미세소관
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
미세소관은 진핵생물 세포의 세포 골격을 구성하는 요소로, 튜불린 단백질로 이루어진 속이 빈 원통형 구조이다. 세포 내에서 기계적 지지, 세포질 구성, 수송, 운동성, 염색체 분리 등 다양한 기능을 수행하며, 세포 이동, 섬모와 편모의 구조, 발생 과정에도 관여한다. 미세소관은 동적 불안정성을 통해 성장과 수축을 반복하며, 미세소관 결합 단백질(MAPs)과 운동 단백질(키네신, 다이닌)의 작용을 받는다. 또한, 튜불린 결합 약물과 환경적 요인에 의해 미세소관의 역학이 조절될 수 있다.
더 읽어볼만한 페이지
- 세포골격 - 중간섬유
중간 섬유는 세포의 구조적 지지 역할을 하는 단백질 섬유로, 다양한 종류가 존재하며 세포 유형에 따라 특이적인 기능을 수행하고, 세포 부착, 세포 내 신호 전달 등 다양한 기능을 수행하며, 유전자 변이는 질병을 유발할 수 있다. - 세포골격 - 액틴 핵형성 코어
액틴 핵형성 코어는 세포 내 액틴 필라멘트 형성을 시작하는 분자 복합체 또는 단백질로, 세포 형태 유지, 이동, 분열 등 생명 현상에 필수적이며 Formin, Arp2/3 복합체 등이 관여하고 질병 치료 가능성 연구에 활용된다. - 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.
| 미세소관 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| 구성 성분 | 튜불린 |
| 구조 | |
| 설명 | 속이 빈 관 모양의 구조 |
| 직경 | 약 25 nm |
| 벽 두께 | 약 5 nm |
| 길이 | 수 나노미터에서 수십 마이크로미터 |
| 기능 | |
| 세포 내 수송 | 키네신 다인 |
| 세포 모양 유지 | 세포의 형태와 극성 유지 |
| 세포 분열 | 유사 분열 시 염색체 분리 |
| 세포 운동성 | 섬모와 편모의 운동 |
| 세포 신호 전달 | 세포 신호 전달 경로 조절 |
| 구성 | |
| 단위체 | α-튜불린과 β-튜불린 이종이량체 |
| 원섬유 | 13개의 원섬유가 원통형으로 배열 |
| 극성 | (+) 말단: β-튜불린 노출 (-) 말단: α-튜불린 노출 |
| 역동성 | 동적 불안정성 (중합과 탈중합 반복) |
| 관련 단백질 | |
| MAP | 마이크로튜불 관련 단백질 (Microtubule-associated proteins) |
| 종류 | MAP2 MAP4 타우 단백질 |
| 기타 정보 | |
| 발견 | 1963년 M.C. 레드베터와 K.R. 포터가 식물 세포에서 처음 관찰 |
| 연구 | 1979년 M. 찰피와 J.N. 톰슨이 선충 C. elegans에서 신경세포 마이크로튜불 구조 연구 |
2. 역사
레벤후크와 같은 초기 현미경 관찰자들은 세포 운동과 같은 튜불린과 미세소관 매개 과정을 관찰했다.[8] 그러나 편모 및 기타 구조의 섬유질 특성은 2세기 후에 개선된 광학 현미경으로 발견되었으며, 20세기에 전자 현미경과 생화학적 연구를 통해 확인되었다.[8]
진핵생물에서 미세소관은 중합된 α- 및 β-튜불린 단백질 이량체로 구성된 길고 속이 빈 원통형 구조이다.[12] α 및 β-튜불린 서브유닛은 아미노산 수준에서 ~50% 동일하며, 둘 다 분자량은 약 50 kDa이다.[13][14]
미세소관은 세포의 세포질 내 구조적 네트워크인 세포 골격의 일부이다.[23] 미세소관 세포 골격의 역할에는 기계적 지지, 세포질의 구성, 수송, 운동성 및 염색체 분리가 포함된다. 발달 중인 신경세포에서 미세소관은 신경세관으로 알려져 있으며, 세포 골격의 또 다른 구성 요소인 액틴의 역학을 조절할 수 있다.[24] 미세소관은 힘을 생성하기 위해 성장하고 수축할 수 있으며, 소기관 및 기타 세포 구성 요소를 미세소관을 따라 운반할 수 있는 운동 단백질이 있다.
미세소관을 형광 표지하고 미세소관 또는 운동 단백질을 현미경 슬라이드에 고정하여 다이네인 및 키네신과 같은 미세소관 운동 단백질에 대한 ''생체 외'' 분석이 연구된다.[9] 비디오 강화 현미경으로 슬라이드를 시각화하여 운동 단백질의 이동을 기록함으로써 미세소관을 따라 운동 단백질의 움직임이나 운동 단백질을 가로지르는 미세소관의 움직임을 관찰할 수 있다.[9] 일부 미세소관 과정은 키모그래프로 결정될 수 있다.[10]
3. 구조
이 α/β-튜불린 단백질 이량체는 중합되어 선형 '''원섬유'''로 결합하여 단일 미세소관을 형성하며, 이는 더 많은 α/β-튜불린 이량체의 첨가를 통해 확장될 수 있다. 일반적으로 미세소관은 13개의 원섬유가 평행하게 결합하여 형성되지만, 다양한 종과 ''시험관 내''에서 더 적거나 더 많은 원섬유로 구성된 미세소관이 관찰되었다.[15][16] 튜불린에는 α, β, γ, δ 등의 종류가 있는 것으로 알려져 있으며, 미세 소관은 주로 α 튜불린과 β 튜불린이 결합한 헤테로 이량체(헤테로 다이머)를 기본 단위로 구성된다. α, β 튜불린으로 구성된 헤테로 이량체가 섬유 형태로 연결된 것을 프로토필라멘트라고 부른다.
