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소포체 자가포식: 품질 관리와 소포체의 분해
소포체 자가포식: 품질 관리와 소포체의 분해 저자 지창훈 (서울대학교 의과대학 의과학과 단백질대사의학연구센터)
등록일 2020.09.03
자료번호 BRIC VIEW 2020-R28
조회 623  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
소포체는 단백질 접힘, 처리, 전달, 세포 전사와 이온 저장을 포함한 다양한 필수적인 기능을 담당하는 세포 내 최대 크기의 소기관이다. 이러한 기능을 제대로 수행하기 위해 소포체의 분해는 끊임없이 일어나며, 스트레스 상황에서는 더더욱 그렇다. 소포체의 품질 관리는 유비퀴틴-프로테아좀 시스템과 소포체-자가포식으로 매개된다. 소포체 자가포식을 매개하는 어댑터 분자들의 발견을 통해 소포체-자가포식의 메커니즘과 생체 내 중요성을 규명해왔다. 이 리뷰에서는 다양한 종류의 소포체-자가포식 패스웨이들과 아직 불완전하게 규명된 해당 기전과 조절에 대해서 설명한다.
키워드: 소포체-자가포식(ER-phagy), 거대자가포식(macroautophagy), 선택적 자가포식(selective autophagy), 소대 자가포식(microautophagy), 소포체 보관 질환(ER storage diseases)
분야: Cell_Biology, Molecular_Biology

본 자료는 ER-Phagy: Quality Control and Turnover of Endoplasmic Reticulum. Trends Cell Biol. 30(5), 384–398 (2020). 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 유비퀴틴-프로테아좀 시스템과 소포체-자가포식으로 분해되는 소포체
2. 거대-소포체-자가포식
3. 소대-소포체-자가포식
4. 다른 종류의 소포체-자가포식
5. 소포체 자가포식 측정 방법
6. 결론과 전망


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그림 1. 다양한 소포체-자가포식의 기전.
소포체와 내부 물질/기질들이 리소좀에 전달되는 방식에 따라 구별되는 다양한 소포체-자가포식의 기전을 나타내는 모식도.

 

1. 유비퀴틴-프로테아좀 시스템과 소포체-자가포식으로 분해되는 소포체

소포체는 세포 내 제일 큰 소기관이고 단백질 접힘/ 처리/ 전달, 지질과 스테로이드 합성, 칼슘 보관과 독성 제거와 같은 다양한 기능을 수행한다. 다른 세포 내 소기관들과 같이 소포체 또한 일정한 분해와 재합성을 통해 항상성을 유지한다. 소포체 막단백질과 막지질은 ~3-5일마다 분해 및 재합성이 된다. 이러한 일정한 주기의 기본적 분해/ 재합성뿐만 아니라 스트레스 상황에서 더 활성화되는 회전율을 통해 소포체 내 단백질 품질 관리와 소포체 항상성을 유지한다.

세포 내 분해 기전은 크게 유비퀴틴-프로테아좀 시스템과 자가포식으로 구별된다. 분비되는 단백질이나 세포막 단백질은 합성되는 도중이나 후에 소포체로 투입되어 원래 구조로 접힌다. 이 과정 중에서 폴리펩티드 사슬은 흔히 접히지 않거나 잘못 접히는 경우가 발생한다(돌연변이 단백질이라면 더더욱 그렇다). 이러한 접히지 않거나 혹은 잘못 접힌 단백질들의 소포체 내 축적을 막기 위해 세포는 “소포체-관련 단백질 분해(ER-associated degradation; ERAD)”라는 기전을 통해 이 단백질들을 다시 세포질/ 시토졸로 전달하여 유비퀴틴-프로테아좀 시스템으로 분해한다. 이러한 ERAD의 기질은 단백질로 제한되어 있으나, 자가포식은 단백질 응집체와 막기질을 포함한 소포체 자체의 부분도 분해가 가능하다. 자가포식으로 매개된 소포체의 분해는 소포체-자가포식으로 불리며, 위상적으로 다양하게 분류된다. 거대-소포체-자가포식(macro-ER-phagy)은 소포체의 부분/ 조각/ 파편들을 오토파고좀(autophagosome)으로 둘러싸고 리소좀의 융합을 통해 분해시킨다. 소대-소포체-자가포식(micro-ER-phagy)은 리소좀 막이 소포체의 일부분을 ‘꼬집듯이’ 분리시켜 직접 리소좀 내로 전달 및 분해한다. 추가적으로, 리소좀들은 소포체에서 유래된 소공포체(ER-derived vesicle)와 직접적으로 융합하여 이들을 분해시킬 수도 있다. 이 리뷰에서는 이러한 다양한 소포체-자가포식 기전과 역할, 소포체-자가포식의 측정 방법과 해결되지 않은 질문들에 대해서 다룬다.

