세포 골격(cytoskeleton)을 cell movement와 함께 통합적으로 이해해야 함
; cytoskeleton은 기둥의 역할을 하지만 동시에 어떠한 방식으로 세포의 운동성과도 밀접히 관련되어 있음

cytoskeleton은 세 종류의 물질로 구성됨
; actin filament/microfilament, microtubule, intermediate filament
; protein filament들이 진핵세포의 전체에 걸쳐 protein filament network를 형성한 것을 cytoskeleton이라 부름

Structure and Organization of Actin Filaments

actin filament
; 기본 구성물질 actin
; 세 종류의 cytoskeleton 중 압도적으로 많은 양이 존재, 가장 major한 기능 수행
; 매우 얇고(microfilament) flexible, 길이가 긺
; 세포 내에서는 고차원 구조(higher-order structure)를 형성하고 있음, 그 구조는 더이상 flexible하지 않고 semisolid gel
; plasma membrane 바로 안쪽의 cytoplasm 부분인 cell cortex 부위에 고밀도로 존재, 집중적으로 분포
; cell cortex에 고차원적 구조를 형성하며 mechanical support, cell shape 형성
; 나아가 세포 모양이 변하며 세포의 이동이 이루어짐(migration). migration뿐 아니라 cell divison, particle engulfing에 관여

actin
; actin monomer는 globular protein, 방사형 대칭이 아니고 plus end(barbed end)와 minus end(pointed end)를 가짐
; monomer가 모이면 특정 패턴으로 interaction이 이루어지며 긴 선형 구조물 형성, monomer가 모이는 반응은 monomer 농도가 높을수록 잘 일어남
; k on이 강하게 작용하면 polymerization 진행, k off가 작용하면 dissociation 진행
; actin polymerization이 active하게 진행되는 쪽을 plus end, plus end의 끝에 있는 actin monomer는 monomer의 plus end가 노출된 방향
; actin dissociation이 진행되는 쪽은 minus end, filament의 minus end이기도 하지만 actin monomer의 minus end가 존재하는 부분이기도 함
; actin이 ATP와 binding되어 있을 때에는 polymerization 진행, ADP로 가수분해되어 ADP-bound actin이 많을 때에는 dissociation 진행
; 한쪽 끝에서는 polymerization, 반대쪽 끝에서는 dissociation이 진행될 때 이런 현상을 treadmilling이라 함

actin 관련된 drugs
; cytochalasins(plus end에 붙어서 actin filament의 elongation을 막음)
; phalloidin(actin filament에 붙어 depolymerization을 방해, actin이 짧아지지 않음)

다양한 actin-binding protein
; profilin(ADP bound actin에 붙어서 ATP bound actin으로 exchange)
; formin(filament initiation), Arp2/3(이미 만들어진 filament에서 branch 형성 유도)
; capZ, tropomodulin(actin의 plus/minus end에 capping, actin filament를 stabilize)
; nebulin, tropomyosin(filament stabilization)
; α-actinin, filamin, fimbrin, villin(filament cross-linking)
; dystrophin, spectrin, talin, vinculin(actin filament linkage to other proteins)
; cofilin, gelsolin(filament severing, actin filament 중간에 붙어 filament를 두 개로 쪼갬)

assembly of actin filaments
; actin filament가 처음 만들어질 때에는 formin 단백질이 dimer를 형성 > formin dimer에 actin monomer이 차례로 와서 붙음
; actin monomer 2개/3개가 붙는 nucleation step, nulceation step은 actin filament의 initial polymerization speed를 결정하는 rate limiting step이 됨
; formin은 barbed end tracking protein, actin monomer가 순차적으로 붙을 수 있도록 함
; ATP bound actin의 공급은 profilin에 의해(ADP-actin to ATP-actin)
; Arp2/3 complex는 이미 존재하는 actin filament에 붙으면 formin dimer처럼 기능하며 거기서부터 새로운 branch가 생김
; tropomyosin은 actin filament의 전체에 걸쳐서 binding, 안정성을 높여줌
; 다양한 capping protein, plus end에 붙기도 minus end에 붙기도 하며 안정성 높여줌

disassembly of actin filaments
; cofilin은 이미 존재하는 actin filament에 붙어 severing 진행, 두 개로 쪼갬
; 새로운 minus end, plus end로 나뉘어 plus end는 계속 자랄 수 있고 minus end는 depolymerization process 거치게 됨

다양한 actin binding proteins는 다함께 작용
; actin filament의 rapid turnover나 cytoskeleton의 remodeling을 촉진하기도 함
; 세포의 여러 조절신호에 의해 활성 조절
; moving cell의 leading edge에서 treadmilling과 branching이 빠른 속도로 진행됨