미세소관은 생물학적 기능에 중요한 뚜렷한 극성을 갖는다. 튜불린은 β-서브유닛이 다음 이량체의 α-서브유닛과 접촉하면서 끝에서 끝으로 중합된다. 따라서 원섬유에서 한쪽 끝은 α-서브유닛이 노출되고 다른 쪽 끝은 β-서브유닛이 노출된다. 이 끝은 각각 (−) 및 (+) 끝으로 지정된다. 원섬유는 동일한 극성을 가지고 서로 평행하게 묶이므로 미세소관에는 β-서브유닛만 노출된 (+) 끝이 있고, 다른 쪽 끝 (−) 끝에는 α-서브유닛만 노출된다. 미세소관 신장은 (+) 및 (−) 끝 모두에서 발생할 수 있지만 (+) 끝에서 훨씬 더 빠르게 발생한다.[17]
원섬유의 측면 결합은 유사 나선형 구조를 생성하며, 가장 일반적인 "13-3" 구조에서 13번째 튜불린 이량체는 회전의 나선성으로 인해 3개의 튜불린 단량체의 수직 오프셋을 갖는 다음 튜불린 이량체와 상호 작용한다. 11-3, 12-3, 14-3, 15-4 또는 16-4와 같은 다른 대체 구조도 훨씬 낮은 발생 빈도로 감지되었다.[18] 미세소관은 또한 유공충과 같은 원생생물 유기체에서 관찰되는 나선형 필라멘트와 같은 다른 형태로 변형될 수 있다.[19]
미세소관 내 측면 원섬유의 서브유닛 사이에서 발생할 수 있는 A형과 B형 격자라는 두 가지 뚜렷한 유형의 상호 작용이 있다. A형 격자에서 원섬유의 측면 결합은 인접한 α 및 β-튜불린 서브유닛 사이에서 발생한다(예: 한 원섬유의 α-튜불린 서브유닛은 인접한 원섬유의 β-튜불린 서브유닛과 상호 작용한다). B형 격자에서 한 원섬유의 α 및 β-튜불린 서브유닛은 각각 인접한 원섬유의 α 및 β-튜불린 서브유닛과 상호 작용한다. 실험 연구에 따르면 B형 격자가 미세소관 내의 주요 배열이다. 그러나 대부분의 미세소관에는 튜불린 서브유닛이 α-β로 상호 작용하는 솔기가 있다.[20] 이것이 나선 형태로 11~16개 정도 모여 관 모양의 구조를 이룬 것이 미세 소관이다. 세포 내에서 발견되는 미세 소관의 주요 구조는 13개의 프로토필라멘트로 구성되어 있으며, 직경은 약 25nm이다. 또한, 편모 · 섬모에는 더블렛, 트리플렛이라고 불리는 2개 또는 3개의 미세 소관이 융합된 구조도 발견된다.
일부 ''Prosthecobacter'' 종에도 미세소관이 포함되어 있다. 이러한 박테리아 미세소관의 구조는 진핵생물 미세소관과 유사하며, 박테리아 튜불린 A(BtubA)와 박테리아 튜불린 B(BtubB)의 이종이량체에서 조립된 원섬유의 속이 빈 튜브로 구성된다. BtubA와 BtubB는 모두 α- 및 β-튜불린의 특징을 공유한다. 진핵생물 미세소관과 달리 박테리아 미세소관은 접히기 위해 샤페론이 필요하지 않다.[21] 진핵생물 미세소관의 13개 원섬유와 달리 박테리아 미세소관은 5개만 포함한다.[22]
세포 내 미세 소관의 표면에는 미세 소관 결합 단백질 (MAPs)이라고 불리는 단백질이 결합되어 있다. 이러한 결합 단백질의 종류는 신경 세포, 편모, 섬모, 방추사 등, 조직이나 미세 소관의 기능에 따라 다르며, 미세 소관의 기능을 조절한다고 생각된다. 튜불린과 이 미세 소관 결합 단백질의 복합체를 넓은 의미에서 미세 소관이라고 부른다.
4. 세포 내 구성
세포 내 미세소관의 구성은 세포 유형에 따라 다르다. 상피 세포에서 미세소관 중합체의 마이너스 말단은 세포 간 접촉 지점 근처에 고정되어 있고 정점-기저 축을 따라 구성된다. 핵형성 후, 마이너스 말단은 방출된 다음 나이닌 및 PLEKHA7과 같은 인자에 의해 주변부에서 다시 고정된다.[25] 섬유아세포 및 기타 중간엽 세포 유형에서 미세소관은 중심체에 고정되어 있으며 플러스 말단을 세포 주변부 바깥쪽으로 방사한다. 이러한 세포에서 미세소관은 세포 이동에 중요한 역할을 한다. 또한 미세소관의 극성은 소포체 및 골지체를 포함하여 세포의 많은 구성 요소를 구성하는 운동 단백질에 의해 작용한다.
