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beyond reason
단세포 정자와 단세포 난자가 만나서 생식세포 분열을 하고 엄마의 자궁에서 마치 암세포처럼 신생혈관을 만들고 빠른속도로 증식, 성장한다. 하지만 암세포와는 다르게 어느 순간 무한 증식이 멈추고 신생아로 세상에 나온다. 20대 중반까지 체세포 분열을 거듭하며 어른으로 성장한다. 그리고 세포의 병사-생노-병사-생노가 반복된다.
세포분열 cell division, cell cycle
필요가 없는 세포는 스스로 사멸 apoptosis, programed cell death
35억년 전 처음 단세포 생물이 생겨난 이래 이들 단세포는 외로움을 극복하기 위해 끊임없이 다른 세포와 합치기도 하고 다른 세포와 대화하는 법을 터득함. 5억년 전 비로소 다른 세포와 대화, 소통하는 방법을 깨우친 단세포 생물들이 모여살기 시작하면서 다세포 생물이 됨. 이들은 세포 환경이 허락하는 한 끊임없이 분열함.
성인이 된 인간은 대략 60조개의 세포로 이루어짐. 이 60조개의 세포는 최초에 정자와 난자라는 하나의 단세포가 만나 합쳐진 수정란으로부터 시작됨. 세포분열을 멈추는 순간 인간은 노화가 시작되고 결국은 죽음.
세포분열은 하나의 세포가 둘로 나누어지는 것을 말함.
세포분열을 할 것인가 말것인가?
만약 하게된다면 언제 할 것인가?
어떤 방법으로 세포의 내용물(DNA와 세포질)을 적절하게 분배할 것인가?
세포분열과정에서 실수가 발생한다면 어떻게 할 것인가?
딜런드 하트웰 박사와 폴 너스 박사는 단세포 생물인 효모를 이용하여 사이클린-의존성 인산화효소(Cyclin-dependent protein kinase. CDK)를 발견, 팀 헌트 박사는 성게에서 사이클린(Cyclin)을 발견. 이들 세명은 사이클린과 사이클린 의존성 인산화효소가 서로 협력하여 세포분열을 조절한다는 사실을 밝힌 공로로 2001년 노벨상을 받음
세포분열 주기
어른이 되면 세포분열은 급격히 줄어듬. 대신 이때부터 손상되어 죽어 없어진 세포의 빈자리를 채우기 위해 세포는 다시 분열을 시작함. 인간의 경우 죽어 없어진 세포의 빈자리를 채우기 위해 분당 약 300만개의 세포가 새로 만들어짐. 수치상으로 38년만에 몸에 있는 모든 세포를 새것으로 교체하는 셈. 그러나 조직마다 세포가 손상되어 죽어 없어지는 속도가 다르므로 교체되는 속도도 제각각임. 심장세포와 뇌세포는 거의 교체되지 않으며 뼈세포와 근육세포는 10-15년에 걸쳐 느린 속도로 교체됨. 간세포는 1-2년 속도로 교체되고 피부와 내장의 표피세포, 혈액세포는 아주 빠르게 교체됨.
세포가 죽어 없어진 빈자리가 생기면 이웃한 세포에 신호가 전달됨. 세포분열에서 해방되어 쉬고 있던 휴지기 상태의 세포는 신호를 전달받으면 분열을 시작하기 전에 '크기와 에너지 상태 그리고 새로 만들 DNA의 재료가 충분한지 점검(Gap1, G1기). 모든 것이 풍족하면 세포는 자신의 DNA를 주형으로 새로운 한벌의 DNA를 복제함(DNA합성, S기). DNA복제가 끝난 다음에는 실수로 잘못 합성된 곳이 있는지 꼼꼼히 살펴보고 실수가 있는 곳을 고치는 수선작업을 시작함. 수선작업이 끝나고 다시한번 DNA상태와 다음 단계로 넘어갈때 필요한 에너지 양과 세포의 크기를 점검(Gap2, G2기). 모든 것이 정상이면 DNA를 돌돌말고 꽁꽁 뭉쳐서 염색체를 만들고 세포의 중앙에 나란히 세우고 세포의 양쪽 끝에 있는 기둥에 끈으로 당단히 묶음. 염색체들이 양쪽으로 골고루 나누어지도록 짝을 나누어 잘 묶었는지 점검한 후에 끈을 당겨 염색체들이 양쪽으로 분리하고 세포질의 중간부분을 조여 2개의 세포로 분리함(유사분열, M기). 분리된 2개의 세포는 부피를 키워 본래의 크기로 자라 세포분열은 완성되고 빈자리는 채워짐. 세포분열은 언제나 이 순서대로 진행되며 이 과정은 사이클린 단백질과 사이클린-의존성 인산화효소에 의해 조절됨.
