디네인

디네인 (dynein: 다이닌이라고 발음한다)은 세포내에서 미세소관 (microtubule)을 따라 움직이는 동력 (motor) 단백질의 일종이다. ATP를 가수분해하여 얻어지는 에너지를 운동에너지로 바꾸는 능력을 가지고 있다. 디네인은 다양한 세포내 화물을 옮기고, 세포분열에 필요한 힘을 제공하는 세포질형 디네인과, 섬모 (cilia)와 편모 (flagella)가 움직이도록 하는 액소님 (axoneme)형 디네인이 있다. 디네인은 미세소관의 음단 (minus-end)로 움직여 가기 때문에 역행 이동 (retrograde transport)을 한다고 말하고, 따라서 음단형 동력 단백질 (minus-end directed motor)라고 부르며, 양단형 동력 단백질 (plus-end directed motor)인 키네신 (kinesin)과 대비된다 (그림 1).

그림 1. 세포질형 디네인의 모습. ATP를 가수분해하는 AAA+ 도메인과 줄기 (stalk)으로 이루어진 무거운 사슬 (heavy chain) 두 개로 이루어진 이중합체 (dimer)이다. 꼬리 (tail)부분은 중간 (intermediate) 사슬 과 가벼운 (light) 사슬과 결합하여 세포내 화물과 연결된다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ADyneinHeavyChainOnMT.png

목차

세포질형 디네인은 그 분자량이 약 1.5 메가달튼 (MDa)에 이르는 거대한 이중합체 구조이다. 12개 이상의 폴리펩타이드 사슬로 이루어져 있다. ATP를 가수 분해하여 동력을 얻는 AAA 도메인을 보유한 무거운 사슬 (heavy chain)은 커다란 도넛모양의 머리를 형성하고, 그 곳에서 뻗어나온 꼬인 사슬 모양의 줄기 (coiled-coil stalk)은 그 동력을 이용하여 미세소관위를 "걷는다". 또 다른 꼬리 부분은 다른 중간 사슬 (intermediate chain)과 가벼운 사슬 (light chain)과 더불어 세포내 화물과 결합하여 이동시키는 역할을 한다. 이 과정에서 20 개 이상의 폴리펩타이드로 이루어진 딘액틴 (dynactin)이라고 불리우는 또 다른 거대 단백질 공합체 (protein complex)가 디네인을 세포내 화물과 연결 시키는 것을 돕기도 한다 (그림 2).

그림 2. 사람 세포질 디네인 2 도메인의 3차 구조. 알파/베타 서브유닛으로 연결된 미세소관 (microtubule)에 디네인의 줄기 (stalk)가 붙어 있고 6개의 AAA 도메인으로 이루어진 머리 (head) 부분이 연결 (linker) 부위에 의하여 조립된 상태에서 지지 (buttress) 부분 에 의하여 줄기 (stalk) 부분에 이어짐. 구조의 정확한 이해를 위하여, 위 아래 대칭의 거울상으로 표현됨. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ADyneinBreakdownAnimationForever.gif

세포질형 디네인은 모든 동물 세포와 식물 세포에서 발견되며, 세포소기관의 이동이나 방추체 (centrosome)의 이동 같이 세포의 생명 유지에 필요한 여러 가지 기능을 담당한다. 골지체와 같은 세포 소기관의 위치를 유지하는 것을 도와주며, 소포체 (endoplasmic reticulum), 엔도솜 (endosome), 라이소좀 (lysosome)과 같은 세포내 소기관으로부터 유래한 소낭 (vesicles)을 움직이도록 하는 동력 단백질의 역할을 한다. 또한, 세포 분열 도중, 방추사 (mitotic spindle)이나 염색체의 역동적 움직임을 일으키게 하는 데도 그 기능이 필요하다. 신경 세포내에서 축색돌기를 따라 세포소기관, 소낭, 미세소관등을 움직여 축색돌이 말단에 이르게 하는 역방성 축색돌기질 수송 (retrograde axoplasmic transport)를 담당한다. 

액소님형 디네인은 섬모와 편모의 액소님 내 미세소관들이 서로 미끄러지게 할 수 있다. 세포형 디네인과 공통적으로 공유하는 폴리펩타이드가 있지만, 액소님형 디네인에서만 발견되는 폴리펩타이드도 있다. 액소님형 디네인은 1~3 가지 서로다른 무거운 사슬 (heavy chain)을 가지고 있는 다양한 형태를 보인다. 줄기 (stalk) 부분은 미세소관에 붙어 있고, 꼬리 (tail) 부분은 같은 액소님 내 바로 옆 미세소관에 붙는다. 따라서, 각 다이닌 분자는 액소님 안의 서로 이웃한 미세소관을 이어 붙이고 있는 형태이다 (그림 3). 

그림 3. 액소님의 구조. A 튜뷸 (tubule)과 B 튜뷸로 이루어진 9개의 이중 미세소관에 다이닌이 결합되어 있고, 이들 이중 미세소관은 넥신 (nexin) 단백질에 의하여 연결되어 있으며, 가운데는 2개의 미세소관이 위치하여 이른바 9+2 구조를 이룬다. 그를 둘러싼 9개의 미세소관에는 방추 스포크 (radial spoke)가 중앙으로 뻗어 나와 있다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AEukaryotic_flagellum.svg

AAA ATP 가수분해 효소 (AAA, triple A ATPase)인 머리 (head) 부분이 3차 구조 변화를 일으키는 원동력으로 이웃한 미세소관이 서로 미끄러지게 한다. 이러한 움직임은 섬모/편모를 구부러 지게 하여 세포를 움직이게 하거나 주변의 다른 물체를 쳐 내기도 한다. 서로 반대 방향으로 움직이는 디네인들이 조직적으로 활성/비활성 상태를 반복함으로써 섬모/편모가 앞뒤로 움직이는 것으로 생각되며 이러한 활성 조절에는 액소님 가운데에 있는 방사형 스포크 (radial spoke)가 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 이 들 액소님의 활성에는 디네인의 인산화/비인산화, 그와 결합하고 있는 티오레독신 (thioredoxin)이라고 하는 단백질의 산화/환원 상태, 칼슘의 농도 등이 주요한 역할을 한다. 

키네신 (kinesin), 액소님 (axoneme), 미세소관 (microtubule), 섬모 (cilia), 편모 (flagella), 방사형 스포크 (radial spoke), 방추체 (centrosome), 역방성 축색돌기질 수송 (retrograde axoplasmic transport), AAA ATP 가수분해 효소 (AAA, triple A ATPase), 티오레독신 (thioredoxin)

생명과학(Brooker저, 3판, 홍릉과학출판사), 분자생물학 (Weaver저, 5판, 라이프사이언스)