5. 미세소관 중합
5. 1. 핵형성 (Nucleation)
핵형성은 튜불린 이량체로부터 미세소관의 형성을 시작하는 사건이다.[26] 미세소관은 일반적으로 미세소관 형성 중심체(MTOC)라고 불리는 세포 소기관에 의해 구성된다. MTOC 내에는 γ-튜불린이 포함되어 있으며, γ-튜불린은 다른 여러 관련 단백질과 결합하여 "γ-튜불린 링 복합체"(γ-TuRC)를 형성한다. 이 복합체는 α/β-튜불린 이량체가 중합을 시작하는 템플릿 역할을 하며, MTOC에서 (+) 방향으로 미세소관이 계속 성장하는 동안 (−) 말단의 캡 역할을 한다.[26]
중심체는 대부분의 세포 유형에서 주요 MTOC이다. 그러나 미세소관은 섬모와 편모의 기저부에 있는 기저체나 골지체와 같은 다른 부위에서도 핵형성될 수 있다.[27] 골지체와 관련된 미세소관 핵형성은 세포가 미세소관 네트워크에서 비대칭성을 확립할 수 있게 한다. 또한, 단백질 복합체 오그민(augmin)은 γ-TuRC와 상호 작용하여 유사 분열 방추체 기원 주변의 미세소관 밀도를 증가시키는 중심체 의존적이고 방추체 기반 미세소관 생성의 중요한 인자이다.[28]
식물 세포와 같이 잘 정의된 MTOC가 없는 일부 세포 유형에서는 미세소관이 세포질 내의 개별 부위로부터 핵형성된다. 트리파노소마티드 기생충과 같은 다른 세포 유형은 MTOC를 가지고 있지만, 이는 편모의 기저부에 영구적으로 위치하며, 구조적 역할과 유사 분열 방추체 생성을 위한 미세소관의 핵형성이 전형적인 중심립과 같은 MTOC에서 이루어지지 않는다.
5. 2. 중합 (Polymerization)
튜불린 단량체는 초기 핵 생성 사건 이후 성장하는 중합체에 추가된다. 단량체를 추가하거나 제거하는 과정은 미세소관 말단에서 더 이상 순 조립 또는 분해가 일어나지 않는 임계 농도와 관련된 용액 내 αβ-튜불린 이량체의 농도에 따라 달라진다. 임계 농도는 이량체의 정상 상태 농도이다. 이량체 농도가 임계 농도보다 높으면 미세소관이 중합되어 성장한다. 농도가 임계 농도보다 낮으면 미세소관의 길이가 감소한다.[29]
6. 미세소관 역학
6. 1. 동적 불안정성 (Dynamic Instability)
동적 불안정성은 미세소관 말단에서 조립과 분해가 공존하는 현상을 말한다. 미세소관은 이 영역에서 성장 단계와 수축 단계를 동적으로 전환할 수 있다.[30] 튜불린 이량체는 두 분자의 GTP에 결합할 수 있으며, 그 중 하나는 조립 후에 가수분해되어 GDP가 될 수 있다.[12][31] α-튜불린에 결합된 GTP는 안정적이며, 이 결합 상태에서 구조적 기능을 한다. 그러나 β-튜불린에 결합된 GTP는 조립 직후에 가수분해될 수 있다. GDP-튜불린의 조립 특성은 GTP-튜불린과 다르며, GDP-튜불린은 탈중합되기 쉽다.[31]
미세소관 끝에 있는 GDP 결합 튜불린 서브유닛은 떨어져 나가기 쉽지만, 미세소관 중간에 있는 GDP 결합 튜불린은 자발적으로 폴리머에서 튀어 나올 수 없다. 튜불린이 GTP 결합 상태에서 미세소관의 끝에 추가되므로, GTP 결합 튜불린의 캡이 미세소관의 끝에 존재하여 분해로부터 보호하는 것으로 추정된다. 가수분해가 미세소관의 끝에 도달하면, 급격한 탈중합과 수축이 시작된다. 성장에서 수축으로의 이러한 전환을 "재앙(catastrophe)"이라고 부른다. GTP 결합 튜불린은 다시 미세소관의 끝에 추가되기 시작하여 새로운 캡을 제공하고 미세소관을 수축으로부터 보호할 수 있다. 이를 "구조(rescue)"라고 한다.[32]
미세소관에는 방향성이 있으며, 튜불린 이량체가 부착되기 쉬운 쪽을 + (플러스) 단, 해리되기 쉬운 쪽을 - (마이너스) 단이라고 부른다. + 단과 - 단에서는 부착 속도가 두 배 정도 차이가 난다. 부착·해리 속도는 유리 튜불린의 농도에 따라 결정되며, 고농도인 경우에는 어느 쪽 단에서도 부착이 일어난다. 미세소관의 겉보기 길이가 변하지 않는 경우에도 항상 + 단에서의 신장과 - 단에서의 단축이 일어나고 있으며, 이 상태를 트레드밀이라고 부른다. 또한, 미세소관 + 단에서도 임계 농도 이상의 유리 튜불린이 존재하더라도 반드시 신장이 계속되는 것은 아니며, 중합을 계속하던 미세소관이 갑자기 급격한 탈중합을 일으키는 경우가 있으며, 이를 동적 불안정성이라고 부른다.
이 미세소관의 신장과 단축은 미세소관 결합 단백질(MAPs)에 의해 다양하게 변화한다. 미세소관을 안정화시키는 것, 미세소관을 절단하는 것, 미세소관끼리 결합시키는 것 등이 있다.
미세소관은 그 - 단을 중심체에 두고, 중합 장소인 + 단을 세포 내의 다양한 영역으로 뻗는 경우가 많다. 또한, 중심체를 구성하는 중심립 자체도 미세소관으로 구성되어 있다. 또한, 중심체에는 γ-튜불린이 포함되어 있으며, 이 γ-튜불린에 결합하는 형태로 미세소관이 신장한다.