Apotosis(programed cell death)
신체를 이루는 274종류의 세포.
총 60조개 세포.
51개의 기관을 만듬.
일반적으로 세포는 괴사되어 죽음. 괴사되는 세포는 부풀어서 커지다가 마침내 세포막이 터져 죽음. 핵은 처음에는 응축되나 역시 팽창해서 터지며 터져서 분해된 세포는 면역세포의 일종인 대식세포가 먹어치움.
1972년 영국 에버딘 대학의 '존 커, 앤드루 와일리, 에러스테리 커리'교수는 정상적인 발생과정, 암의 생성과 치료과정, 노화과정 등 서로 상관성이 없는 수많은 상황에서 세포의 죽음이 괴사와는 달리 마치 프로그램된 것처럼 정해진 순서에 따라 동일한 형태로 진행된다는 사실을 발견함. 죽음을 맞이할 세포는 조직으로부터 이탈한 다음 수축하여 마치 아메바의 위족처럼 쪼글쪼글해지고 핵은 응축되어 작아짐. 세포는 조각조각 부서지고 부서진 조각들 중에서 사용가능한 세포소기관은 주변의 세포에 흡수되며 나머지는 대식세포에 먹혀 사라졌음.
그들은 자신들이 발견한 독특한 세포의 죽음이 그럴듯하게 불리길 원했고 마침내 '탈락'이라는 희랍어인 '아포토시스'라는 이름을 붙임. 이 개념은 예쁜꼬마선충이라 불리는 작은 지렁이의 발생과정에서 일어나는 규칙적인 세포의 죽음과 세포의 죽음을 조절하는 '자살 유전자'가 발견되면서 과학계의 인정을 받음.
분자생물학 분야에서 DNA로부터 RNA 그리고 단백질로의 정보흐름에 대한 중심원리가 확립되자 시드니 브레너 교수는 다세포 생물의 발생을 유전자수준에서 연구하기 시작함. ... 아포토시스를 일으키는 유전자의 발견은 '로버트 호비츠'교수의 몫이 됨. .. .이후 수많은 과학자들의 연구에 의해 인간을 포함한 모든 동물에서 자살 유전자가 발견됨.
As much as the cellular viability is important for the living organisms, the elimination of unnecessary or damaged cells has the opposite necessity for the maintenance of homeostasis in tissues, organs and the whole organism. Apoptosis, a type of cell death mechanism, is controlled by the interactions between several molecules and responsible for the elimination of unwanted cells from the body. Apoptosis can be triggered by intrinsically or extrinsically through death signals from the outside of the cell. Any abnormality in apoptosis process can cause various types of diseases from cancer to auto-immune diseases. Different gene families such as caspases, inhibitor of apoptosis proteins, B cell lymphoma (Bcl)-2 family of genes, tumor necrosis factor (TNF) receptor gene superfamily, or p53 gene are involved and/or collaborate in the process of apoptosis. In this review, we discuss the basic features of apoptosis and have focused on the gene families playing critical roles, activation/inactivation mechanisms, upstream/downstream effectors, and signaling pathways in apoptosis on the basis of cancer studies. In addition, novel apoptotic players such as miRNAs and sphingolipid family members in various kind of cancer are discussed.
Keywords: Bcl-2; Caspase; Intrinsic/extrinsic pathway; TNF; TRAIL; p53.