2. 거대-소포체-자가포식

거대자가포식은 세포 내 기질/ 물질들이 오토파고좀으로 둘러싸인다. 이러한 격리는 시토졸에 위치하는 단량체 단백질들에 대해선 선택적이지 않으나, 소기관들과 같은 특정한 물질들에 대해서는 선택적이다. 소포체의 일부분이 오토파고좀으로 둘러싸인 현상은 50년 전부터 관찰되어왔다. 이 현상이 선택적인지에 대해서는 구별하기 힘든 이유로 소포체 근처에서 오토파고좀 생성이 일어나기 때문에 다른 소기관 비해 소포체가 오토파고좀으로 타겟팅될 가능성이 높기 때문이다. 하지만, 특히 소포체-자가포식 어댑터의 발견과 기전 규명을 통한 최근 연구 결과로 인해 소포체-자가포식은 선택적이라는 사실이 알려졌다.

(1) 소포체-자가포식 어댑터
선택적인 자가포식을 위해 해당 기질/ 물질은 오토파고좀 막단백질에 의해 인식되어야 한다. 소포체-자가포식의 경우, 소포체-자가포식 어댑터/ 리셉터로 매개된다. 현재까지는, 6가지 포유류 계열 소포체-자가포식 어댑터(FAM134B, RTN3L, CCPG1, SEC62, TEX264와 ATL3)와 2가지 효모 계열 소포체-자가포식 어댑터(Atg39와 Atg40)가 밝혀졌다. 이 어댑터들은 소포체 막단백질이며 최소 한 개 LC3/ GABARAP-interacting region (LIR/ GIR) 도메인을 통해 포유류 계열인 오토파고좀 LC3/ GABARAP 단백질이나 효모 계열인 Atg8과 결합한다. 또 다른 기전으로는 소포체-자가포식 어댑터와 Atg1 호몰로그인 ULK1, ULK2, ATG13, ATG101과 FIP200 (효모 계열로 Atg1, Atg13, Atg11, Atg17, Atg29와 Atg39)를 포함한 자가포식 개시 복합체(autophagy-initiation complex)의 최상위 단백질과의 결합이다. 예를 들어서, CCPG1은 FIP200과 결합하고, Atg39는 Atg11과 결합한다. TEX264 또한 FIP200을 포함한 자가포식 개시 복합체 단백질들과 결합한다. 이러한 개시 복합체 단백질들과의 결합은 미토콘드리아, 세포 내 박테리아, p62 응집체를 포함한 다른 선택적인 자가포식 기질/ 물질의 분해에도 관여하며, 기질/ 물질의 종류에 따라 자가포식 개시의 다양성을 보여준다.

ATL3를 제외한 위에 제시된 모든 소포체-자가포식 어댑터들의 특징은 소포체 막 타겟팅 도메인과 LC3와 결합하는 도메인 사이에 본질적으로 무질서한 부분(intrinsically disordered regions; IDR)이 존재한다는 점이다. IDR은 빈틈없이 뭉칠 수 있는 구조가 아니다 보니 소포체와 오토파고좀막 사이에 위치한 리보좀들이 존재하는 20 nm 이상의 거리를 가로지른다. TEX264와 오토파고좀막의 결합 경우도 IDR의 특정한 아미노산 서열보다 절대적인 길이가 중요하다. 이런 식의 소포체와 오토파고좀의 결합은 소포체에 근접해있는 리보좀이 존재하지 않는 세포막-소포체 결합을 포함한 다른 소기관-소포체 결합과 기전적으로 다르다.

특히 포유류에서 보이는 바와 같이 다수의 소포체-자가포식 어댑터의 존재는 흥미로운 점이다. 이 어댑터들은 기능이 겹칠 수도 있지만, 상황에 따라 다른 기능을 발휘하기도 한다. 첫 번째 예로, 앞서 말한 다양한 어댑터들은 소포체의 각각 별개의 부분들의 분해를 매개할 수도 있다. 소포체는 시스터내(cisternae/ sheet ER), 소포체관(tubule), 핵막(nuclear membrane)과 소포체 출구(ER exit site)를 포함한 다양한 부분으로 이루어져 있다. 효모에서는 Atg39와 Atg49이 각각 핵 근처 소포체(perinuclear ER)와 세포막 근처 소포체(cortical ER) 및 세포기질 근처 소포체(cytoplasmic ER)을 오토파고좀으로 타겟팅한다. 이와 비슷하게 포유류 세포에선 FAM134B가 시스터내 소포체, RTN3L, ATL3와 CCPG1가 소포체관 그리고 TEX264는 동시에 시스터내 소포체와 소포체관의 분해를 매개한다.

두 번째 예로, 소포체-자가포식 어댑터들은 각각 다른 스트레스 상황에서 활성화될 수가 있다. 영양 부족, 소포체 스트레스 도중이나, 소포체 스트레스 후 회복을 포함한 다양한 조건으로 소포체-자가포식이 활성화된다. 영양 부족이나, rapamycin 처리 후 효모 Atg39와 Atg40은 발현량이 증가하여 최고치로 활성화된다. 포유류 세포의 경우, 영양 부족으로 매개된 소포체-자가포식은 FAM134B, RTN3L, ATL3와 TEX264로 매개된다. 이중 앞서 말한 FAM134B을 비롯한 3가지 어댑터는 영양 부족시 발현량이 증가하는 특징을 가지고 있다. 소포체 스트레스시 발현량이 증가하는 CCPG1과 SEC62는 소포체 스트레스 도중이나 회복 기간에 소포체-자가포식을 매개한다. 추가적으로, 이 어댑터들의 기능은 인산화, 결합 단백질의 종류 또는 올리고머화의 영향을 받을 수도 있다.