6. 2. 탐색 및 포획 모델 (Search and Capture Model)
1986년, 마크 키르슈너와 팀 미치슨은 미세소관이 플러스 말단에서 성장과 수축의 역동적인 특성을 이용하여 세포의 3차원 공간을 탐색한다고 제안했다. 동원체나 극성 부위를 만나는 플러스 말단은 포착되어 더 이상 성장하거나 수축하지 않으며, 반감기가 5~10분인 일반적인 동적 미세소관과 달리, 포착된 미세소관은 수 시간 동안 지속될 수 있다. 이 아이디어는 일반적으로 "탐색 및 포착" 모델로 알려져 있다.[33] 이후 연구는 이 아이디어를 대체로 입증했다. 동원체에서 다양한 복합체가 미세소관 (+)-말단을 포착하는 것으로 밝혀졌다.[34] 또한, 간기 미세소관에 대한 (+)-말단 캡핑 활성도 설명되었다.[35] 이 활성은 포르민,[36] 샘종 폴리포시스 대장증 단백질, 그리고 미세소관의 성장하는 플러스 말단을 따라가는 단백질인 EB1에 의해 매개된다.[37]7. 미세소관 역학 조절
7. 1. 번역 후 변형 (Post-translational Modifications)
대부분의 미세소관은 반감기가 5~10분이지만, 특정 미세소관은 몇 시간 동안 안정적으로 유지될 수 있다.[35] 이러한 안정화된 미세소관은 미세소관에 결합된 효소의 작용에 의해 튜불린 소단위에 번역 후 변형을 축적한다.[38][39] 그러나 미세소관이 탈중합되면, 이러한 변형의 대부분은 가용성 효소에 의해 빠르게 되돌려진다. 대부분의 변형 반응은 느리지만 반대 반응은 빠르기 때문에, 변형된 튜불린은 수명이 긴 안정적인 미세소관에서만 감지된다. 이러한 변형의 대부분은 알파-튜불린의 C-말단 부위에서 발생한다. 음전하를 띤 글루탐산이 풍부한 이 부위는 미세소관에서 돌출되어 모터와 접촉하는 비교적 구조화되지 않은 꼬리를 형성한다. 따라서 튜불린 변형이 모터와 미세소관의 상호 작용을 조절한다고 여겨진다. 이러한 안정적인 변형된 미세소관은 일반적으로 간기 세포에서 세포 극성 부위를 향하므로, 변형된 미세소관의 이 부분 집합은 소포를 이러한 극성 구역으로 전달하는 데 도움이 되는 특수 경로를 제공한다.
- 탈티로신화: 알파-튜불린에서 C-말단 티로신의 제거. 이 반응은 새로운 C-말단에서 글루탐산을 노출시킨다. 결과적으로, 이러한 변형을 축적하는 미세소관은 종종 Glu-미세소관이라고 불린다. 튜불린 카르복시펩티다제는 아직 확인되지 않았지만, 튜불린-티로신 연결효소(TTL)는 알려져 있다.[40]
- 델타2: 알파-튜불린의 C-말단에서 마지막 두 잔기의 제거.[41] 탈티로신화와 달리, 이 반응은 비가역적이라고 생각되며 뉴런에서만 문서화되었다.
- 아세틸화: 알파-튜불린의 라이신 40에 아세틸 그룹의 첨가. 이 변형은 미세소관 내부에서만 접근할 수 있는 라이신에서 발생하며, 효소가 라이신 잔기에 접근하는 방식은 여전히 불분명하다. 튜불린 아세틸전이효소의 성격은 논란의 여지가 있지만, 포유류에서 주요 아세틸전이효소는 ATAT1임이 밝혀졌다.[42] 그러나, 반대 반응은 HDAC6에 의해 촉매되는 것으로 알려져 있다.[43] 미세소관의 구조와 기능에 대한 아세틸화의 실제 영향은 여전히 파악하기 어렵다.[44]
- 폴리글루타밀화: 알파-튜불린 말단 근처에서 발견되는 다섯 개의 글루탐산 중 임의의 하나에 글루탐산 중합체(일반적으로 4-6개의 잔기 길이)[45]의 첨가. TTL과 관련된 효소는 초기 분지 글루탐산을 첨가하고(TTL4, 5 및 7), 동일한 계열에 속하는 다른 효소는 폴리글루탐산 사슬을 연장한다(TTL6, 11 및 13).[39]
- 폴리글리실화: 베타-튜불린 말단 근처에서 발견되는 다섯 개의 글루탐산 중 임의의 하나에 글리신 중합체(2-10개의 잔기 길이)의 첨가. TTL3과 8은 초기 분지 글리신을 첨가하고, TTL10은 폴리글리신 사슬을 연장한다.[39]
튜불린은 또한 인산화, 유비퀴틴화, sumoylation, 팔미토일화되는 것으로 알려져 있다.[38]
7. 2. 튜불린 결합 약물 및 화학적 효과
다양한 종류의 약물이 튜불린에 결합하여 미세소관 조립 속성을 변경할 수 있다.[46] 이러한 약물은 튜불린 농도보다 훨씬 낮은 세포 내 농도에서도 영향을 미칠 수 있으며, 이는 세포의 세포 주기를 멈추게 하고 프로그래밍된 세포사멸 또는 세포자멸사를 유발할 수 있다.[46] 그러나 미세소관 역학의 간섭만으로는 세포 분열을 막기에 불충분하다는 연구 결과도 있으며, 낮은 농도에서 역학 억제가 발생함을 보여준다. 튜불린 돌연변이 또는 약물 치료에 의한 미세소관 역학 억제는 세포 이동을 억제한다.[47] 미세소관 안정제와 불안정제 모두 미세소관 역학을 억제할 수 있다.미세소관 역학을 변경하는 약물은 다음과 같다.
- 탁산 계열 항암제 (파클리탁셀(탁솔) 및 도세탁셀)는 미세소관에서 GDP 결합 튜불린을 안정화시켜 역동적 불안정성을 차단한다. GTP 가수 분해가 미세소관 끝에 도달해도 탈중합이 일어나지 않아 미세소관이 수축되지 않는다. 탁산은 유방 및 부인과 악성 종양, 편평 세포 암종 (두경부 암, 일부 폐암 등)에 사용된다.
- 에포틸론류 (예: 익사베필론)은 탁산과 유사하게 작용한다.
- 빈카 알칼로이드(vinca alkaloid) 계열 항암제 (빈크리스틴, 빈블라스틴), 노코다졸, 콜히친은 튜불린의 미세소관 중합을 차단하는 반대 효과를 나타낸다.
