Study on folding behavior and protein evolution of glucose transporter using single-molecule magnetic tweezers

Abstract

Despite advances in resolving structures of multi-pass membrane proteins, little is known about the native folding pathways of these complex structures. Using single-molecule magnetic tweezers, I found a folding pathway of purified human glucose transporter 3 (GLUT3) reconstituted within synthetic lipid bilayers. The N-terminal major facilitator superfamily (MFS) fold strictly forms first, serving as structural templates for its C-terminal counterpart. Based on structure, polar residues comprising the conduit for glucose molecules present major folding challenges. The ER membrane protein complex facilitates insertion of these hydrophilic transmembrane helices, thrusting GLUT3s microstate sampling toward folded structures. Final assembly between the N- and C-terminal MFS folds depends on specific lipids that ease desolvation of lipid shells surrounding the domain interfaces. Sequence analysis suggests that this asymmetric folding propensity across the N- and C-terminal MFS folds prevails for metazoan sugar porters, revealing evolutionary conflicts between foldability and functionality faced by many multi-pass membrane proteins.

세포 내에서 일어나는 여러 현상은 막으로 구분되어 있으며, 이러한 막에 존재하는 막 단백질들은 물질을 수송하거나 정보를 전달하는 등 매우 중요한 역할을 담당한다. 이러한 막 단백질이 기능을 하기 위해서는 올바른 접힘 과정을 통해 구조가 형성되어야 한다. 그런데 완성된 구조에 대한 연구는 많이 진행되고 있지만 이러한 구조의 형성 과정에 대한 연구는 부족하다. 막 단백질의 구조 형성과정은 단백질이 인지질 이중막에서 전사되는 과정과 매우 밀접하게 관련이 있다. 이러한 세포내 환경을 모사하고 막 단백질의 풀림, 접힘 과정을 살펴보기 위해 자기 집게 기술 (single-molecule magnetic tweezers)을 이용하였다. 이 기술을 통해 막 단백질에 pN 단위의 미세한 힘을 가할 수 있다. 목표로 한 막 단백질은 복잡한 당 수송 단백질인 GLUT3로 해당 막 단백질의 접힘 과정을 최초로 규명하였다. 특히 소포체막 단백질 복합체(EMC)와 특이구조를 지닌 지질분자를 이용하여 생리학적인 환경에서 막 단백질의 구조 형성 과정을 완전히 밝혀냈다. 이를 통해 막 단백질이 다른 단백질, 그리고 인지질과 같은 주변 환경의 도움을 통해 기능할 수 있는 구조를 형성함을 알아냈다. 이러한 결과를 확장하고자 생물정보학을 이용하여 다양한 당 수송 단백질의 서열을 분석하였다. 당 수송 단백질은 6개의 transmembrane helix로 이루어진 domain 2개가 존재하는데 이러한 사실과 생물정보학 분석을 종합한 결과, 각각의 domain이 단백질의 구조형성 능력과 새로운 수송 기능을 담당하며 균형을 맞추어 진화해 왔음을 발견하였다.