세 번째 예로, 소포체-자가포식 어댑터들의 일부분만이 소포체를 분열시킬 수 있다. 소포체-자가포식 도중 소포체의 일부분은 오토파고좀 타겟팅되기 위해 잘리거나 분열되어야 한다. FAM134B와 RTN3L은 짧은 헤어핀과 비슷한 막 도메인(hairpin-like transmembrane domain) 2가지를 보유한 reticlulon homology domains(RHDs)를 통해 소포체막 사이로 진입하여 막의 곡률(curvature)을 증가시키고, 결론적으로 시토졸에 노출된 소포체막의 표면면적을 넓힌다. 과발현될 경우, FAM134B와 RTN3L은 소포체의 분열을 유도하고, rapalogue로 인한 인의적인 RTN3L의 올리고머화 또한 소포체의 분열을 유도한다. FAM134B는 RHD뿐만 아니라 2가지의 양면성 나선(amphipathic helices)을 통해 소포체 막의 곡률을 증가시킨다; 이런 RHD와 양면성 나선들의 소포체 막 곡률 증가 기여도는 분자 모델링 및 분자 동적 시뮬레이션을 통해 입증되었다. 이 어댑터들의 소포체-자가포식 유도 능력은 LIR 도메인의 기능에 의존하는 것으로 밝혀졌다. 하지만, FAM134B와 RTN3L의 부재에도 소포체-자가포식이 일부일 진행되는 것을 보아 ATL3가 N-말단 dynamin-like GTPase 도메인을 통해 소포체 분열 및 소포체-자가포식을 유도할 가능성이 높다. 이 어댑터들과 달리 SEC62, CCPG1과 TEX264는 자체적으로 소포체 분열을 유도한다고 밝혀지지 않았으나, IDR을 보유하는 소포체-자가포식 어댑터들의 축적을 통해 오토파고좀을 바라보는 소포체 단구간의 곡률과 막절단을 유도할 수도 있다.

네 번째의 예로, 위에서 논의된 소포체-자가포식 어댑터들은 각각 체내 조직 발현량이 다르다. FAM134B, TEX264, SEC62와 ATL3은 체내 거의 전제적으로 발현되나, CCPG1은 췌장, 신장 및 간에서만 발현된다. 이러한 CCPG1의 특정 조직 발현은 CCPG1-녹아웃 쥐의 췌장에서 비정상적인 단백질 응집체 형성과 일관된 발견이다.

위의 LIR 도메인을 포함한 소포체-자가포식 어댑터들 외에도, 선택적 자가포식 어댑터인 p62 또한 소포체-자가포식을 매개한다. p62의 LIR과 ubiquitin-associated (UBA) 도메인을 통해 유비퀴틴화된 기질/ 물질들을 오토파고좀으로 전달한다. p62가 소포체-자가포식을 매개할 수 있다는 현상은 쥐 간에서 생체 이물 화학물질로 유발되는 불필요한 소포체 부분들의 자가포식이 p62로 매개된다는 보고로 제안되었다. 최근에는 p62와 유비퀴틴화된 TRIM13이 N-말단 법칙(N-degron pathway) 기전으로 매개되는 소포체-자가포식 또한 발표되었고, 소포체 표면에서 DDRGK1으로 매개되는 UFMylation으로도 소포체-자가포식이 매개된다고 밝혀졌다.

(2) 거대-소포체-자가포식의 역할
초구조(ultrastructural)적인 분석을 통해 소포체-자가포식이 특히 약물 처리 후 생성되는 불필요한 여분의 소포체 부분을 제거한다고 제시되었다. 페노바르비탈(phenobarbital)의 투여는 약물 대사를 매개하는 소포체 효소들을 활성화시키고 매끈면 소포체(smooth ER)의 확장을 유도한다. 페노바르비탈 투여의 종료 후, 매끈면 소포체의 면적은 다시 정상적인 수준으로 감소한다. 이 과정 중에서, 자가포식은 활성화되고, 소포체 부분들은 오토파고좀 내에 자주 발견된다. 반대로, 자가포식이 억제될 경우, 쥐 간에선 소포체 소용돌이 꼴(ER whorl)이 생성된다. 또한, 혈장 세포(plasma cell)와 췌장 선방 세포(pancreatic acinar cell)에서 자가포식이 결핍된 쥐들 또한 소포체 확장을 나타낸다. 이러한 결과를 통해 자가포식이 소포체 면적과 용량 조절을 매개한다는 것을 알 수 있다.