Organization of Actin Filaments
; actin은 actin monomer로도 존재하지만, 많은 경우 bundle/network를 구성하여 기능함
; actin bundle은 actin filament가 나란히 나열된 구조
; actin network는 actin이 3차원적 구조, orthogonal array를 이룬 구조
; actin bundle은 특정 세포 구조물을 만들거나 단단한 구조를 형성할 때 기능
; actin network는 semisolid gels 형태의 구조 생성

actin bundle은 두 종류: parallel bundle과 contractile bundle
; actin-bundling protein이 actin filament를 bundling 시켜줌

parallel bundle
; 14nm 정도의 spacing을 형성하며 actin filament들이 나란히 나열된 구조
; parallel bundle을 유도할 때 기능하는 actin-bundling protein은 fimbrin/villin
; fimbrin은 2개의 연속된 ABD(actin binding domain), 2개의 연속된 Ca2+ binding domain을 가짐
; 세포 내에서 Ca2+이 2차 신호 전달자로 흔히 기능하여, Ca2+ 신호에 의해 fimbrin/villin의 활성 조절 가능
; 두 개의 ABD가 한 actin filament와 또 다른 actin filament를 묶어주는 구조
; fimbrin과 villin이 기능하면 actin filament가 나란히 배치, parallel bundle 구조 형성

contractile bundle
; 다른 종류의 actin bundling protein인 α-actinin이 actin filament들을 묶어주며 형성되는 구조
; fimbrin은 monomer로 두 개의 ABD를 가지는 반면, α-actinin은 dimer로 기능하여 두 α-actinin이 4개의 α-helical spacer domain을 통해 interaction
; α-actinin 한 monomer의 ABD와 다른 monomer의 ABD가 40nm 떨어져서 위치
; contractile bundle은 중간 공간이 넓어서 물질들이 끼어들어올 수 있음
; 대표적으로 끼어들어오는 것이 motor protein인 myosin2, actin filament를 기반으로 한 세포의 운동성 생성(contraction)
cf. parallel bundle은 그 자체로는 운동성이 없음, 전체를 plasma membrane에 연결하며 간접적으로 운동성이 부여되는 정도 > actin bundling protein의 차이

actin network
; 다른 종류의 actin binding protein이 기능
; 대표적으로 filamin, dimer로 기능
; 각 filamin monomer는 actin-binding domain을 가지고 있어서 두 actin filament를 연결
; parallel array 대신 orthogonal array 형성

actin filamet와 plasma membrane
; actin filament가 가장 높은 밀도로 존재하는 곳은 cell cortex
; cell cortex의 actin filament는 actin-binding protein을 통해 plasma membrane 혹은 다른 세포의 구조물과 연결됨
; cell cortex는 plasma membrane의 구조, 외형을 결정하는 역할
; ERM proteins를 매개삼아 transmembrane protein과 직접 interaction > actin filament와 plasma membrane이 하나로 묶임

; 다른 protein을 통해 plasma membrane과 간접적으로 interaction하기도 함
; spectrin, fodrin은 tetramer로 기능, tetramer에는 α type spectrin, β type spectrin 두 종류가 함께 참여
; α type spectrin은 Ca2+ binding domain을, β type spectrin actin는 actin binding domain을 가져서 spectrin tetramer는 actin filament들간 연결을 도움
; spectrin은 actin과 함께 cell cortex 부분에 위치하면서 actin이 ankyrin과 같은 단백질을 통해 plasma membrane과 간접적으로 interaction할 수 있게 함

dystrophin도 actin filament와 transmembrane protein을 연결(ERM과 유사)
; dystrophin에 mutation이 생기면 근육이 퇴화되는 유전병 발생
; cytoskeleton의 plasma membrane와의 연결 약화의 영향이 근육 세포에서 많이 나타난 것

actin filament는 plasma membrane뿐 아니라 세포 바깥쪽 공간과도 연결되어 있다
; 표피 세포를 구성하는 세포 타입 중 하나인 fibroblast
; fibrobalst에는 focal adhesion이 많고, focal adhesion에는 actin filament가 잔뜩 붙어 있음, 그 actin filament를 stress fiber라 부름

focal adhesion
; α-actinin dimer가 두 개의 actin filament를 연결하며 contractile bundle을 이루고 있음, stress fiber를 형성
; stress fiber(focal adhesion에 붙은 actin filament)를 이루는 actin filament는 vinculin, talin과 같은 actin binding protein과 interaction
; 그러한 actin binding protein은 actin뿐만 아니라, plasma membrane에 존재하는 transmembrane protein integrin과 interaction
=> contractile bundle을 이루는 actin filament가 actin binding protein을 통해 transmembrane protein과 interaction
; integrin은 cytosol에서는 actin filament와 interaction하지만 extracellular matrix에서는 그것을 이루는 다양한 단백질들과 interaction
=> 세포골격을 이루는 actin filament는 actin binding protein, transmembrane protein을 통해 extracellular matrix의 단백질들과도 interaction
; 이런 일들이 집중적으로 일어나는 부분이 focal adhesion