세포자살의 진행과정
세포가 자살하는 경우는 인간이 자살하는 것처럼 헤아릴 수 없을 정도로 다양함. 병이 나서 자살하기도 하고 정상적인 상태임에도 자살하는 경우도 있음. 세포자살은 불필요한 부분을 제거하는 방식으로 진행되기 때문에 손가락과 발가락사이의 갈퀴는 세포자살을 통해 제거됨. 소화관이 형성될때더 먼저 긴 막대모양의 구조가 형성된 후 속에 있는 세포의 자살을 통해 관이 만들어짐. .. 운동신경세포의 성숙과정에서도 엄청난 자살이 강요되는데 근육을 향해 뻗어나간 세포중에서 경쟁에 뒤져 근육에서 성장인자를 충분히 공급받지 못한 절반가량의 세포는 자살을 통해 사라짐.
사실 세포자살을 일으킨 세포는 조각조각 쪼개져 조금의 낭비도 없이 주변세포에 흡수되어 재사용되기 때문에 약간의 부지런함과 소란스러움을 제외하면 낭비될 것은 거의 없음.
자궁내막세포는 임신이 되지 않으면 세포자살을 감행한 후 월경을 통해 탈락되고 염증세포들은 염증반응이 끝나면 자살을 통해 사라짐. 면역세포들은 흉선에서 자신과 남을 구별하는 교육을 받을때 자신을 공격할 기미가 보이면 어김없이 자살을 강요받음. 한편 병든 세포는 자살을 통해 사라짐으로써 조직의 이익을 극대화함.
DNA 손상이 심해 수선이 불가능할때 단백질의 엉김현상이 심해 정상적인 기능을 발휘하지 못할때, 바이러스에 감염되어 병을 일으킬 가능성이 높을때 노화되어 모든 세포소기관이 제기능을 발휘하지 못할때, 세포는 자살 혹은 강요된 자살에 의해 생을 마감함.
세포자살 과정
세포의 자살은 세포의 자발적인 결정에 따라 일어나기도 하고 외부의 신호에 반응하여 일어나기도 함. 세포의 자발적 결정은 세포의 자살을 촉진하는 물질과 억제하는 물질 사이의 균형에 의해 결정됨. 세포의 자살을 촉진하는 물질인 Bcl-2 가 억제하는 물질인 Bax보다 많으면 미토콘드리아 내막의 사이토크롬 C가 세포질로 빠져나가 APAF-1가 결합하여 아포토좀을 만들고 단계적으로 캐스페이즈-9과 캐스페이즈-3을 활성화하여 아포토시스를 일으킴. 한편 외부로부터 자살신호는 FAS를 통해 전달되어 자살유도신호복합체가 형성되고 순차적으로 캐스페이즈-8과 캐스페이즈-3가 활성화되어 아포토시스가 일어남. 아포토시스는 미토콘드리아에 존재하는 사이토크롬 C 가 세포질로 이동하는 것에서부터 시작되어 케스페이즈 3에서 끝남.
내부의 자발적인 결정에 의한 자살의 진행은 세포의 상태를 점검하는 감지기들로부터 시작됨. 감지기들은 여러가지 사정으로 세포가 제 기능을 수행하지 못할 것이라 판단되면 곧장 세포질에 존재하는 자살신호물질인 Bax를 활성화시키고 활성화된 bax는 미토콘드리아로 이동하여 구멍을 뚫어 내막과 외막사이의 사이토크롬 C를 세포질로 방출시킴. 사이토크롬이 세포질로 방출되면 세포자살은 일사천리로 진행됨.
세포자살 억제신호인 Bcl-2와 활성화 신호인 bax의 힘겨루기에 의해 결정됨. bax의 힘이 우세하여 세포자살이 결정되면 사이토크롬 C는 세포질로 방출되어 APAF-1과 함께 아포토좀을 형성함. 아포토좀은 케스페이즈-9를 활성화하는데 케스페이즈-9의 활성화로부터 세포자살이 시작됨. 케스페이즈9은 케스페이즈 3을 활성화하고 케스페이즈 3은 핵과 세포질 골격을 이루는 단백질을 분해하여 핵과 세포를 파괴하고 DNA분해효소로 하여금 DNA를 조각내게 하여 세포를 죽음에 이르게 함.