소포체-자가포식 어댑터들이 결핍된 쥐들의 표현형을 통해 소포체-자가포식의 역할을 간접적으로 연구할 수 있다. Fam134b가 결핍된 쥐 세포들 또한 소포체 확장을 나타내고, 감각 신경세포의 퇴화를 유발한다. 일관적으로, FAM134B가 결핍된 인간에서 역시 유전성 감각 자율신경병증 2형(hereditary sensory and autonomic neuropathy type 2; HSAN type 2)이 발현된다. 추가적으로, 특정 ATL3 돌연변이(Y192C와 P338R)는 GABARAP와 결합을 하지 못하고 HSAN type 1을 유발한다. 이러한 결과를 통해 소포체-자가포식이 말초 신경세포의 항상성과 HSAN 발병에 중요한 역할을 한다고 유추할 수 있다. CCPG1이 결핍된 쥐들은 췌장 선방 세포의 소포체 내 단백질 응집체 생성과 소포체 스트레스 반응의 극활성을 나타낸다. 따라서, 소포체-자가포식이 췌장 내 단백질 항상성의 중요한 영향을 끼칠 가능성이 높다.

소포체-자가포식 어댑터들의 기능이 서로 겹치는 것을 보아, 소포체-자가포식의 생체 내 역할이 과소평가 되었을 수도 있다. 추가적으로, 이 어댑터들은 소포체-자가포식 외 기능을 수행할 수도 있다. 아직까지는 소포체-자가포식 어댑터가 결핍된 쥐나 인간들의 표현형이 순수 소포체-자가포식의 결핍으로 발현되는지 불확실하다. 따라서, 소포체-자가포식이 선택적으로 결핍된 동물 모델의 발명과 연구가 시급하다.

(3) 소포체 내 잘못 접힌 단백질 응집체들의 선택적인 제거
소포체-자가포식이 선택적이긴 하지만, 특정 소포체 단백질, 응집체나 일부분들의 분해에 관해서는 더더욱 선택성을 띈다. 위에서 언급했듯이, 소포체 내 잘못 접힌 단백질들은 보통 ERAD로 분해되나, 이 중 일부는 ERAD로 전달이 안되거나 과하게 올리고머화되어 있어 ERAD로 분해가 불가능하다. 이 기질/ 물질들은 소포체 내 축적될 운명으로 간주되었으나, 최근 연구 결과를 통해 이 기질/ 물질들이 소포체 일부분과 같이 분해될 수도 있다는 가능성이 제시되었다. 다양한 소포체 저장 질환 관련 단백질들이 소포체 내 축적되고 자가포식이나 리소좀으로 분해된다는 보고가 있으나, 이 단백질들이 특히 거대-자가포식-소포체로 인해 분해되는지는 아직 연구 중이다.

특정 소포체 단백질들은 소포체-자가포식으로 분해된다고 보고되었다. 프로콜라겐(procollagen)은 3가지 사슬(Proa1 2개와 Proa2 1개)로 구성되고 소포체 내에서 접힌다. 하지만, 프로콜라겐의 접힘은 복잡하며, 신규 합성된 프로콜라겐의 약 15%는 바로 분해된다. 소포체 내 렉틴 샤페론인 칼넥신(calnexin)은 소포체 내 잘못 접힌 프로콜라겐을 인식하며, 동시에 소포체-자가포식 어댑터 중 하나인 FAM134B와 결합하여 프로콜라겐을 리소좀으로 전달한다. 소포체막 단백질 NPC1의 발병 돌연변이(I106T) 또한 FAM134B로 매개되는 소포체-자가포식으로 분해되지만, 이 과정에서 칼넥신의 기여도는 아직 불확실하다. RTN3L과 SEC62는 각각 프로인슐린(proinsulin)의 분해와 소포체 스트레스 반응 후 불필요한 소포체 부분들의 분해를 유도한다. 칼넥신으로 매개되는 기전 외에, 소포체 내 특정 단백질들이 어떻게 소포체-자가포식으로 타겟팅되는 지는 정확하게 알려져 있지 않다.

영양 부족이나 소포체 내 응집체를 이루는 단백질들의 축적과 같은 스트레스 상황 하에서, 특정한 잘못 접힌 단백질들(e.g., 프로콜라겐과 알파1-항안티트립신의 악성발병 E342K 돌연변이)은 소포체 출구(ER exit site; ERES)나 Lst1(포유류에선 SEC24C)나 Sec23을 포함한 ERES의 형제인 소포체-자가포식 부분(ER-phagy sites; ERPHS) 근처에서 축적된다. ERES나 ERPHS 둘 다 소포체-자가포식으로 분해된다. ERPHS의 경우, 코트 단백질 II 복합체-기질/ 물질 어댑터 복합체 Lst1-Sec23 (coat protein complex II (COPII)-cargo adaptor complex Lst1-Sec23)는 효모 소포체-자가포식 어댑터인 Atg40과 스트레스 상황에서 결합하여 소포체 부분들을 오토파고좀으로 전달한다. 이러한 소포체 출구 부분들은 단백질 전달만 매개하는 것이 아니라 오토파고좀 생성에 필수적인 소포체막 기질/ 물질을 제공할 수도 있음으로, ERES와 ERPHS는 소포체-자가포식의 시작점일 가능성이 높다.

