소포체

가지를 치는 세관 또는 수조 (cistern) 구조로 이루어져 세포질 전체를 그물망처럼 뒤덮는 세포소기관

목차

소포체 (endoplasmic reticulum)는 가지를 치는 세관 (tubule) 혹은 납작한 봉지 또는 수조 (cistern) 같은 것이 그물망처럼 세포질 전체를 뒤덮고 있는 구조를 말한다. 이 그물망 구조는 서로 연결되어 있으며 세포의 핵막 외벽과 연결되어 있고 그 연결망 내부가 소포체 내강 (ER lumen)을 이루며 세포 전체 부피의 10% 이상을 차지한다 (그림 1). 소포체 연구를 위해서 세포를 융해시키면 서로 연결되어 있던 소포체가 분리되면서 100~200 nm의 소낭 (vesicle)로 되는데 이를 미크로솜 (microsome)이라고 부르며 소포체의 기능을 거의 그대로 갖고 있어서 소포체 연구에 크게 활용되고 있다 (1, 2). 

그림 1. 주름 모양의 소포체가 오른쪽 아래 쪽의 핵주위에 그물망처럼 분포하고 있는 전자현미경 사진. 내막과 외막으로 이루어진 미토콘드리아가 보이고 있음 (출처, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Endoplasmic_reticulum). 

소포체는 조면 소포체 (rough endoplasmic reticulum, RER)와 활면 소포체 (smooth endoplasmic reticulum, SER)로 나뉜다. 조면 소포체는 단백질을 만들어내는 리보솜이 표면에 붙어 있어 표면이 거친 느낌을 주기 때문에 조면 소포체라고 부른다. 리보솜이 조면 소포체에 붙는 장소가 translocon이다. 리보솜은 조면 소포체 표면에 계속 안정적으로 붙어 있는 것이 아니라 특정 단백질-핵산 복합체가 세포질에서 형성될 때만 조면 소포체 표면에 붙는다. 단백질-핵산 복합체가 리보솜과 결합하면서 리보솜이 단백질을 만들게 되면 처음 5-30개의 아미노산은 신호 펩티드로 작용한다. 이것을 신호인지과립 (signal recognition particle, SRP)가 인지하면 리보솜이 조면 소포체에 있는 translocon에 결합하게 된다. 단백질 번역이 계속되면서 초기 단백질 (nascent protein)이 소포체 내강 내에서 형성되게 되고 신호 펩티드는 신호 펩티다제 (signal peptidase)에 의해 잘려나간다. 이 과정에서 단백질 번역과 소포체 내강으로 번역되는 단백질이 도입되는 것은 동시에 일어나므로 이를 번역 중 도입 (co-translational transport)이라고 부른다. 소포체와 골지체 간의 직접적인 연결은 없고 소낭 (vesicle)이 양자 사이를 왕복하면서 물질 교환이 일어나게 된다. 전자에서 후자로 가는 것이 COPII 소낭, 후자에서 전자로 가는 것이 COPI 소낭이다. 활면 소포체는 대부분의 세포에서는 매우 드물게 존재하고 지질, 호르몬 등을 생산하는 간세포, 난소, 고환 세포 등에 풍부하다. 어떤 소포체는 부분적으로 활면 소포체이고 다른 부분은 조면 소포체처럼 보이기도 하여 이행 소포체 (transitional endoplasmic reticulum)이라고도 하는데 이는 소포체에서 생산된 물질이 골지체로 운반되는 소포체 출구 (endoplasmic reticulum exit)의 위치에 존재하기 때문이다. 활면 소포체에서는 지질, 호르몬 이외에도 지단백질 대사, 포도당 신생성 등의 탄수화물 대사, 시토크롬 p450을 이용하는 해독작용 등이 일어난다. 아래에서 언급되는 근육세포에서 관찰되는 근질성 소포체 (sarcoplasmic reticulum)도 활면 소포체의 일종이다. 