- 에리불린은 미세소관의 (+) 성장 말단에 결합하여 장기간의 비가역적인 유사분열 차단을 유도하고, 암세포의 세포자멸사를 유발하여 항암 효과를 발휘한다.
β3-튜불린 발현은 약물로 유도된 미세소관 역학 억제에 대한 세포 반응을 변경하는 것으로 보고되었다.[48] 일반적으로 역학은 세포 이동도 억제하는 미세소관 약물의 낮고 독성이 없는 농도에 의해 억제되지만, β3-튜불린을 미세소관에 통합하면 역학을 억제하고 세포 이동을 억제하는 데 필요한 약물 농도가 증가한다. 따라서 β3-튜불린을 발현하는 종양은 미세소관 표적 약물의 세포 독성 효과뿐만 아니라 종양 전이를 억제하는 능력에도 내성을 갖는다.[48] β3-튜불린의 발현은 혈관 생성을 억제하는 약물의 능력에도 영향을 미친다.[49]
미세소관 중합체는 다양한 환경적 영향에 민감하다. 낮은 수준의 유리 칼슘은 미세소관을 불안정하게 만들 수 있다.[12] 낮은 온도는 미세소관의 빠른 탈중합을 유발하며, 반대로 중수는 미세소관 중합체의 안정성을 촉진한다.[50]
콜히친은 방추사 형성을 저해하여 과수에서 씨 없는(불임) 과실 품종 개량에 사용된다 (씨 없는 수박 참조). 또한, 카타닌에 의해 절단된다.
8. 미세소관과 상호 작용하는 단백질
8. 1. 미세소관 결합 단백질 (Microtubule-Associated Proteins, MAPs)
MAP(미세소관 관련 단백질)는 ''생체 내'' 미세소관 역학 조절에 중요한 역할을 한다. 미세소관 중합, 탈중합 및 재앙의 속도는 어떤 미세소관 관련 단백질(MAP)이 존재하느냐에 따라 달라진다.[51] 원래 뇌 조직에서 확인된 MAP는 분자량을 기준으로 두 그룹으로 분류할 수 있다. 55-62 kDa 미만의 분자량을 가진 첫 번째 부류는 τ (타우) 단백질이라고 불린다. ''시험관 내''에서, 타우 단백질은 미세소관에 직접 결합하여 핵생성을 촉진하고 분해를 방지하며 평행 배열 형성을 유도한다. 또한, 타우 단백질은 축삭에서 미세소관을 안정화시키고 알츠하이머병과 관련되어 있다.[52] 200-1000 kDa의 분자량을 지닌 두 번째 부류는 MAP-1, MAP-2, MAP-3 및 MAP-4의 네 가지 유형이 알려져 있다. MAP-1 단백질은 A, B 및 C의 세 가지 다른 단백질 집합체로 구성되어 있다. C 단백질은 세포질 다이닌이라고도 알려져 있으며 소포의 역수송에서 중요한 역할을 한다. MAP-2 단백질은 신경 세포의 수상돌기와 세포체에 위치하며, 다른 세포 골격 필라멘트와 결합한다. MAP-4 단백질은 대부분의 세포에서 발견되며 미세소관을 안정화시킨다. 미세소관 구조에 안정화 효과가 있는 MAP 외에도, 다른 MAP는 절단하거나 미세소관의 탈중합을 유도하여 불안정화 효과를 가질 수 있다. 카타닌, 스파스틴, 피제틴이라는 세 가지 단백질은 불안정화 활동을 통해 미세소관의 수와 길이를 조절한다.[53] 또한, CRACD 유사 단백질은 미세소관에 국한될 것으로 예상된다.MAP는 축삭과 수상돌기의 서로 다른 세포 골격 형태의 결정 인자이며, 미세소관은 수상돌기에서 더 멀리 떨어져 있다.[54]
8. 2. 플러스 말단 추적 단백질 (+TIPs)
미세소관 플러스-엔드 트래킹 단백질(plus-end tracking proteins영어; +TIPs)은 성장하는 미세소관의 끝에 결합하여 미세소관 역학을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 MAP 단백질이다. 예를 들어, +TIPs는 유사분열 동안 염색체와 미세소관의 상호 작용에 참여하는 것으로 관찰되었다. +TIP로 확인된 첫 번째 MAP는 미세소관 탈중합 구조 사건에 역할을 하는 것으로 밝혀진 CLIP170(세포질 링커 단백질)이다. +TIP의 추가적인 예로는 EB1, EB2, EB3, p150Glued, 다이나미틴, Lis1, CLIP115, CLASP1, CLASP2가 있다.8. 3. 모터 단백질 (Motor Proteins)
미세소관은 소포 수송 및 세포 분열과 같은 중요한 세포 기능에 관여하는 운동 단백질의 기질 역할을 할 수 있다.[55] 다른 미세소관 관련 단백질과 달리 운동 단백질은 ATP 가수분해로부터 에너지를 활용하여 기질을 따라 단백질을 이동시키는 기계적 일을 생성한다.[55] 미세소관과 상호 작용하는 주요 운동 단백질은 일반적으로 미세소관의 (+) 말단으로 이동하는 키네신과 (-) 말단으로 이동하는 다이닌이다.
다이닌은 두 개의 동일한 헤비 체인으로 구성되며, 이들은 두 개의 큰 구형 머리 도메인과 가변적인 수의 중간 및 라이트 체인을 구성한다. 다이닌 매개 수송은 (+) 말단에서 (-) 말단으로 일어난다. ATP 가수분해는 AAA+ (다양한 세포 활동과 관련된 ATPase) 단백질 계열과 유사성을 공유하는 구형 머리 도메인에서 발생한다. 이 도메인에서 ATP 가수분해는 미세소관 결합 도메인을 통해 미세소관을 따라 이동하는 것과 결합된다. 다이닌은 세포질 전체에서 소포와 세포 소기관을 수송한다. 이를 위해 다이닌 분자는 다이나틴을 포함한 여러 요소가 포함된 단백질 복합체를 통해 세포 소기관 막에 결합한다.