(4) 핵막의 분해
불필요한 핵 관련 기질/ 물질의 분해는 핵 항상성 유지에 중요하다. 핵막은 소포체와 연결되어 있고, 소포체-자가포식이 핵의 일부분의 자가포식으로 매개되는 분해에도 영향을 끼친다. 영양 충분과 단기간 결핍 상황에서 둘 다 효모 핵 관련 기질/ 물질의 자가포식으로 인한 분해는 부분적인 소대자가포식(piecewise microautophagy; PMN)으로 매개된다. 반대로, 장시간 질소 결핍 상황에서는 거대자가포식으로 매개되는 핵 분해가 유도된다(거대-핵-자가포식; macro nucleophagy). 핵 외부 막, 내부 막과 핵 내 단백질들은 Atg39로 매개되는 거대-핵-자가포식으로 분해되고, 이러한 분해법을 통해 효모 핵 항상성과 세포 생존을 유지시킨다.

포유류의 경우, 암과 퇴행성뇌질환 연구에서 거대-핵-자가포식이 많이 관찰되었다. 암이 유발되는 상황(e.g., KRAS 활성화) 시 lamin B1과 헤테로크로마틴(heterochromatin)은 자가포식으로 분해되나, 소포체-자가포식이 해당 현상을 유도하는지는 아직 밝혀지지 않았다. 핵 내 lamin B1의 분해는 lamin B1과 LC3 계열 단백질들의 결합을 통해서 매개된다. 자가포식이나 LC3-lamin B1 결합의 억제는 암유전자(oncogene)으로 매개되는 세포노화(senescence)를 억제한다. 근육 퇴화를 유발하는 lamin 관련 질병(laminopathies)과 조기 노화 질병(premature aging syndrome)을 포함한 핵막 관련 질병(nuclear envelopathies)의 경우 또한 고대-핵-자가포식이 많이 관찰된다. 따라서, 핵 내 불필요한 기질/ 물질은 거대-핵-자가포식을 통해 분해된다. 포유류의 경우 Atg39의 호몰로그가 없으며, 기능적으로 비슷한 단백질 또한 발견되지 않았다. Aspergillus oryzae, Magnaporthe oryzaeTetrahymena thermophila의 경우 핵 전체가 거대자가포식으로 분해 가능하나, 정확한 기전은 아직 밝혀지지 않았다.

3. 소대-소포체-자가포식

소대-소포체-자가포식(micro-ER-phagy)는 처음에 효모에서 부분적인 소대-핵-자가포식으로 구분되었다. 탄소와 질소 결핍 상황 시 핵-소포 접합점(nucleus-vacuole junctions)의 개수가 증가하고, 핵의 일부분이 소포 내로 함입된다. 핵 막, 과립 핵소체(granular nucleolus)와 방추극체(spindle pole body) 모두 분해 가능하다. PMN 과정 중에서, ATG 유전자들은 PMN체들의 형성에 필수적이진 않으나, 최종 막 닫힘 및 융합에 필요하다. 이러한 기전은 소대-페록시좀-자가포식에 특회된 막체(micropexophagy-specific membrane apparatus; MIPA) 형성에 필수적인 ATG 유전자가 관여된 소대-페록시좀-자가포식(micropexophagy)에서도 관찰되었다. 소포체를 대상으로 하는 소대자가포식은 효모에서도 관찰되는데, dithiothreitol 처리는 Atg 유전자(Atg1, Atg6, Atg7, Atg8, Atg14, Atg16과 거대-소포체-자가포식을 매개하는 Atg39와 Atg40)가 아닌 전달을 위한 엔도좀-정리 복합체(endosomal sorting complexes required for transport; ESCRT) 기전이 필요한 소대자가포식으로 매개되는 기전으로 소포체 스트레스와 소포체 소용돌이체 생성 및 리소좀 전달을 유도한다.

포유류의 경우, 부분적인 소대-소포체-자가포식은 거대자가포식과 더불어 Ca+2-ATPase의 reversible 억제제인 cyclopiazonic acid 처리 후 소포체 스트레스 회복단계에서 관찰된다. 이 과정 중, 소포체에서 유래된 소공포체은 엔도리소좀(endolysosome)에 직접 잡아 먹힌다. 이러한 소대-소포체-자가포식은 SEC62와 LC3 지질화(lipidation)에 필요한(ATG4B, ATG7과 ATG16L1을 포함하지만, ULK1, ULK2, ATG13과 ATG14같은 필수 거대자가포식 단백질들은 포함하지 않은) 단백질들이 필수적이다. 효모 내에서와 비슷하게 포유로도 마찬가지로 ESCRT-II 요소 중 하나인 CHMP4B 또한 필수적이다. 위에서 언급했듯이 프로콜라겐의 접힘은 구조적으로 복잡하며, 과발현된 프로콜라겐이나 질병관련 돌연변이(G610C)는 COPII, 유비퀴틴, p62와 LC3, ATG14과 ATG9를 포함한 ATG 단백질들과 같이 ERES 근처에서 축적되고 소대-소포체-자가포식을 통해 리소좀에 직접 전달된다. LC3와 나머지 ATG들이 소대-소포체-자가포식에 끼치는 영향은 정확히 밝혀지지 않았으나, 이 기전은 FAM134B로 매개되는 거대-소포체-자가포식과 근본적으로 다르다.