Zhiqing Liu, Ye Ding, [...], and Jia Zhou
Bax, a central cell death regulator, is an indispensable gateway to mitochondrial dysfunction and a major pro-apoptotic member of the Bcl-2 family proteins that control apoptosis in normal and cancer cells. Dysfunction of apoptosis renders the cancer cell resistant to treatment as well as promotes tumorigenesis. Bax activation induces mitochondrial membrane permeabilization, thereby leading to the release of apoptotic factor cytochrome c and consequently cancer cell death. A number of drugs in clinical use are known to indirectly activate Bax. Intriguingly, recent efforts demonstrate that Bax can serve as a promising direct target for small-molecule drug discovery. Several direct Bax activators have been identified to hold promise for cancer therapy with the advantages of specificity and the potential of overcoming chemo- and radioresistance. Further investigation of this new class of drug candidates will be needed to advance them into the clinic as a novel means to treat cancer.
Ryan S. Soderquist and Alan Eastman
Anti-apoptotic BCL2 proteins play a major role in tumor cell survival. Hence, BCL2 inhibitors have been developed as direct inducers of apoptosis. ABT-199 (venetoclax) received breakthrough therapy designation from the FDA due to its apparent efficacy in CLL and AML. However, resistance to ABT-199 is mediated by other BCL2 proteins including BCLXL and MCL1. Considerable effort has been expended seeking novel “BH3 mimetics” that inhibit all of these BCL2 proteins. While many BH3 mimetics inhibit BCL2 proteins in vitro, they fail to directly inhibit them in intact cells. Many BH3 mimetics induce the unfolded protein response culminating in induction of the pro-apoptotic protein NOXA, which in turn inhibits MCL1. We propose simple experiments to validate BH3 mimetics in cells. A true BCL2 inhibitor will rapidly induce apoptosis in chronic lymphocytic leukemia cells ex vivo. A BCLXL inhibitor will rapidly induce apoptosis in platelets. Finally, a BH3 mimetic targeting MCL1 will inhibit its degradation thereby inducing rapid MCL1 accumulation. Compounds that fail these tests should no longer be called BH3 mimetics. We now have a toolbox of selective inhibitors for most of the BCL2 proteins, and we hope these new tools will lead to effective treatment options for many cancers.
한편 외부의 강요에 의한 세포자살은 면역세포로부터 분비되는 사이토카인인 TNF알파에 결합에 의한 Fas수용체의 활성화로부터 개시됨. Fas 수용체가 활성화되면 세포질로 분리되어 또 다른 단백질 조각인 FADD와 결합하여 자살유도신호복합체를 형성함. 자살유도신호 복합체는 세포자살을 개시하는 케스페이즈 8을 활성화하고 활성화된 케스페이즈 8은 세포자살을 실행하는 케스페이즈 3을 활성화함.
외부의 강요에 의한 자살과 세포의 자발적인 경쟁에 의한 자살 경로는 결국 캐스페이즈 3으로 수렴되며 캐스페이즈 3은 최종적으로 자살행위를 실행함. 로버트 호비츠 교수가 발견한 Ced-9는 Bcl-2와 같고 Ced4는 APAF-1과 같으며 Ced-3은 케스페이즈 8 또는 케스페이즈 9와 동일한 물질임이 밝혀짐.
세포자살을 명령하는 단백질은 미토콘드리아와 관련이 있음. 미토콘드리아는 에너지를 생산하여 세포의 새존을 가능하게 하는 곳인데 반대로 세포의 죽음을 조절하는 곳이기도 함. 미토콘드리아가 사용하는 사이토크롬 C는 세포내에서 에너지를 생산하는 호흡의 중요한 물질임과 동시에 자살을 개시하는 중요한 물질이기도 함. 세포의 생사는 세포내 사이토크롬 C의 위치에 달려있는 셈임.
Apoptosis, or programmed cell death, is involved in development, elimination of damaged cells, and maintenance of cell homeostasis. Deregulation of apoptosis may cause diseases, such as cancers, immune diseases, and neurodegenerative disorders. Apoptosis is executed by a subfamily of cysteine proteases known as caspases. In mammalian cells, a major caspase activation pathway is the cytochrome c-initiated pathway. In this pathway, a variety of apoptotic stimuli cause cytochrome c release from mitochondria, which in turn induces a series of biochemical reactions that result in caspase activation and subsequent cell death. In this review, we focus on the recent progress in understanding the biochemical mechanisms and regulation of the pathway, the roles of the pathway in physiology and disease, and their potential therapeutic values.