키네신은 다이닌과 유사한 구조를 가지고 있다. 키네신은 소포, 세포 소기관, 단백질 복합체 및 mRNA를 포함한 다양한 세포 내 화물을 미세소관의 (+) 말단으로 수송하는 데 관여한다.[55]
세포 분열 시 형성되는 방추사(spindle)나 섬모 및 편모의 주요 구조는 여러 개의 미세 소관 묶음으로 이루어져 있으며, 염색체의 이동이나 편모 운동 등의 운동을 관장한다(원핵생물의 편모에는 미세 소관이 존재하지 않는다).[55] 미세 소관을 발판(레일)으로 하는 운동 단백질로는 다이닌과 키네신 등이 알려져 있다. 이러한 단백질은 세포의 거시적인 운동뿐만 아니라 단백질이나 mRNA와 같은 분자의 세포 내 국재화에도 관여하는데, 이 경우 -말단에서 +말단으로의 수송을 순행성, +말단에서 -말단으로의 수송을 역행성으로 구분하며, 어느 수송이든 미세 소관계와 세포질 내에 존재하는 운동 단백질군과의 상호 작용에 의해 일어난다. 순행성 수송은 키네신이, 역행성 수송에는 다이닌이 중요한 역할을 한다고 알려져 있다.[55]
게놈 복제를 위해 핵에 접근해야 하는 일부 바이러스 (레트로바이러스, 헤르페스바이러스, 파보바이러스 및 아데노바이러스 포함)는 운동 단백질에 부착된다.
9. 유사 분열 (Mitosis)
9. 1. 중심체 (Centrosomes)
세포중심체는 세포 분열 동안 세포의 주요 미세소관 형성 중심(MTOC)이다.[56] 각 세포중심체는 서로 직각으로 배치된 두 개의 중심립으로 구성된다. 중심립은 9개의 주요 미세소관으로 형성되며, 각 미세소관에는 두 개의 부분 미세소관이 부착되어 있다.[56]
세포 분열 과정에 관여하는 대부분의 미세소관이 세포중심체에서 시작되므로, 세포중심체는 세포 분열에 매우 중요하다.[57] 각 미세소관의 마이너스(-) 말단은 세포중심체에서 시작되고, 플러스(+) 말단은 모든 방향으로 뻗어나간다. 따라서 세포중심체는 세포 분열 동안 미세소관의 극성을 유지하는 데에도 중요하다.[57]
대부분의 세포는 세포 주기의 대부분 동안 하나의 세포중심체만 가지고 있지만, 세포 분열 직전에 세포중심체가 복제되어 세포는 두 개의 세포중심체를 갖게 된다.[58] 세포중심체에서 방사되는 미세소관 중 일부는 자매 세포중심체로부터 직접 멀어지며 성장한다. 이러한 미세소관을 성상 미세소관이라고 한다. 이러한 성상 미세소관의 도움으로 세포중심체는 서로 멀어져 세포의 반대쪽으로 이동한다. 일단 거기에 도달하면, 극간 미세소관과 K-섬유를 포함하여 세포 분열에 필요한 다른 유형의 미세소관이 형성되기 시작할 수 있다.[59]
세포 분열 동안 세포중심체와 미세소관에 대한 마지막 중요한 사항은, 세포중심체가 세포 분열에 필요한 미세소관의 MTOC인 반면, 연구에 따르면 일단 미세소관 자체가 형성되어 올바른 위치에 있으면 세포 분열이 발생하는 데 세포중심체 자체가 필요하지 않다는 것이다.[60]
9. 2. 유사 분열 방추체 (Mitotic Spindle) 내 미세소관 핵형성
대부분의 미세소관은 중심체에서 기원한다.[66] 원래는 탐색 및 포획 방법을 통해 이러한 모든 미세소관이 중심체에서 기원한다고 생각했지만, 새로운 연구를 통해 세포 분열 중에 미세소관 핵형성이 추가적으로 이루어진다는 사실이 밝혀졌다.[66] RAN-GTP 경로는 세포 분열 중에 염색질과 결합하여 염색체 근처에서 미세소관의 국소 핵형성을 가능하게 하는 구배를 생성한다.[66] 또한, 오그민/HAUS 복합체(일부 유기체는 더 연구된 오그민 복합체를 사용하고, 인간과 같은 다른 유기체는 HAUS라고 하는 유사한 복합체를 사용한다)라고 알려진 두 번째 경로는 유사 분열 방추체 내 미세소관 핵형성의 추가 수단으로 작용한다.[66]10. 기능
10. 1. 세포 이동 (Cell Migration)
미세소관의 동적 불안정성은 기어가는 대부분의 포유류 세포의 이동에 필요하다.[67] 동적 미세소관은 세포 수축성과 세포 확산을 조절하는 주요 G-단백질인 RhoA[68] 및 Rac1[69]의 수준을 조절한다. 또한, 이동에 필요한 초점 부착 해체를 유발하는 데 필요하다.[70]미세소관은 세포 이동 중 후행 가장자리 수축에 필요한 수축력을 억제하는 "버팀대" 역할을 한다.[47] 세포의 후행 가장자리에 있는 미세소관이 동적일 때, 수축을 허용하도록 재형성될 수 있다. 동적 현상이 억제되면 미세소관은 재형성될 수 없으므로 수축력에 반대한다.[47] 미세소관 역학이 억제된 세포의 형태는 세포가 앞 가장자리(이동 방향으로 분극됨)를 확장할 수 있지만 후행 가장자리를 수축하는 데 어려움이 있음을 나타낸다.[71] 반면, 높은 약물 농도 또는 미세소관을 탈중합하는 미세소관 돌연변이는 세포 이동을 회복시킬 수 있지만 방향성을 잃는다. 따라서 미세소관은 세포 이동을 억제하고 방향성을 확립하는 데 모두 작용한다고 결론지을 수 있다.