ATG 단백질들이 소대-소포체-자가포식에 끼치는 영향에 관해서, 효모의 경우와 같이 ATG 단백질들이 신규 막 생성에 관여할 수도 있겠지만, 포유류 세포 내에서는 MIPA와 같은 구조물이 아직 관찰된 바가 없다. 다른 가능성은 선택적 자가포식 어댑터와 LC3/ GABARAP 계열 단백질들이 소대자가포식 기질/ 물질의 선택적인 리소좀 전달에 관여한다는 것이다. 최근 연구를 통해 p62, NBR1, TAX1BP1, NDP52와 NCOA4는 엔도좀으로 매개되는 소대자가포식(endosomal microautophagy)으로 분해된다는 사실이 밝혀졌다. P62와 NDP52를 포함한 이런 어댑터들의 소대자가포식으로 매개되는 분해는 ATG 결합 시스템이 필수적이나, SEC62로 매개되는 소대-소포체-자가포식의 경우 LC3가 리소좀이 아닌 SEC62이 존재하는 소포체 막에 결합되어 있다. 효모에서 LC3와 ATG 결합 시스템이 필수적이지 않음을 고려할 때, 이 기전이 소대-소포체-자가포식에 끼치는 정확한 영향을 밝히기 위해 더 많은 연구가 필요할 것이다.

4. 다른 종류의 소포체-자가포식

소공포체로 매개되는 타겟팅 통해 소포체에서 유래된 한 겹으로 이루어진 막소공포체의 리소좀 전달이 최근에 제시되었는데, ATZ 돌연변이가 이 기전으로 분해된다. 칼넥신이 ATZ 올리고머들을 소포체 서브도메인으로 격리시키고 FAM134B 및 LC3와 복합체를 이루어 소포체 막의 각을 증가시킨 후 소포체에서 유래된 소공포체의 형성을 유도하고, 이 소공포체들은 소포체 내 SNARE syntaxin 17 (STX17)과 리소좀 관련 SNARE VAMP8이 관여하여 엔도리소좀과 결합한다. 이 전달 기전은 거대 필수 거대자가포식 요소들을 필요하지 않으나, LC3-결합 시스템은 필요로 한다. 다만, 이 경우 소포체-유래 소공포체들의 형성이 아니라 엔도리소좀과 결합에 필요할 수도 있다. 이 기전이 세포 내 전체적인 소포체-자가포식에 미치는 기여도에 따라 ATG가 거대-소포체-자가포식에 필요한 정도가 감소할 수도 있다.

소기관-유래 소공포체(organelle-derived vesicles)들의 리소좀으로 인한 분해는 미토콘드리아의 경우에서도 관찰되는데, 산소-관련 스트레스(oxidative stress) 시 산화된 단백질들을 포함한 미토콘드리아-유래 소포체들은 리소좀과 결합한다. 이 기전은 전통적인 거대-미토콘드리아-자가포식(macro-mitophagy)에 필수적인 Parkin을 필요로 하지 않으나 LC3와 ATG5를 필요로 한다. 소포체-유래 소공포체 경로와 비슷하게 미토콘드리아-유래 소포체들과 리소좀의 결합 또한 STX17를 필요로 한다, 원래 STX17이 전체적으로 소포체와 미토콘드리아에서 발현되고 리소좀과의 결합을 억제하는 단백질이라는 사실을 감안했을 때 이런 소공포체들이 형성된 이후에만 STX17가 활성화되는 소포체-유래 소공포체와 미토콘드리아-유래 소공포체 형성과 기질/ 물질 인식에서 공통적으로 필요한 기전이 존재할 것이다.

추가적으로, 강력하게 뭉친 올리고머화된 단백질들이나 잘못 접힌 단백질들은 골기기구에서 리소좀으로 전달되어 분해되는데, 이 기전은 분비 관련 소공포체들과 리소좀의 직접적인 결합으로 명칭되는 분비낱알갱이-자가포식(granulophagy/ crinophagy)과 비슷하다. 잘못 접힌 glycosylphosphatidylinositol (GPI)로 고착된 프리온 단백질들 또한 세포막을 통해 리소좀 내에서 분해되는데, 소포체-유래 샤페론과 기질/ 물질 어댑터가 이 단백질들의 리소좀 전달을 매개한다. 이런 결과들은 잘못 접힌 분비 단백질들이 리소좀 전달을 포함한 품질 관리 경로를 거친다는 이전 결과와 일관적이다.

5. 소포체 자가포식 측정 방법

소포체-자가포식 활성도의 측정을 통해 소포체-자가포식의 기전과 생체 내 및 질병 관련 역할을 연구하고 소포체-자가포식을 조절하는 약물들을 발견할 수 있으나, 정확한 측정은 복잡하다. 전반적으로, 소포체-자가포식으로 매개되는 소포체 전체 부피(이미 끊임없는 재합성과 분해를 거치고 있는 상태)의 세밀한 변화는 면역 블로팅법(immunoblotting)이나 형광 현미경 사용으로 감지하기가 어려우며, 가능하다 해도 소포체의 모양이나 분포는 손쉽게 바뀔 수 있어 소포체-자가포식 측정이 어렵다. 소포체와 오토파고좀 외부의 결합이나 소포체가 포함된 오토리소좀(autolysosome) 분해의 결함을 포함한 이유 때문에 오토파고좀 표지자들(e.g, LC3)과 소포체 표지자들의 공존성(co-localization)만으로 소포체-자가포식을 측정하기에는 부족하며, 더 정밀한 방법을 요구한다.

