18.7: 미세소관 불안정성

미세소관은 직경이 약 25nm이고 길이가 200nm에서 25μm까지 다양한 속이 빈 원통형 섬유입니다. GTP 결합 튜불린 소단위는 미세소관 조립을 위한 αβ-이종이합체를 형성합니다. 이러한 핵심 빌딩 블록은 세로 방향으로 상호 작용하여 프로토섬유로 중합됩니다. 그런 다음 원형섬유는 측면 결합력을 통해 서로 상호 작용하여 안정적인 원통형 미세소관을 형성합니다. 이러한 원통형 섬유는 조립과 분해가 반복되면서 역동적입니다. 이러한 특징적인 동적 불안정성은 생체 내 및 시험관 내에서 모두 발견될 수 있습니다.

동적 불안정성

개별 미세소관은 특정 시점에 반대쪽 끝에서 동시에 늘어나거나 줄어들 수 있습니다. 미세소관이 성장하는지 수축하는지 여부는 재앙과 구조의 속도에 따라 결정됩니다. 재앙은 성장하는 미세소관이 급속히 짧아지기 시작하는 경우입니다. 구조는 수축하는 미세소관을 빠르게 늘리는 것입니다. β-튜불린 결합-GTP 가수분해 속도는 동적 불안정성을 결정하는 주요 요인입니다.

세포에서는 유리 튜불린 소단위와 αβ-이종이합체 형태가 모두 세포질 풀에 존재합니다. 튜불린 소단위의 중합은 GTP 결합 αβ-이종이량체 소단위가 미세소관 중합을 위한 임계 농도라고 불리는 임계 농도 이상일 때 시작됩니다. β-튜불린은 두 가지 형태로 존재합니다. GTP 결합 β-튜불린 또는 T형은 미세소관의 신장과 안정적인 선형 구조를 담당합니다. 대조적으로, GDP-결합된 β-튜불린 또는 D-형태는 미세소관 분해를 선호합니다. 성장 말단의 GTP 결합 베타튜불린은 캡 역할을 하여 원형섬유 곡률을 방지하고 신장을 촉진합니다. GTP가 가수분해되면 β-튜불린의 형태가 약간 변경되어 원형섬유가 휘어집니다. 이러한 곡선화는 stathmin 및 kinesin-13과 같은 불안정화 단백질의 결합을 촉진하여 αβ-튜불린 이종이량체를 제거합니다.

불안정성을 조절하는 요인

미세소관 관련 단백질 또는 MAP는 미세소관 동적 불안정성의 중요한 조절자입니다. MAP는 미세소관 역학에서의 기능에 따라 안정제와 불안정제로 광범위하게 분류됩니다. 안정화제 MAP는 미세소관과 결합하여 재앙을 줄이고 신장을 촉진합니다. 반면에 불안정화 요인은 재앙을 촉진하기 위해 결합합니다. 안정제 MAP는 간기와 뉴런의 축삭 및 수지상 미세소관에서 지배적이며 안정적인 어셈블리를 촉진합니다. 유사분열 중에는 불안정화 MAP가 더 일반적입니다. 이러한 MAP는 염색체 분리와 세포 분열을 위한 세포골격 메시의 분해를 담당합니다.

진핵 세포에서 세포 분열 중에 미세소관은 유사 분열 방추체의 주요 구성 요소를 형성하며 염색체 분리에 필요합니다.

미세소관은 매우 역동적입니다. 개별 미세소관은 성장하고 수축하며 성장기와 단축 단계 사이를 빠르게 번갈아 가며 진행됩니다. 미세소관은 성장과 수축 사이의 예측할 수 없는 변화인 동적 불안정성을 나타냅니다.

성장에서 수축으로의 전환을 재앙이라고 하고 수축에서 성장으로의 전환을 구조라고 합니다. 어느 시점에서든 미세소관 그룹은 활발하게 조립되고 있는 반면 다른 그룹은 빠르게 분해되고 있습니다.

미세소관은 GTP 결합 튜불린 이종이량체의 종단 간 중합에 의해 핵을 형성하고 성장합니다. 튜불린 이종이량체는 알파 및 베타 소단위체로 구성됩니다.

베타-튜불린 소단위체는 가수분해 가능한 형태의 GTP에 결합되어 있습니다. GTP에서 GDP로의 가수분해는 미세소관 골격을 불안정하게 만듭니다. 구조는 끝에서 펼쳐지고 효과는 아래로 전파되어 미세소관의 해중합을 유발합니다.

다양한 조절 단백질이 미세소관 역학을 제어합니다. 여러 미세소관 관련 단백질 또는 MAP은 미세소관의 안정성을 촉진하는 반면, 재앙 요인(catastrophe factor)인 다른 여러 단백질은 미세소관을 불안정하게 만듭니다. 세포는 세포주기의 단계에 따라 미세소관 역학을 변화시키기 위해 조절 단백질의 활성을 변경합니다.

예를 들어, 간기(interphase) 동안 대부분의 동물 세포는 단일 중심체에서 방사되는 긴 미세소관의 세포질 배열을 포함합니다. 세포가 유사분열기(mitotic phase)로 전환하고 복제된 중심체가 반대쪽 극으로 이동함에 따라 미세소관 불안정성이 증가합니다.

미세소관의 불안정성은 유사분열 미세소관의 조밀하고 역동적인 배열의 형성을 촉진하여 방추체 형성에 기여합니다.