아주 오랜 옛날에 고세균 내부로 미토콘드리아가 들어가 더부살이를 시작하면서 진핵세포가 탄생했고 미토콘드리아의 공생관계 덕분에 에너지문제를 해결한 진핵세포는 비로소 다세포를 형성할 여유를 얻게 됨. 이로부터 지구상에 다양한 다세포 생명체가 탄생함. 그러나 미토콘드리아의 활약상을 들여다보면 진핵세포의 공생관계에서 실질적인 권력은 미토콘드리아가 쥐고 있는 것처럼 보임.
세포자살과 질병
단세포 생물에게서 자살은 완전히 사라지는 것을 의미하지만 다세포 생물에서는 다름. 기능을 수행하지 못하는 세포는 자살함으로써 기꺼이 전체의 생존에 이로운 방식을 따름. 자살을 거부하는 것은 전체의 이익을 거스르는 행위가 되며 세포자살이 제대로 일어나지 않으면 질병(암)이 발생함.
p53은 세포손상을 감지하여 세포자살신호를 내리는 최초의 물질(암억제 유전자)임. p53의 돌연변이는 손상된 세포를 제거하지 못하여 암을 일으키며 대부분의 암세포에서 p53돌연변이가 관찰됨. 세포의 자살신호와 자살억제신호물질 Bcl-2, bax/bac 유전자 돌연변이 역시 혈액암, 대장암/위암을 일으킴. 아포토좀을 형성하여 캐스페이즈를 활성화시키는 APAF-1의 발현이 줄어든 경우에도 흑색종, 백혈병 뇌종양, 자궁경부암 등 다양한 암이 발생함. 자살을 강요하는 외부의 신호를 감지하는 FAS 수용체에 돌연변이가 생긴 경우에도 간암, 식도암, 백혈병, 대장암, 난소암, 흑색종 등 다양한 암이 발생함.
세포자살이 지나치게 발생하는 경우에도 질병이 발생함. 치매, 파킨슨병, 헌팅턴 병 등 많은 퇴행성질호나은 오랜 세월 손상에 시달린 신경세포가 마지막으로 자살을 선택하여 생기는 질환임. 치매는 신경세포내에 엉킨 아밀로이드 베타 단백질이나 타우 단백질이 케스페이즈 3, 6를 활성화시켜 신경세포자 자살을 일으킨 경우임. 파킨슨 병은 PINK1(bax) 단백질의 발현량이 높아 케스페이즈 9, 3이 활성화되어 도파민 신경세포가 자살을 일으킨 경우임.
심장의 관상동맥경화도 세포가 새로 생기는 세포보다 자살하는 세포가 많아 플라크가 형성된 질병이라 볼 수 있음.
우리 몸에 침입한 세균이나 바이러스는 대식세포가 식작용을 통해 잡아먹기 퇴치하기도 하지만 면역세포인 T세포가 침입자들의 자살을 유도하여 퇴치하기도 함. 에이즈 바이러스는 반대로 T 세포의 자살을 유도함으로서 면역결핍을 야기함. 류머티즘 당뇨 아토피 등 자가면역질환은 침입자를 공격해야 할 면역세포가 자신의 세포를 공격하여 생기는 병인데 이는 흉선에서 실시한 자기와 남을 구별하는 교육에서 불합격한 면역세포들이 자살하라는 명령을 듣지 않고 몰래 탈출하여 온몸을 돌아다니면서 자기세포를 죽이기 때문임.
사이클린과 사이클린-의존성 인산화효소의 발견
미국 허치슨 암연구소 '릴렌드 하트웰'교수는 효모의 세포분열을 연구. 하트웰 교수는 23도에서는 정상적으로 세포분열하지만 36도에서는 세포분열과정에서 이상을 일으키는 150여개의 온도-민감성 돌연변이 개체를 발견.
... cdk발견. 지금까지 10여개의 cdk가발견되었고 이들은 각기 다른 세포분열주기에서 세포분열을 조절함.