세포와 세포를 연결시켜주는 cell-cell junction의 한 type인 adherens junction
; 한 세포의 contractile bundle이 vinculin, α-catenin, β-catenin 등 actin binding protein을 통해 transmembrane protein인 cadherin과 interaction
; 옆 세포에서도 같은 일이 일어나며 caherin간의 interaction > 한 세포의 cytoskeleton이 다른 세포의 cytoskeleton과 연결
; 이런 일들이 집중적으로 일어나며 세포들간 단단하게 붙게 됨, 그런 공간이 adherens junction
; epithelial cell(상피세포)들에서 많이 일어남, 특히 소장 벽을 이루는 상피 세포
; 세포들이 나열되어 있을 때 adherens junction으로 세포끼리 쭉 연결되어 있는 구조를 adhesion belt라 부름
cf. tight junction
; polarized cell을 유지시켜주는 tight junction, membrane 자체가 fusion되어 있는 구조

cell surface protrusion
; actin bundle은 또한 cell surface protrusion에서 중요, 세포에서 튀어나와 있는 부분 ex. microvilli, stereocilia
; microvilli는 plasma membrane의 표먼적을 넓히기 위한 구조, stereocilia는 운동성을 가지는 섬모를 형성하기 위한 구조
; microvilli의 parallel bundle이 형성될 때 기능하는 actin bundling protein은 villin/fimbrin
; actin bundle이 만들어지며 protrusion 구조 support
; actin bundle을 plasma membrane과 연결시키는 myosin1(motor protein)
; Ca2+ binding protein을 통해 myosin1의 활성 조절
; microvilli는 myosin1을 통해 좌우로 움직일 수 있음

microvilli, stereocilia의 경우에는 permanent structure이지만, cell surface protrusion이 transcient structure을 형성하는 경우도 있음
• pseudopodia
; 세포의 phagocytosis 시, 아메바 타입의 세포 이동 시
• lamellipodia
; 세포가 이동할 때 세포 표면 한쪽 전체가 쭉 늘어나는 구조
; 그중에서도 뾰족하게 튀어나온 부분을 filopodia/microspikes라 부름
; actin filament가 만들어지며 plasma membrane이 특정 방향으로 extension하는 것
; cell cortex, cytoplasm에는 actin filament가 random하게 형성되는데, 한쪽으로 늘어나는 lamellipodia에서는 actin filament의 formation이 방향성을 가지고 이루어짐
; lamellipodia 형성 시 actin filament의 growth가 한쪽 방향으로 진행될 뿐 아니라 actin branching 일어남
; 반대쪽에서는 전반적으로 depolymerization 촉진
; 세포 표면이 늘어나고 세포 전체가 이동할 수 있는 근거가 됨

cell movement
; fibroblast가 특정한 substrate 위에서 이동하는 모양
; lamellipodia가 만들어지면 developing lamellipoida를 support하기 위해 새로운 focal adhesion 생성(기질 위에 세포를 부착)
; lamellipodia가 만들어진 쪽(leading edge)은 actin filament의 polymerization이 진행되며 계속 늘어나고 focal adhesion 생성, 반대쪽 trailing edge는 contraction이 진행 > 세포가 특정 방향으로 이동
; 줄어들 때 신호전달에 있어 small GTP binding protein이 기능 > 반대쪽에 존재하던 focal adhesion이 없어짐, plasma membrane의 양이 감소(by endocytosis)

* growth가 일어나는 쪽
; Rho family가 signaling 기능 > formin activation > actin filament의 initiation
; Rho family의 activation > WASP activation > Arp2/3 complex activation > actin filament의 branching
; cofilin으로 잘린 actin filament에서부터 새롭게 자라기도 함
=> 세포 신호를 받는 small GTP binding protein이 있고, 그것들을 통해 actin filament의 initiation/branching, protrusion 가능

∴ cytoskeleton은 기본적으로 세포의 모양을 형성해 주지만, 세포의 성장이나 이동이 필요한 부분에서는 polymerization되며 세포의 movement를 가능하게 해줌

Myosin Motors

motor protein/molecular motor라 불리는 많은 단백질들
; ATP/GTP가 가지는 chemical energy를 소모시켜서 자기 단백질의 conformation을 바꾸는 데 사용(chemical energy를 mechanical energy로 전환)
; protein의 conformation change는 특정 방향성을 가지고 일어나며 protein이 이동할 수 있게 됨

대표적인 motor protein인 myosin
; actin이 만든 cytoskeleton을 platform으로 기능
; 집중적으로 이런 일이 일어나는 곳이 근육 세포, 근육 수축이 일어남
; 비근육 세포에서도 일어남
=> cytoskeleton은 cell surface protrusion을 통해서도 세포에 운동성을 부여하지만, 그 위에서 작동하는 motor protein들을 통해서도 운동성을 발휘할 수 있게 해 준다

muscle cells
; 근육세포는 근육 수축을 위해 특수하게 분화된 세포들
; 근육에는 길다란 muscle cell/muscle fiber가 집중적으로 모여 있음
; 한 muscle cell에는 핵이 여러 개 있음(cell fusion을 통해 한 세포로 합쳐진 것), plasma membrane으로 둘러싸여 있음
; muscle cell의 cytoplasm은 myofibril로 가득차 있고, 각 myofibril은 myosin filament와 actin filament로 이루어져 있음

