규조류의 규화 세포벽의 세포외유출은 광범위한 막 분해를 수반합니다

Nature Communications 14권, 기사 번호: 480(2023) 이 기사 인용

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규조류는 실리카 세포벽을 특징으로 하는 단세포 조류입니다. 이러한 실리카 요소는 막에 결합된 실리카 침착 소포에서 세포내에서 형성되고 완료 후 세포외로 배출되는 것으로 알려져 있습니다. 규조류가 크고 단단한 실리카 성분의 세포외유출 동안 막 항상성을 유지하는 방법은 아직 알려져 있지 않습니다. 여기서 우리는 살아있는 세포 공초점 현미경, 투과 전자 현미경 및 극저온 전자 단층 촬영을 사용하여 두 모델 규조류 종의 세포벽 형성 및 세포외유출 동안 막 역학을 연구합니다. 우리의 결과는 그것이 형성되는 동안 광물상이 섬세한 기하학적 패턴의 정확한 주형을 형성하는 실리카 증착 소포막과 긴밀하게 연관되어 있음을 보여줍니다. 우리는 세포외유출 동안 원위 실리카 침착 소포 막과 원형질막이 점차 미네랄에서 분리되어 눈에 띄는 세포내이입 검색이나 세포외 용도 변경 없이 세포외 공간에서 분해된다는 것을 발견했습니다. 우리는 세포 내에서 근위부 실리카 침착 소포막이 세포와 환경 사이의 새로운 장벽이 되고 새로운 원형질막의 역할을 한다는 것을 입증합니다. 이러한 결과는 규조류 실리카 세포외유출의 직접적인 구조적 관찰을 제공하며 중요한 막 패치를 재활용하는 대신 폐기하여 막 항상성을 유지하는 특별한 메커니즘을 나타냅니다.

규조류는 복잡한 종별 모양과 계층적 기공 패턴을 가진 실리카 세포벽을 특징으로 하는 다양한 단세포 조류 그룹입니다1. 종들 사이의 엄청난 형태적 다양성에도 불구하고 대부분의 규조류 세포벽은 페트리 접시처럼 부분적으로 겹치는 두 개의 유사한 모양의 실리카 '껍질'의 보존된 레이아웃을 가지고 있습니다. 각 '껍데기' 자체는 밸브와 일련의 띠 띠로 구성됩니다. 뚜껑은 일반적으로 세포의 모양을 결정하고, 풍부하게 장식되어 있으며, 계층적인 기공 패턴을 포함하고 있습니다. 둘레띠는 세포의 측벽을 둘러싸는 부분적으로 겹치는 고리를 형성합니다.

규조류 세포벽 형성은 생물학적 통제하에 있으며 세포주기2,3,4,5와 연관되어 있습니다. 각 딸세포는 모세포벽의 절반을 물려받으며 세포분열 직후에 두 번째 판막을 형성합니다. 세포가 성장하는 동안 새로운 띠띠가 형성되어 새로운 뚜껑에 부착됩니다(그림 S1). 규화는 일반적으로 세포내 과정으로, 막에 결합된 소기관인 실리카 침착 소포(SDV)6,7,8 내부에서 발생합니다. SDV는 원형질막 아래에 위치한 얇고 길쭉한 세포 소기관입니다. 세포는 SDV 내부의 화학적 환경을 조절하여 규화 과정을 엄격하게 제어하여 매우 구체적이고 재현 가능한 세포벽 아키텍처를 생성합니다9,10,11,12,13. 세포내 성숙 후, 실리카 성분은 세포외로 방출되어 세포 표면을 덮습니다. SDV의 함량은 세포의 완전성을 손상시키지 않고 분비되어야 하는 거대한 고체 구조이기 때문에 이러한 세포외유출 사건은 세포 생물학에서 예외적입니다.

고전적인 세포외유출 경로에서 세포내 소포의 막은 원형질막과 융합하여 그 내용물을 세포외 공간으로 전달합니다. 원형질막의 항상성은 분비 소포가 원형질막과 통합되는 것을 방지하는 일시적인 융합을 통해 또는 보상성 세포내이입을 통해 추가된 막을 상쇄함으로써 유지될 수 있습니다. 그러나 크기가 크고 단단하기 때문에 규조류 세포벽의 분비는 유기체에 큰 문제를 야기합니다. 새로운 판막은 전체 세포 표면의 절반 정도를 덮고 있으므로 (그림 S1) SDV 막의 표면적은 전체 원형질막과 유사합니다. 따라서 SDV 멤브레인과의 융합은 원형질막 면적이 거의 순간적으로 두 배로 증가하게 됩니다.