Amino acid sequence motifs and mechanistic features of the membrane translocation of α-synuclein

Abstract

[한글]

α-Synuclein에 세포막 전위(주; 세포 외부로의 분비나 세포 내부로의 투과)와 관련해서 많은 증거들이 제시되고 있는 반면, 그러한 일련에 과정에 대한 세분화된 기전에 대해서는 아직까지 알려져 있지 않다. 이에 본 연구자는 α-synuclein의 세포막 전위에 중요하게 작용하는 아미노산 모티프를 찾고 이를 바탕으로 세포막 전위에 세분화된 기전을 찾고자 하였다. 우리는 α-synuclein 뿐만 아니라 β-와 γ-synuclein 역시 세포 내로 투과되는 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상은 synuclein 그룹간 높은 유사성을 갖는 N-말단 부위에 의한 것으로 생각된다. α-Synuclein 구조를 기초로 제작한 결실 변이형을 이용한 실험 결과, α-synuclein의 세포막 전위는 N-말단 쪽에 존재하는 불완전한 11개의 아미노산 반복 모티프에 의한 것임을 확인 할 수 있었다. 또한 이러한 11개의 불완전 아미노산 모티프 만으로 구성된 펩타이드들 역시 세포막 전위와 관련해서 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있었다. 더욱이 세포막 전위에 있어 가장 효율적인 펩타이드는 두 개의 불완전 모티프를 가지는 경우로 나타났다. 또한 α-synuclein의 세포막 전위는 단백질 처리 5분 후 세포질에서 관찰 할 수 있을 정도로 비교적 빠른 시간 내에 세포 내로 투과됨을 확인 할 수 있었다. 흥미로운 것은 37°C와 비교해서 4°C에서도 별다른 영향 없이 세포 내로 투과됨을 확인하였다. 게다가 endocytosis inhibitor를 처리한 후 살펴본 α-synuclein의 세포막 전위 역시 아무런 영향을 받지 않는 것을 확인 할 수 있었다.이상에 결과들을 종합해 보면 α-synuclein의 세포막 전위는 정상적인 endocytosis 외에 다른 경로를 통해 energy-independent하며 매우 빠르게 일어나는 것으로 생각된다.이러한 결과들을 볼 때 α-synuclein은 향후 PTD (Protein Transduction Domain)와 유사한 방식으로 여러 가지 물질들을 세포 내로 유입시키는 하나의 도구가 될 것으로 사료된다.

[영문]Many lines of evidence suggest that α-synuclein can be secreted from cells and can penetrate into them, although the detailed mechanism is not known. In this study, we investigated the amino acid sequence motifs required for the membrane translocation of α-synuclein, and the mechanistic features of the phenomenon. We first showed that not only α-synuclein but also β- and γ-synucleins penetrated into live cells, indicating that the conserved N-terminal region might be responsible for the membrane translocation. Using a series of deletion mutants, we demonstrated that the 11-amino acid imperfect repeats found in synuclein family members play a critical role in the membrane translocation of these proteins. We further demonstrated that fusion peptides containing the 11-amino acid imperfect repeats of α-synuclein can transverse the plasma membrane, and that the membrane translocation efficiency is optimal when the peptide contains two repeat motifs. α-Synuclein appeared to be imported rapidly and efficiently into cells, with detectable protein in the cytoplasm within 5 min after exogenous treatment. Interestingly, the import of α-synuclein at 4°C was comparable to the import observed at 37°C. Furthermore, membrane translocation of α-synuclein was not significantly affected by treatment with inhibitors of endocytosis.These results suggest that the internalization of α-synuclein is temperature-insensitive and occurs very rapidly via a mechanism distinct from normal endocytosis.