영국 암연구 재단의 팀 헌트박사는 성게의 알을 이용하여 핵이 둘로 나누어지는 M기를 연구. ... 핵분열이 시작될 무렵 만들어지고 그후에 사라지기를 반복하는 단백질을 발견. 이를 사이클린(Cyclin)이라 이름지음. .. cdc2와 결합한 사이클린은 다른 단백질들의 인산화를 유도하고 인산화된 단백질들은 세포분열 주기를 진행시키기도 하고 사이클린을 파괴하기도 함.
많은 연구를 통해 사이클린은 대부분의 세포에서 세포분열을 조절한다는 사실이 밝혀짐. 사이클린은 A, B, D, E타입 등 10종류 이상이 발견됨. 예를들어 CDK4/6-cyclinD의 조합은 세포분열의 시작을 조절, CDK2-cyclinE 조합은 G1에서 S기로 진입을 조절. CDK2-cyclinA조합은 S기를 진행하게 되고 CDK1-cyclinA 조합은 G기의 진행을 조절함.
이처럼 사이클린-의존성 인산화효소와 사이클린의 조합은 세포분열의 단계마다 필요한 단백질을 조절하여 세포분열이 성공적으로 진행할 수 있도록 함. 한편 사이클린-의존성 인산화효소의 작용을 방해하는 단백질(Inhibition of cyclin dependent kinase. INK)들도 발견되었는데 이들은 세포분열 주기의 각 단계에서 세포분열을 억제하는 역할. 이처럼 세포분열은 다양한 단백질이 상황에 따라 서로 촉진되기도 하고억제하기도 하면서 진행되는 매우 복잡한 과정임.
세포분열 조절을 이용한 암치료제의 개발
암 치료는 암세포를 죽여서 없애고 재발하지 않도록 암세포의 분열을 억제하는 것임. 암세포의 분열을 억제하기 위해서는 세포분열을 촉진하는 유전자를 방해하고 세포분열을 억제하는 유전자를 활성화하는 것이 필수.
Rb(retinoblastoma) 유전자는 주로 5세 미만 아이들 눈의 망막에 생기는 종양을 연구하는 과정에서 발견됨. Rb는 세포분열에 필요한 유전자를 발현시키는 E2F전사인자를 방해하여 G1기에서 S기로의 진입을 억제함. 외부에서 세포분열을 시작하라는 신호가 오면 사이클린-의존성 인산화효소가 Rb를 인산화시켜 Rb를 E2F 전사인자로터 분리시킴. 그 결과 자유로워진 E2F 전사인자가 세포분열에 필요한 유전자를 발현하여 세포분열이 시작됨. 만약 사이클린-의존성 인산화효소의 활성이 지나쳐 계속해서 Rb를 억제하면 자유로워진 E2F는 전사인자가 세포분열에 필요한 단백질들을 계속적으로 만들어 세포분열은 반복되고 암이 발생할 것임. 따라서 사이클린-의존성 인산화효소의 기능을 억제하면 암을 치료할 가능성이 있음.
입랜스(Ibrance)는 CDK4와 CDK6을 방해하여 세포분열의 시작을 억제하는 암치료제임. 입랜스는 특히 유방암에 좋은 효과.
p53 암억제 유전자는 DNA손상을 발견하면 세포분열을 멈추고 DNA를 수선하도록 지시함. 사람의 경우대장암, 유방암, 간암, 폐암, 뇌암 등 전체 암의 50%이상에서 p53유전자 돌연변이가 발견되거나 유전자발현이 일어나지 않음.
생명체가 살아가는데 있어 세포분열은 필수적임. 암은 그 틈새를 파고든 질병임. 암세포와의 전쟁에서 부딪힌 가장 큰 난관은 피아를 구별해서 적군만 죽이는 무기를 아직 개발하지 못함. 암세포를 죽이는 과정에서 정상세포도 함께 죽이는 부작용이 나타나서 많은 환자가 고통을 받고 있음.
그 전쟁에서 어떻게 승리할 수 있을까?
암세포의 미토콘드리아 굶기기
암세포는 대사질환이다. 암은 당뇨, 고혈압처럼 적절한 식이요법과 부작용없는 약물로 평생 조절할 수 있다. living with cancer 클릭클릭