분극된 간기 세포에서 미세소관은 MTOC에서 이동하는 섬유아세포의 선두 가장자리와 같은 극성 부위로 불균형적으로 향한다. 이러한 구성은 미세소관에 결합된 소포를 골지에서 극성 부위로 전달하는 데 도움이 되는 것으로 생각된다.
10. 2. 섬모 및 편모 (Cilia and Flagella)
미세소관은 진핵생물의 섬모와 편모에서 주요한 구조적 역할을 한다. 섬모와 편모는 항상 기저체라고 불리는 MTOC에서 직접 뻗어 나온다. 섬모나 편모를 따라 뻗어 있는 다양한 미세소관 가닥에서 다이닌 운동 단백질의 작용은 세포 소기관이 구부러지고 헤엄치거나 세포 외부 물질을 이동시키는 등의 역할을 수행하기 위한 힘을 생성하도록 한다. 원핵생물은 FtsZ를 포함한 튜불린 유사 단백질을 가지고 있다. 그러나 원핵생물 편모는 구조적으로 진핵생물 편모와 완전히 다르며 미세소관 기반 구조를 포함하지 않는다.세포 분열 시 형성되는 방추사(spindle)나 섬모 및 편모의 주요 구조는 여러 개의 미세 소관 묶음으로 이루어져 있으며, 염색체의 이동이나 편모 운동 등의 운동을 관장한다(원핵생물의 편모에는 미세 소관이 존재하지 않는다). 미세 소관을 발판(레일)으로 하는 운동 단백질로는 다이닌과 키네신 등이 알려져 있다. 이러한 단백질은 세포의 거시적인 운동뿐만 아니라 단백질이나 mRNA와 같은 분자의 세포 내 국재화에도 관여하는데, 이 경우 -말단에서 +말단으로의 수송을 순행성, +말단에서 -말단으로의 수송을 역행성으로 구분하며, 어느 수송이든 미세 소관계와 세포질 내에 존재하는 운동 단백질군과의 상호 작용에 의해 일어난다. 순행성 수송은 키네신이, 역행성 수송에는 다이닌이 중요한 역할을 한다고 알려져 있다.
10. 3. 발생 (Development)
세포골격을 형성하는 미세소관은 유기체의 형태 형성 과정에 필수적이다.[72] 예를 들어, ''초파리''의 배아 발생 동안 난자의 축을 설정하기 위해 난모세포 내에 편광된 미세소관 네트워크가 필요하다. 여포 세포와 난모세포 사이에서 전달되는 신호는 미세소관의 재구성을 일으켜 그 (-) 말단이 난모세포의 아래 부분에 위치하게 하여 구조를 편광시키고 전후 축의 출현을 유도한다.[72] 이러한 신체 구조 관여는 포유류에서도 나타난다.[73]고등 척추동물의 신경계 발달에서 튜불린 역학과 관련된 단백질의 역학은 미세하게 제어된다.[74]
10. 4. 유전자 조절 (Gene Regulation)
세포 골격은 역동적인 시스템으로, 유전자 발현에 영향을 미칠 수 있다.[75] 미세소관의 약물 매개 탈중합과 전사 인자의 특정 발현 사이의 관계가 설명되었으며, 이는 이러한 인자의 존재 여부에 따라 유전자의 차등 발현에 대한 정보를 제공한다.[75] 세포 골격과 세포 반응 조절 사이의 소통은 성장 인자의 작용과도 관련이 있다. 예를 들어, 결합 조직 성장 인자에서 이러한 관계가 나타난다.[76]참조
[1]
웹사이트
Digital Downloads
https://puresoluble.[...]
2020-02-20
[2]
논문
A "microtubule" in plant cell fine structure
1963
[3]
논문
Organization of neuronal microtubules in the nematode Caenorhabditis elegans.
1979
[4]
웹사이트
Microtubules
https://www.rpi.edu/[...]
2006
[5]
논문
The molecular motor toolbox for intracellular transport
2003-02
[6]
논문
Microtubule polymerases and depolymerases
2007-02
[7]
논문
Novel actin filaments from Bacillus thuringiensis form nanotubules for plasmid DNA segregation
2016-03
[8]
서적
Plant Cell Biology: From Astronomy to Zoology
https://books.google[...]
Elsevier/Academic Press
2009
[9]
논문
Microtubule Motors and Movements
https://www.ncbi.nlm[...]
2000
[10]
논문
MTrack: Automated Detection, Tracking, and Analysis of Dynamic Microtubules
2019-03
[11]
논문
Refined structure of alpha beta-tubulin at 3.5 A resolution
https://zenodo.org/r[...]
2001-11
[12]
논문
Microtubule formation in vitro in solutions containing low calcium concentrations
1972-09
[13]
논문
Microtubule polymerization dynamics
[14]
논문
Microtubule polymerization dynamics
1997
[15]
논문
A microtubule bestiary: structural diversity in tubulin polymers
2017
[16]
논문
Lattice defects in microtubules: protofilament numbers vary within individual microtubules
1992-06
[17]
논문
Dynamic instability of individual microtubules analyzed by video light microscopy: rate constants and transition frequencies
1988-10
[18]
논문
Structural basis of interprotofilament interaction and lateral deformation of microtubules
2010-08
[19]
논문
Maintenance of electrostatic stabilization in altered tubulin lateral contacts may facilitate formation of helical filaments in foraminifera
2016-08
[20]
논문
Structural insights into microtubule function
[21]
논문
Structure of bacterial tubulin BtubA/B: evidence for horizontal gene transfer
2005-06
[22]
논문
Microtubules in bacteria: Ancient tubulins build a five-protofilament homolog of the eukaryotic cytoskeleton
2011-12
[23]
웹사이트
Medical Definition of Neurotubules
https://www.merriam-[...]