sarcomere
; 현미경으로 관찰했을 때 어두운 부분인 A band, 밝은 부분인 I band가 반복된 형태, 경계선 z disc를 경계로 형성되는 myofibril unit
; myofibrill unit이자 contraction unit
; actin filament의 plus end가 z disc 쪽에, minus end가 M line 쪽에 위치해 있음
; actin filament는 nebulin 단백질이 감싸고 있음, actin filament 전체 길이를 결정해 주는 역할
; myosin filament 수백 개가 parallel staggered array를 이루고 있음, myosin head는 actin filament와 닿을 수 있음, z disc 쪽으로 head 위치
; myosin filament 끝쪽에는 거대 단백질 titin이 spring 모양으로 붙어서 z disc와 연결되어 있음, over extension을 막음

*Myosin2
; 근육에 존재하는 myosin type은 myosin2
; 신체에 가장 abundant하게 존재하는 myosin type
; myosin heavy chain 두 개가 coiled coil interaction을 통해 서로 묶인 구조 + 그 위에 essential light chain / regulatory light chain이 각 heavy chain에 하나씩 붙어 있음
; heavy chain 2개 + ELC 2개 + RLC 2개
; 이런 myosin 하나하나가 수백 개 모인 것이 sarcomere의 myosin thick filament

muscle contraction model
; 하나의 Z disk과 다른 Z disk가 가까워지며 근육이 수축한다는 모델, sliding filament model
; actin filament라는 cytoskeleton 위에 motor protein myosin이 한쪽 방향성을 가지고 기어간다(sliding)
; plus end tracking protein인 myosin이 actin filament의 minus end에서 plus end 쪽으로 이동 > sarcomere의 길이가 짧아짐

근육의 수축/이완 조절
; actin filament에 붙어 있던 myosin filament > myosin에 ATP가 붙으면 떨어짐 > inorganic phosphate가 떨어지면 다시 붙음 > ADP마저 떨어지면 떨어진 myosin의 구조가 변형(매 ATP의 가수분해마다)
; 원래 actin에 붙어 있던 myosin head가 ATP 가수분해되며 다른 부분에 가서 붙음, 궁극적으로 actin filament의 plus end 쪽으로 기어감
; motor protein은 ATP를 가수분해하며 얻은 에너지를 motor protein conformation change에 사용, 방향성을 가지고 변화

신경신호가 근육세포로 전달되어 근육이 수축되는 process
; muscle cell의 plasma membrane의 특정 부분은 tubule 형태를 가지고 세포 안쪽으로 깊게 접혀 들어와서 터널 같은 것을 형성
; plasma membrane이 접혀 들어온 t-tubule 구조를 통해 muscle cell 내의 ER인 sarcoplasmic reticulum과 접촉
; 신경세포에 action potential이 발생하면 그것이 neuro-muscular junction을 통해 신경세포를 타고 내려옴
; 신경세포가 근육세포를 만나는 부분의 synapse를 통해 신호 전달 > 근육세포 plasma membrane의 action potential로 전달
; 근육세포의 t-tubule 내로도 action potential 전달 > t-tubule membrane을 구성하는 voltage-gated Ca2+ channel 열림 > 세포 바깥의 Ca2+가 안으로 들어와서 sarcoplasmic reticulum의 Ca2+ release channel 자극 > sarcoplasmic reticulum 내부에 존재하던 많은 Ca2+가 muscle cell cytoplasm(myofibrill)로 방출
∴ 신경세포 action potential > 근육세포 action potential > t-tubule action potential > sarcoplasmic reticulum 내부 Ca2+가 cytoplasm으로 방출
; Ca2+는 myofribril로 감 > actin filament를 감싸는 tropomyosin, 이 둘과 interaction하는 troponin complex > Ca2+가 troponin complex의 troponinC(TnC)와 binding > troponin complex 전체 구조 바뀜 > actin filament의 myosin binding site를 가리고 있던 tropomyosin이 sliding > actin filament의 myosin binding site 노출 > myosin 붙음 > muscle contraction 진행
; 신경세포 자극에서부터 muscle contraction까지 speed는 개인마다 다름

contractile assembly
; 세포 구조물에 motor protein이 붙어서 contraction을 가능하게 하는 기본 unit, 이게 고도로 발달한 것이 muscle cell
; muscle cell이 아닌 다른 type의 세포에서도 비슷한 contractile assembly가 거의 다 존재, stress fiber/adhesion belt에서 많이 관찰됨(contractile bundle에 myosin이 끼어서 운동성 가지는 것)
; stress fiber를 구성하는 두 actin filament에 small-scale contractile assembly가 형성되면 myosin 2가 이동하며 두 actin filament가 이동 > 세포에 운동성 부여