소포체는 세포 내에서 단백질, 지질의 생산에서 중추적 역할을 하며 세포 내 Ca²⁺의 저장소이기도 하고 엔도솜, 골지체, 리소좀, 그리고 소포체 자신의 각종 단백질, 지질을 생산하여 운반되도록 한다. 위에서 언급한 탄수화물 대사, 해독작용, 그리고 생산된 단백질의 정확한 접힘 (folding), 가공 (processing) 등도 담당한다. 근육세포의 소포체는 근질성 소포체 (sarcoplasmic reticulum)이라고 부르는데 기본적으로는 소포체와 같으나 소포체로부터 Ca²⁺이 소포체 막 상의 Ca²⁺ 방출 통로 (Ca²⁺-release channel)을 통해 세포질로 유출되면 Ca²⁺ 이온과 수축 단백질 간의 상호 작용에 의해 ATP를 사용하여 근육 수축이 일어난다는 점이 다르다. 즉 근질성 소포체는 흥분-수축 연결 (excitation-contraction coupling)에 관여한다. 

단백질 접힘은 소포체 내강에서 일어난다. 단백질의 정확한 접힘은 이황화단백질 이성화 효소 (protein disulfide isomerase), ERp57, BiP/Grp78, calnexin, calreticulin 등 여러 보호 단백질 (chaperone protein)에 의해 이루어진다. Calnexin과 calreticulin은 Ca²⁺ 존재하에서 각각 소포체막 상 (calnexin)과 소포체내강안에 (calreticulin) 존재하면서 미접힘 단백질 (unfolded protein)과 결합하여 단백질 응집을 막고 다른 보호 단백질과의 결합을 통하여 접힘이 정확히 일어나도록 도와준다. 정확한 접힘이 이루어진 단백질만이 골지체로 운반되고 그렇지 못한 단백질 즉 미접힘 단백질 (unfolded protein)은 골지체로 운반되지 못하고 소포체 내강에서 미접힘 단백질 반응 (unfolded protein response, UPR)이라는 세포 반응을 일으킨다. 산화-환원의 이상, Ca²⁺의 이상, 포도당 결핍, 바이러스 감염, 미접힘 단백질의 축적 등이 미접힘 단백질 반응 또는 소포체 스트레스 반응 (ER stress response)을 일으킨다. 소포체 스트레스 반응이 일어나면 세포의 단백질 번역이 중지되어 소포체에 가해지는 단백질 접힘 부담을 줄이지만 접힘을 가능하게 하는 보호단백질의 번역은 증가한다. 소포체 스트레스가 매우 심해지면 소포체 관련 단백질 분해 (ER-associated protein degradation, ERAD)가 일어나 미접힘 단백질을 파괴하게 되고 심하면 세포 사멸로 진행할 수 있다. 지속적인 또는 부적절한 소포체 스트레스 반응은 당뇨병, 인슐린 저항성, 저산소증 또는 허혈증, 프리온 질환, 퇴행성 뇌 신경질환 등 여러 질환의 발생과 관련이 많다.

세포밖으로 분비되는 분비 단백질 (secretory protein)은 COPII로 둘러싸인 소낭 (COPII vesicle)안에 포함되어 골지체로 운송되어 cis 골지망 (cis Golgi network) 그리고 trans 골지망 (trans Golgi network)을 거쳐 세포 밖으로 분비된다. 다른 세포소기관으로 가는 단백질은 신호 서열 (signal sequence)이라는 tag이 붙어서 이동하며 목표 소기관에 도착하면 tag는 제거된다. 그대로 제자리에 있는 단백질 즉 소포체 거주 단백질 (ER-resident protein)은 유지 모티프 (retention motif)라는 서열에 의해 ER 내에 위치하게 된다. 유지 모티프로는 KDEL, KKXX등이 있어 각각 소포체 내강 내 단백질 (ER luminal protein) 혹은 소포체 막단백질 (ER membrane protein)이 되도록 한다. 유지 모티프는 소포체로부터 COPII 소낭을 통해 골지체로 이동하는 단백질을 다시 소포체로 복귀시키는 역운반 (retrograde transport)도 담당한다. 즉 KDEL 서열이 있는 단백질은 골지체 막의 KDEL 수용체와 결합하여 COPI 소낭 내로 포장 (package)되고 소포체로 역운반되어 복귀한다. KKXX 서열이 있는 소포체 막단백질은 골지체로 이동 후 또는 이동 중 직접 COPI 소낭 단백질과 작용하여 COPI 내로 포장되어 소포체로 복귀한다.  

근질성 소포체 (sarcoplasmic reticulum), 단백질 접힘 (protein folding), 골지망 (cis Golgi network).  

1)   Shibata Y, Voeltz GK, Rapoport TA. Rough sheets and smooth tubules. Cell 11;126(3):435-, 2006.

2)    Alberts B et al. Molecular Biology of the Cells. 6^th edition. Garland Science 2015.p 641-648.