2018-09-26
[24]
논문
Microtubules Modulate F-actin Dynamics during Neuronal Polarization
2017-08
[25]
논문
Generation of noncentrosomal microtubule arrays
2006-10
[26]
논문
Microtubule polymerization dynamics
[27]
논문
Microtubule network asymmetry in motile cells: role of Golgi-derived array
2009-07
[28]
논문
The augmin complex plays a critical role in spindle microtubule generation for mitotic progression and cytokinesis in human cells
2009-04
[29]
서적
Molecular Biology of the Cell.
Garland Science
2002
[30]
서적
Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments
https://archive.org/[...]
John Wiley & Sons
[31]
논문
Tubulin-nucleotide interactions during the polymerization and depolymerization of microtubules
1976-09
[32]
논문
Dynamic instability of microtubule growth
[33]
논문
Beyond self-assembly: from microtubules to morphogenesis
1986-05
[34]
논문
Molecular architecture of the kinetochore-microtubule interface
2008-01
[35]
논문
Detyrosinated (Glu) microtubules are stabilized by an ATP-sensitive plus-end cap
http://jcs.biologist[...]
2000-11
[36]
논문
mDia mediates Rho-regulated formation and orientation of stable microtubules
2001-08
[37]
논문
EB1 and APC bind to mDia to stabilize microtubules downstream of Rho and promote cell migration
2004-09
[38]
논문
Post-translational regulation of the microtubule cytoskeleton: mechanisms and functions
2011-11
[39]
논문
The chemical complexity of cellular microtubules: tubulin post-translational modification enzymes and their roles in tuning microtubule functions
2012-07
[40]
논문
Characterization of the tubulin-tyrosine ligase
1993-02
[41]
논문
Characterization of a major brain tubulin variant which cannot be tyrosinated
1991-10
[42]
논문
αTAT1 is the major α-tubulin acetyltransferase in mice
2013-06-10
[43]
논문
HDAC6 is a microtubule-associated deacetylase
2002-05
[44]
논문
Tubulin Post-Translational Modifications: The Elusive Roles of Acetylation
[45]
논문
Reversible polyglutamylation of alpha- and beta-tubulin and microtubule dynamics in mouse brain neurons
1993-06
[46]
논문
Paclitaxel-dependent cell lines reveal a novel drug activity
2010-11
[47]
논문
Inhibition of cell migration and cell division correlates with distinct effects of microtubule inhibiting drugs
2010-10
[48]
논문
Beta3-Tubulin Is Critical for Microtubule Dynamics, Cell Cycle Regulation, and Spontaneous Release of Microvesicles in Human Malignant Melanoma Cells (A375)
2020-03
[49]
논문
Class III β-Tubulin Counteracts the Ability of Paclitaxel to Inhibit Cell Migration
2011-05
[50]
논문
Action of colchicine and heavy water on the polymerization of microtubules in wheat root meristem
1969-09
[51]
논문
Microtubules and microtubule-associated proteins
1995-02
[52]
논문
Abnormal tau phosphorylation at Ser396 in Alzheimer's disease recapitulates development and contributes to reduced microtubule binding
1993-06
[53]
웹사이트
The Human Protein Atlas
http://www.proteinat[...]
2017-04-27
[54]
논문
The neuronal cytoskeleton: roles in neuronal morphogenesis and organelle transport
[55]
논문
Kinesin superfamily motor proteins and intracellular transport
2009-10
[56]
논문
Cell division: The renaissance of the centriole
1999-03
[57]
논문
Centrosome-microtubule nucleation
1997-02
[58]
논문
"It takes two to tango": understanding how centrosome duplication is regulated throughout the cell cycle
2001-05
[59]
논문
The mechanics of microtubule networks in cell division
2017-06
[60]
논문
Centrosome-independent mitotic spindle formation in vertebrates
[61]
논문
Spindle assembly: asters part their separate ways
2005-03
[62]
논문
Asymmetric cell division: recent developments and their implications for tumour biology
2010-12
[63]
논문
Kinetochore microtubule dynamics and the metaphase-anaphase transition
1995-11
[64]
논문
Chromosome congression in the absence of kinetochore fibres
2009-07
[65]
논문
Genome stability is ensured by temporal control of kinetochore-microtubule dynamics
2009-01
[66]
논문
Microtubule assembly during mitosis - from distinct origins to distinct functions?
2012-06
[67]
논문
Relationship between microtubule dynamics and lamellipodium formation revealed by direct imaging of microtubules in cells treated with nocodazole or taxol
[68]
논문
Regulation of the small GTP-binding protein Rho by cell adhesion and the cytoskeleton
1999-02
[69]
논문
Microtubule growth activates Rac1 to promote lamellipodial protrusion in fibroblasts
1999-05
[70]
논문
Microtubule-induced focal adhesion disassembly is mediated by dynamin and focal adhesion kinase
2005-06
[71]
논문
The role of microtubules and their dynamics in cell migration
2012-12
[72]
논문
The polarisation of the anterior-posterior and dorsal-ventral axes during Drosophila oogenesis
1999-08
[73]
논문
Axis development and early asymmetry in mammals
1999-01
[74]
논문
The roles of microtubule-associated proteins in brain morphogenesis: a review
[75]
논문
Cytoskeletal control of gene expression: depolymerization of microtubules activates NF-kappa B
1995-03
[76]
논문
Modulation of the expression of connective tissue growth factor by alterations of the cytoskeleton
2003-11
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