contractile ring
; 동물세포가 분열할 때 핵분열 후에 세포질 분열이 이루어지며 한 세포가 두 세포로 쪼개지는데, 세포질 분열을 진행시키는 게 contractile ring
; contractile ring 자체가 cytoskeleton과 motor protein간의 contractile assembly다
; actin filament는 depolymerization되어 점점 짧아지며 완성되면 끊어짐

contractile assembly의 regulation
; regulatory light chain이 inactive한 상태 > ATP가 가수분해되며 phosphorylation되면 RLC가 activation > myosin을 자극해서 기어가게 함
; RLC의 phosphorylation을 조절하는 myosin light chain kinase가 존재
; 세포의 Ca2+ level이 증가하면 Ca2+ binding protein인 calmodulin이 Ca2+ binding > calmodulin의 구조가 바뀌며 kinase와 interaction > kinase의 activation > RLC의 phosphorylation ( > myosin2 activation > contractile assembly의 운동성 발생)

myosin family 내에서 가장 abundant하며 근육 수축에 있어 중심적으로 기능하는 motor protein인 myosin2
; myosin2를 제외하고도 myosin family에 많은 종류의 non-muscle type myosin이 존재

ex. myosin5
; heavy chain 두 개가 two-headed myosin 구성, dimer로 기능
; myosin head 구조가 변형되며 attatchment-detachment-reattachment가 반복
; ATP 가수분해하며 actin filament minus end에서 plus end 쪽으로 이동
; tail 부분은 특정 cargo를 이동하며 싣고 나르는 것을 결정(cargo specificity)
; intermediate filament, organelle, macromolecule 등을 세포 내에서 이동시켜줌

ex. myosin1
; monomer로 기능
; globular doamin인 head는 actin filament에 붙었다 떨어졌다를 반복하며 ATP 가수분해하며 minus end에서 plus end로 이동하는 motor domain
; tail은 cargo specificity 결정, vesicle 등을 가지고 이동

ex. myosin6
; 예외적으로 plus end에서 minus end로 이동

∴ myosin은 모두 actin filament가 깔아놓은 길을 따라 이동하는 motor protein

Microtubules

Microtubules
; flexible한 actin filament와 달리 rigid한 구조를 형성
; 형성 시 두 종류의 globular protein α tubulin, β tubulin이 중요 역할, 둘 다 GTP-binding protein
; 두 tubulin이 dimer를 형성하고 그것들이 head-to-tail 방식으로 쭉 나열, 나열된 것 하나가 protofilament
; 13개의 protofilament가 모여서 ring 구조 형성, 다 모이면 rigid hollow rod 형성

; β tubulin의 GTP는 불안정해서 GTP 형태로 binding하여 GDP로 가수분해되어 쉽게 분해되는 특성이 있음
; 이러한 특성을 통해 tubulin의 polymerization을 통한 microtubule의 형성 설명
; tubulin dimer에 GTP binding되면 polymerization 촉진, 기존의 α-β dimer에 가서 달라붙음 (microtubule의 plus end)

; 13개의 protofilament에 GTP binding tubulin dimer가 붙으며 flat sheet 모양 형성
; 모이면 둥근 모양으로 zip up process 거침
; zip up process가 완료되면 hollow rod 형성

; flat sheet > zip up process 동안 β tubulin에 붙은 GTP는 GTP 형태 유지 (GTP cap 유지)
; rod 모양으로 형성된 GTP cap이 유지되는 한 plus end 쪽으로 계속해서 growth 이루어짐
; β tubulin의 GTP가 그 후에 쉽게 가수분해되어 GDP로 바뀌면, GDP가 붙은 α-β dimer는 polymerization 대신 depolymerization 촉진
; 특정 point 이상이 되면 더 이상 붙어 있지 못하고 떨어져 나감 (microtubule의 minus end)
; GDP 형태의 tubulin dimer가 많아지면 GTP cap이 유지되지 않고 심지어 plus end 마저 GDP bound α-β dimer가 많아지면 plus end에서도 depolymerization 촉진
; actin filament와 마찬가지로 dynamic instability의 속성을 보이며 한쪽에서는 자라고 한쪽에서는 분해 (treamilling)
=> microtubule의 growth에서는 GTP cap의 유지가 critical point

microtubule의 polymerization 관련된 약물
; 세포 분열 arrest시킬 때 쓰는 colchicine/colcemid, microtubule polymerization 방해, mitosis 억제
; 이를 이용해 개발된 vincristine/vinblastine, 항암제로 잘 쓰임, microtubule polymerization 저해, 암세포 세포분열 억제
; 천연 항암제 taxol, 기존 microtubule의 depolymerization을 억제(stabilize microtubule), 기작이 반대지만 그래도 세포분열 억제됨