(1) 소포체 내생 단백질 분해
소포체 내생 단백질들 일부분(RTN1, RTN3, RTN4, REEP5, CLIMP63, Trap-alpha)은 영양 부족시 소포체-자가포식 어댑터와 자가포식으로 매개되는 기전으로 감소하나, 이 변화는 대개적으로 작다. 반대로, CCPG1과 TEX264를 포함한 소포체-자가포식 어댑터들의 영양 부족으로 매개되는 분해는 더 눈에 띈다. 어댑터들이 선택적으로 오토파고좀으로 전달되어 분해가 더 눈에 띌수는 있어도 소포체 전체 부피 감소와 일대일 상관관계는 아니다. 특히 다수의 소포체 단백질들(소포체-자가포식 어댑터들인 FAM134B와 CCPG1을 포함)은 소포체-자가포식 도중에 전사적으로 활성화되는 점을 감안했을 때 소포체-자가포식의 활성화를 측정하기 더더욱 힘들 수도 있다.

(2) 리소좀 내 효소로 잘리는 형광 단백질 파편 감지
효모 내 자가포식 활성도를 제일 믿음직스럽게 측정하는 방법 중 하나는 GFP-분열(GFP-cleavage) 방법이다. 예를 들어서, GFP-ATG8이 자가포식 공포체로 전달된 후 GFP는 다시 시토졸로 전달되어 형광 시그널이 측정 가능하다. 이러한 방법은 선택적인 자가포식에도 적용 가능하다; Sec63-GFP, Rtn1-GFP, Hmg1-GFP들은 효모 내 소포체-자가포식 표지자/ 리포터로 쓰일 수 있고, 특히 Hmg1-GFP와 Src1-GFP는 거대-핵-자가포식 도중 핵 내부막과 외부막의 리포터로 쓰일 수 있다. 하지만, 포유류 세포의 경우 영양 부족 시 리소좀의 강력한 활성화로 인해 GFP 파편마저 분해됨으로 GFP-분열 방법은 실용성이 떨어져 왔었다. GFP 형광단백질 대신 mRFP나 Keima 같은 경우 리소좀 내에서도 안정적이기 때문에 선택적 자가포식 리포터로 더 적합하다.

(3) 소포체-자가포식 흐름(flux) 리포터
소포체-자가포식을 측정하기 쉽고 민감도가 높은 방법은 두 가지의 형광 단백질을 소포체-자가포식 리포터에 결합하는 것이다. GFP의 형광은 리소좀과 같은 산성 환경에서 즉시 사라지는 반면에 mRFP를 포함한 비슷한 단백질들의 형광은 비교적으로 리소좀 내에서도 안정적이다. 이러한 산성 환경에 대한 다른 민감도를 이용하는 mRFP-GFP와 같은 직렬 형광 표지자(tandem fluorescent tags)는 전체적인 세포 내 자가포식 흐름뿐만 아니라 소포체를 포함한 선택적 자가포식 기질/ 물질의 분해를 측정하는데 쓰여왔다. 현재까지는, 소포체에 연결되어 있을 때는 초록 형광과 빨간 형광을 띄지만, 소포체 부분들이 리소좀으로 전달된 후 빨간 형광만 나타내는 소포체 내 리포터(ssGFP-RFP-KDEL)와 막 리포터(mCherry-GFP-RAMP4와 mCherry-GFP-REEP5)가 제작되었다. 리소좀 내 빨간 형광체들의 강도에 따라 소포체-자가포식의 흐름을 측정할 수 있고, 이 방법의 민감도를 올리기 위해서는 소포체-자가포식 리포터의 발현을 tetracycline으로 유도하는 시스템을 도입할 수가 있다. 이 리포터들의 소포체 내 분포도가 다른 점을 감안했을 때(KDEL은 소포체 내 전체적으로, RAMP4와 REEP5는 각각 시스터내와 소포체관을 나타낸다) 소포체 서브도메인을 특정하는 리포터 시스템 개발을 통해 소포체-자가포식 연구가 더 수월해질 것이다. 추가적으로 각각 440 nm(보통 세포 내 상태)와 586 nm(리소좀 내 산성 환경) 파장에서 빛을 흡수하고 620 nm에서 방출하는 Keima와 같은 신규 형광 리포터의 제작과 소포체-자가포식 측정을 위해 연구가 진행 중이다.

6. 결론과 전망

소포체-자가포식 어댑터 및 다양한 종류의 소포체-자가포식 경로들에 대한 연구를 통해 소포체-자가포식의 기본적인 틀을 이해하게 되었지만, 소포체-자가포식 활성화의 조절, 기질/ 물질 선택성 및 생체 내 역할을 포함한 중요한 질문들이 남아있다.

