 시퀀스를 제안했다. 이 모델에서 말단 추적 단백질은 이중 가닥 액틴 필라멘트의 한 하위 필라멘트 끝에 단단히 결합된 상태를 유지한다. 트래커 단백질의 특정 부위에 결합한 후, 프로필린-ATP-액틴이 다른 하위 필라멘트의 끝으로 전달되고, 이미 결합된 말단 서브유닛 내의 ATP가 가수 분해되어 에너지를 제공한다. 이 에너지는 말단 추적기의 팔을 방출하는 데 사용되며, 다른 프로필린-ATP-액틴에 결합하여 새로운 단량체 첨가 과정을 시작하게 된다.액토클램핀 분자 모터의 힘 생성 단계는 다음과 같다.
# 중합 보조 인자 프로필린과 ATP·액틴이 결합하여 프로필린-ATP-액틴 복합체를 형성하고, 엔드 트래킹 유닛에 결합한다.
# 보조 인자와 단량체가 이미 결합된 액틴 필라멘트의 끝부분으로 전달된다.
# 트래킹 유닛과 보조 인자가 인접한 원섬유에서 분리된다. 이 단계는 ATP 가수 분해 에너지를 통해 촉진될 수 있다. 이 과정은 다시 반복되는데, 이번에는 다른 하위 필라멘트 성장 부위에서 시작된다.
ATP 가수 분해를 통해 작동할 때, 액토클램핀(AC) 모터는 필라멘트당 8–9 pN의 힘을 생성한다. 이는 ATP 가수 분해 없이 작동하는 모터의 필라멘트당 1–2 pN보다 훨씬 큰 수치이다.[15][17][18]
일부 액토클램핀은 액틴 중합 핵을 형성하기 위해 Arp2/3 매개 필라멘트 개시가 필요하다. 새로운 필라멘트를 생성하기 위해 Arp2/3는 "모체" 필라멘트, 단량체 ATP-액틴, 그리고 활성화 도메인을 필요로 한다. Arp2/3 복합체는 모체 필라멘트 측면에 결합하여 Y자형 분지를 형성한다. ActA 또는 VCA에 의해 활성화되면 Arp 복합체는 주요 구조 변화를 겪어 새로운 필라멘트 게이트를 생성한다. ATP 가수 분해가 핵 생성 및/또는 Y 분지 방출에 필요한지는 현재 연구 중인 문제이다.
참조
[1]
서적
Molecular Biology of the Cell
Routledge
2002-03
[2]
논문
The evolution of compositionally and functionally distinct actin filaments
2015-06
[3]
논문
Nuclear actin: from discovery to function
2018-12
[4]
논문
A structural scaffolding of intermediate filaments in health and disease
1998-01
[5]
서적
Cell Biology
SAUNDERS
[6]
논문
Fabrication of three-dimensional electrical connections by means of directed actin self-organization
2013-05
[7]
특허
Method for obtaining three-dimensional actin structures and uses thereof
US Patent
[8]
논문
The interaction of Arp2/3 complex with actin: nucleation, high affinity pointed end capping, and formation of branching networks of filaments
1998-05
[9]
논문
Feisty filaments: actin dynamics in the red blood cell membrane skeleton
2016-05
[10]
논문
Plasma Membrane is Compartmentalized by a Self-Similar Cortical Actin Meshwork
2017-03-09
[11]
논문
Actin, Spectrin, and Associated Proteins Form a Periodic Cytoskeletal Structure in Axons
2013-01-25
[12]
논문
STED Nanoscopy Reveals the Ubiquity of Subcortical Cytoskeleton Periodicity in Living Neurons
2015-03
[13]
논문
Fluorescence nanoscopy in cell biology
Nature Portfolio
2017-09-06
[14]
논문
The actin cytoskeleton of the mouse sperm flagellum is organized in a helical structure
2018-06-01
[15]
논문
Nematode sperm motility: nonpolar filament polymerization mediated by end-tracking motors
2007-01
[16]
논문
A direct-transfer polymerization model explains how the multiple profilin-binding sites in the actoclampin motor promote rapid actin-based motility
2002-10
[17]
논문
Force generation by cytoskeletal filament end-tracking proteins
2004-10
[18]
논문
Diffusion rate limitations in actin-based propulsion of hard and deformable particles
2006-08
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com