MAPs(Microtubule-associated proteins)
; microtubule initiation을 촉진하는 γ-tubulin ring complex
; plus end에 붙어서 polymerization을 촉진하는 XMAP215
; plus end에 붙어서 depolymerization을 촉진하는 kinesin 8, 13 (kinesin은 microtubule에 붙는 motor protein cf. myosin은 actin filament에 붙는 motor protein)
; severing activity를 하는 katanin
; lengthwise stabilization, microtubule을 따라 쭉 붙어서 stability를 높여주는 tau, MAP class
; rescue, depolymerization이 촉진되어 microtubule이 소실될 위기에 처했을 때 GTP cap을 재생성시켜서 growth 유도해주는 CLASP

assembly of microtubule
; centrosome과 γ-tubulin ring complex가 중요
; 동물세포의 major microtubule organizing center인 centrosome
; 동물세포의 일부는 centrosome independent하게 만들어지고, 식물세포에서는 100% centrosome independent하게 만들어짐
; centrosome independent하게 microtubule이 만들어질 때 중요한 게 γ-tubulin ring

; centrosome 내부에는 centriole pair가 있고 주변에 pericentriolar material(centriole을 감싸는 단백질성 물질들)
; pericentriolar material 안에는 수많은 γ-tubulin ring 존재
; γ-tubulin ring은 microtubule initiation이 진행될 수 있는 seeding site 제공
; 동물세포에서는 γ-tubulin ring이 centrosome 내에 잔뜩 들어가 있으니 핵 주변의 centrosome에서 대부분의 microtubule 합성, 세포 주변부로 뻗어나감
; centrosome에서 microtubule이 만들어져서 plus end가 바깥쪽으로 노출, minus end가 centrosome에 embedding

; γ-tubulin ring complex는 cytosol의 다른 부분에도 존재하기 때문에 거기서도 microtubule이 만들어짐
; 식물세포에서는 γ-tubulin ring complex가 핵 주변에 높은 농도로 존재하여, 동물세포와 유사하게 핵 주변에서 microtubule이 만들어져서 세포 주변으로 뻗어나가는 양상

∴ centriole 자체는 centrosome을 형성하는 데는 중요한 역할을 하지만, microtubule을 직접 형성시키는 기능을 하지는 않음
; 식물세포, 단세포 진핵세포, 감수분열하는 동물세포에는 centriole이 없음, 대신 cytosol의 γ-tubulin ring complex가 기능
; centriole은 9개의 microtubule triplet으로 구성, cilia/flagella의 basal body에서 관찰되는 것과 동일한 구조(유래가 같음)

; assembly된 microtubule은 centrosome/cytosol의 γ-tubulin ring complex에서 나와서 다른 데로 이동
; 만들어진 microtubule의 tubulin은 phosphorylation, acetylation과 같은 post-translational modification 이루어짐
; modification을 읽을 줄 아는 MAP이 modificated tubulin에 붙어서 microtubule의 activity, stability에 영향을 줄 수 있음
; MAP 자체도 phosphorylation에 의해 활성 조절될 수 있음
; MAP은 cell-type specificity를 보여, 세포 type에 따라 관찰되거나 같은 type의 세포에서도 부위마다 관찰되거나 관찰되지 않거나 함

MAP과 microtubule
; microtubule에는 한번 만들어진 후 dynamic instability를 유지하며 treadmilling이 계속 진행되는 type이 있음
; MAP이 붙으며 dynamic instability를 상실하며 permanent한 세포 내 구조물로 정착하는 type이 있음
; dynamic instability가 사라진 애들을 stable microtubule이라 부름
; 이것들은 안정적인 구조 제공뿐 아니라 세포의 극성화(cell polarity)와 밀접하게 관련됨

ex. 신경세포
; 핵을 가지는 cell body가 있고, cell body로부터 뻗어나가는 dendrite(짧음)/axon(긺)이 있음
; dendrite와 axon에는 stable microtubule이 많음, 그리고 세포 내 특정 부위에만 있는 MAP들이 존재함

; axon에 존재하는 microtubule에는 tau라는 lengthwise stabilizaiton MAP가 붙어 있음
; tau가 붙은 microtubule은 세포 내에서 방향성이 결정됨, minus end가 cell body쪽에, plus end가 axon의 끝쪽에 위치
; stable microtubule을 유도하고 microtubule의 방향성을 결정해 주는 게 tau

; dendrite의 microtubule에는 MAP2가 붙음
; MAP2는 stable microtubule을 유도하지만 plus/minus end의 방향성을 결정해 주지는 않음, random한 방향성을 가지게 됨

; microtubule을 따라 여러 물질이 이동할 때 이 차이가 중요
; axon에는 microtubule이 한 방향으로만 존재하기 때문에 물질이 axon 끝쪽으로만 혹은 cell body 쪽으로만 이동
; axon 끝쪽과 cell body 쪽의 특성이 크게 달라지며 axon에서는 심한 극성화가 나타남

; 처음에 세포가 형성되고 그 세포가 극성을 가지는 것은 세포 분화나 발달과 관련돼서 매우 중요함
; 그러한 극성 부여에 microtubule이 중요하게 작용
; 극성화가 되지 않은 초기 세포 > 핵 주변의 centrosome에서 온갖 방향으로 microtubule이 만들어짐 > capping protein이 세포의 특정 부분에 위치하게 되면, 그쪽 방향으로 자란 microtubule은 capping되어 stable microtubule이 됨 > 고정된 microtubule을 따라 이동하는 물질의 방향성이 결정되며 세포의 극성화가 시작 > stably polarized cell 형성