(1) 선택적 자가포식의 기질임과 동시에 오토파고좀 형성 발판인 소포체
소포체-자가포식 연구의 고유적인 문제점 중 하나는 소포체가 선택적인 자가포식으로 분해되는 기질임과 동시에 오토파고좀 형성 발판이라는 사실이다. 오토파고좀의 내부 막과 외부 막 둘 다 소포체에 연결되어 있으며(오토파고좀 막 생성과 확장에 필요한 지질이나 다른 막 구성 요소를 제공하는 방법일 수도 있다) 이 사실 때문에 소포체-오토파고좀 접촉을 없애지 않는 한(실제로 없앨 수도 없다) 오토파고좀 생성과 소포체-자가포식을 분리해서 연구하기는 힘들다. 현재까지는 오토파고좀 내부에 존재하는 소포체와 외부에 존재하는 소포체가 다른지와 소포체-오토파고좀 내부 막 접촉을 특정하게 제거할 수 있는지 불확실하며, 특정 소포체 서브도메인들의 오토파고좀 내부 막 결합력에 따라 분해 속도가 정해질 수도 있다.

(2) Atg8과 LC3/ GABA-RAP으로 매개되지 않는 소포체-오토파고좀 접촉
현재까지 밝혀진 모든 소포체-자가포식 어댑터들은 LIR 도메인을 가지며, 이 어댑터들의 기능 및 발현량 저하가 최소 일부분의 소포체-자가포식 흐름의 감소와 비례함을 보아 Atg8가 LC3/ GABARAP 계열 단백질들이 소포체-자가포식에 중요하다는 것을 알 수 있다. 하지만 ATG 계열 단백질들이 없는 세포에서도 소포체-오토파고좀 외부 및 내부 막 접촉은 존재하며, 이런 접촉은 CCPG1, TEX264와 Atg39를 포함한 소포체-자가포식 어댑터와 자가포식 개시 복합체의 결합을 통해 부분적으로 설명될 수도 있다.

(3) 소포체 내 기질/ 물질들의 소포체-자가포식 전달 선택성
최근 연구를 통해 소포체 내 잘못 접힌 단백질들과 응집체들이 소포체-자가포식으로 분해가 가능하다는 것이 밝혀졌으나, 정확히 어떤 기전과 어댑터들이 이들을 인식하는지에 대해서는 불확실하다. 칼넥신-FAM134B 복합체로 매개되는 거대-소포체-자가포식을 통한 프로콜라겐과 ATZ의 분해는 밝혀졌으나, 이 기전이 일반적인지에 대해서는 아직 밝혀진 바가 없다(일반적이라 해도 거대-소포체-자가포식과 소포체 전달 기전을 어떻게 구별하는지에 대한 문제가 남아있다). 소포체-자가포식 어댑터 중 CCPG1과 Atg39는 꼬리 부분이 소포체 내 깊게 뻗으며, 이를 통해 소포체 내 기질/ 물질을 인식할 수도 있다. 추가적으로, 손상입고 외부막이 유비퀴틴과 cardiolipin으로 표식된 미토콘드리아를 분해하는 미토콘드리아-자가포식과 비슷하게 소포체 막의 각 증가에 따라 시토졸에 위치하는 선택적 자가포식 어댑터들이 그 위치에 모집될 수도 있다. 잘못 접힌 단백질들과 그들의 응집체가 존재하는 특정한 소포체 서브도메인의 인식 기전을 정확하게 밝혀내는 것이 소포체-자가포식의 생체 내 역할과 중요성을 이해하는 큰 도움이 될 것이다.

(4) 소포체 품질 관리: 프로테아좀 vs. 자가포식
소포체 단백질들은 프로테아좀이나 리소좀을 통해 분해가 가능한 반면에 소포체 막 구성원들은 자가포식을 통해서만 분해가 이루어진다. 소포체 품질 관리를 유지하는 자가포식이나 유비퀴틴-프로테아좀 시스템의 각각 기여도는 아직 불확실하나, 두 시스템들의 협동을 통해서 이루어질 가능성이 제일 높다. 다수의 소포체 단백질들은 두 시스템을 통해서 실제 분해가 이루어지고, 어느 경로로 분해되는지의 우선순위는 기질 단백질의 특성[구조, 모양, 분포, 응집화와 당화(glycosylation) 이황화 결합(disulfide bond) 상태를 포함한 번역 후 변화]에 따라 결정될 수도 있다. 큰 응집체들은 규모 특성상 ERAD 경로에서 배제되고 소포체-자가포식으로 분해될 가능성이 높다. 하지만, 프로테아좀 억제제와 리소좀 억제제의 동시 처리가 다발성 골수증 치료에 추가 효과가 있음을 보아 전반적으로 ERAD와 소포체-자가포식은 시너지 효과를 보일 것이다. 소포체-자가포식은 퇴행성뇌질환, 암과 소포체 저장 질환을 포함한 다수의 다양한 인간 질병에 관여되어 있을 것이며, 추가 연구를 통해 소포체-자가포식을 매개하는 치료법이 기대된다.

 

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지창훈(2020). 소포체 자가포식: 품질 관리와 소포체의 분해. BRIC View 2020-R28. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3591 (Sep 03, 2020)
* 자료열람안내 본 내용은 BRIC에서 추가적인 검증과정을 거친 정보가 아님을 밝힙니다. 내용 중 잘못된 사실 전달 또는 오역 등이 있을 시 BRIC으로 연락(member@ibric.org) 바랍니다.
 
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