∴ cytoskeleton이 cell polarity를 형성하고 유지시키는 것에 중요한 역할, 이를 따라 물질 수송이 이루어지기 때문에

Microtubule Motors and Movement

microtubule motors and cell movement
; 세포 내 물질수송, membrane vesicle/organelle의 위치 결정, 세포분열 시 chromosome의 이동, cilia/flagella의 운동성에 관여
; cell movement, cellular mobility의 근거 제공
; microtubule 위를 걸어가는 여러 motor protein이 있기 때문 (cf. actin filament 위를 걸어가는 myosin)

kinesins와 dyneins
; kinesin은 대부분 microtubule의 plus end로, 세포의 가장자리쪽으로 이동
; 이동성이 없는 kinesin/minus end로 이동하는 kinesin도 있음
; dynein은 대부분 microtubule의 minus end로, 세포 안쪽으로 이동
; dynein은 다시 cilia/flagella의 기본 구조에서 기능하는 axonemal dynein, 다른 모든 세포의 cytoplasm에서 기능하는 cytoplasmic dynein으로 나뉨

ex. kinesin1
; 두 개의 heavy chain과 두 개의 light chain이 만나서 kinesin complex 형성
; ATP를 가수분해하며 globular head domain의 모양이 변화 > 붙었다 떨어졌다 하며 microtubule의 plus end 쪽으로 이동

ex. dynein
; 2~3개의 heavy chain과 multiple light and intermediate chain이 만나서 dynein complex 형성
; ATP를 가수분해하며 head domain의 모양이 변화 > microtubule의 minus end 쪽으로 이동

*head domain 자체가 ATPase, tail은 cargo-specificity 결정

cargo transport
; macromoleucules, membrane vesicles, organelle이 cargo로 실려다님
; ER은 주로 kinesin1에 의해 운반, ER 분포는 microtubule의 분포와 유사, ER은 세포 가장자리 쪽에 넓게 위치(plus end로 이동하니까)
; Golgi는 주로 dynein에 의해 운반, golgi는 핵 주변에 모여있음(minus end로 이동하니까)
; 어떤 종류의 motor protein이냐에 따라 세포 내 위치가 결정

cilia(편모), flagella(섬모)
; bacteria의 flagella와 eukaryotic cell의 flagella는 매우 다름, 여기서는 후자를 다룸
; cilia와 flagella의 기본 구조는 axoneme 구조로 거의 비슷
; 길이가 짧고 simple movement를 하는 cilia
; 길고 좀 더 복잡한 movement를 하는 flagella
ex. 짚신벌레의 cilia, sperm의 flagella
; cilia는 다시 운동성이 없는 primary cilia, 운동성 있는 motile cilia로 나뉨

axoneme
; cilia/flagella의 기본 구조
; microtubule이 바깥쪽으로 doublet을 이뤄서 9개 배열, 안쪽으로는 2개가 pair 형성
; 좀 더 크고 바깥쪽으로 위치한 B tubule, 안쪽의 더 작은 A tubule이 doublet(dimer) 형성
; 9개의 doublet이 nexin link라는 단백질에 의해 단단히 연결
; A tubule에는 dynein 2개가 붙어 있음, outer dynein/inner dynein

basal body
; axoneme이 plasma membrane을 만났을 때 plasma membrane 안쪽을 basal body라 부름
; axoneme에서 변형된 구조, centriole의 구조와 같음
; basal body에는 microtubule triplet이 바깥쪽으로 9개
; motile cilia의 경우에는 아래쪽은 basal body 구조, 위쪽은 axoneme 구조
; primary cilia의 경우에는 위쪽이 바깥으로 9개 microtubule doublet만 있는 구조, 나머지 구조물(dynein, nexin link, …) 없음

microtubule에 의한 cilia와 flagella의 mobility 부여 원리
; 바깥쪽의 9개 microtubule doublet 중 A tubule에 dynein 두 개가 붙어 있었음
; dynein tail은 A tubule에, dynein head는 인접한 microtubule의 B tubule위에 붙음
; dynein head가 conformational change를 통해 B tubule에 붙었다 떨어졌다를 반복하며 microtubule B tubule의 plus end에서 minus end로 기어감(ATP를 사용하며)
; 두 doublet의 sliding이 유발되는데, 실제 두 microtubule doublet은 nexin link에 의해 붙어 있으니 sliding 대신 bending이 나타나는 것
; 길이에 따라 cilia와 flagella의 운동이 단순하고 복잡해지는 것, 원리는 같음

또 다른 cell movement: 세포 분열 시 mitotic spindle(방추사)
; sister chromatid에 microtubule이 붙어서 spindle pole쪽으로 이동
; 핵 주변에 centrosome 위치, 거기서 microtubule이 만들어져 있음
; 세포 분열 신호가 오면 centrosome이 복제, 점점 떨어져서 반대쪽으로 이동

dividing cell 내에 형성되는 microtubule은 기능적으로 크게 세 개로 나뉨, interpolar / astral / kinetochore
; kinetorchore microtubule은 choromosome에 직접 붙음, choromosome의 centromere의 kinetochore complex에 붙음
; interpolar microtubule은 두 spindle pole을 연결, 자기들끼리 overlap을 형성해서 붙음
; astral microtubule는 spindle pole을 plasma membrane과 연결
; 분열하는 세포에서 chromosome 이동에 관여(sister chromatid의 분리)

세 microtubule이 분열하는 세포에서 chromosome을 이동시키는 mechanism 설명 모델: anaphase A/B model
; anaphase 때 chromosome movement를 작동시키는 두 가지 원리
; 실제 dividing cell에서는 anaphase A와 anaphase B가 동시에 진행

• anaphase A
  ; kinteochore microtubule이 붙는 kinetochore complex에는 microtubule-depolymerizing kinesin(minus end directed motor protein)이 있음
  ; microtubue의 plus end에서 minus end로 kinesin이 이동하면서 chromosome을 끌고 옴
  ; 동시에 microtubule의 depolymerization 촉진 (끌고 오면서 점점 짧아짐)
• anaphase B
  ; 두 spindle pole을 더 멀리 떼어놓는 방법
  ; interpolar microtubule에는 plus end로 이동하는 kinesin이 있음
  ; kinesin이 한 microtubule에 붙어서 다른 microtubule의 plus end로 이동하면서 overlap되어 있던 microtubule이 떨어짐, spindle pole이 멀어짐
  ; 동시에 astral microtuble는 plasma anchoring된 부분에 minus end로 이동하는 dynein이 있음
  ; dynein이 plasma membrane에 붙은 채로 minus end로 이동하려 하면 spindle pole이 plasma membrane 쪽으로 오게 됨

∴ cellular movement는 microtubule에 기초한 motor protein의 activity에 의한 것

Intermediate Filaments

intermediate filament
; cell movement와 직접적으로 관련성 없음
; 단단한 세포구조로 기능, rope-like structure, dynamic instability가 거의 없음(한번 만들어지면 permanent하게 stable하게 유지)
; yeast, plant, some insect에서는 관찰되지 않음(intermediate filament의 한 종류인 nuclear lamin은 가지고 있음)

; 상피세포에서만 발현되는 intermediate filament building block인 keratin
; 신경세포에는 keratin이 거의 없고 NF-L, NF-M, NF-H
; 줄기세포에는 intermediate building bock으로 nestin
; 모든 세포는 nuclear lamin을 발현하여 nuclear lamina를 형성
; nuclear lamin을 제외한 대부분의 intermediate filament는 cell type에 따라 발현되는 종류가 다르다

assembly of intermediate filaments
; monomer에는 N terminal head / C terminal tail
; coiled coil로 dimer 형성
; dimer들끼리 staggered array를 이루며 tetramer 형성
; tetramer들끼리 head-to-tail interaction을 하며 protofilament 형성
; protofilament가 flat sheet 형태로 모인 후 twist되며 꼬이면 intermediate filament 형성
; cell movement와 관련 없고 dynamic instability가 거의 없음, 한번 만들어지면 분해되지 않고 그 자리에 있음

cell-cell junction에서도 중요한 역할: desmosome과 hemidesmosome
; 한 세포가 다른 세포를 만나서 두 세포가 직접 연결될 때(desmosome)
; 한 세포가 기질 부분에 붙을 때(hemidesmosome)

desmosome
; adherens junction과 거의 비슷
; plakin family의 intermediate filament binding protein을 통해 intermediate filament가 transmembrane protein와 연결
; transmembrane protein들끼리 interaction하며 궁극적으로 한 세포의 cytoskeleton과 다른 세포의 cytoskeleton이 구조물을 통해 연결

hemidesmosome
; 반쪽만 일어남
; intermediate filament가 plakin family protein을 통해 transmembrane protein(integrin family)과 연결
; integrin family는 transmembrane domain이 있고 반대편은 extracellular matrix를 이루는 다양한 protein과 interaction
; 궁극적으로 한 세포를 세포 외 기질에 붙여주는 역할

plakin family 단백질들은 intermediate filament에 붙는 애들인데,
몇몇은 동시에 microtubule과 같은 다른 cytoskeleton과 붙기도 함
; intermediate filament는 하나의 cytoskeleton을 제공하기도 하지만, microtubule/actin filament와 같은 다른 종류의 cytoskeleton과도 plakin family를 통해 추가적으로 interaction하며 더욱 단단한 cytoskeleton으로 기능

intermediate filament mutation이 일어나면 가장 빈번히 skin blasting가 발생
; intermediate filament 중 가장 abundant한 게 피부를 구성하는 keratin family