apoptosis 세포사멸에 대한 소고 - 연세대학교 생화학과 송재환

[문형철]

beyond reason

인간을 구성하고 있는 세포의 수를 정확히 측정하기는 힘들지만 대략 수십조개로 추산을 한다. 그리고 하루에 500억에서 700억 개의 세포는 apoptosis라는 세포사멸 기작을 통해 죽는다고 알려져있으며 그만큼의 세포가 새로이 생성된다고 할 수 있다. 세포사멸 기작은 세포내 발현되는 자살 신호전달 기작이 활성화되면서 세포가 스스로 죽어가는 과정으로 세포괴(necrosis)와는 다르게 면역반응을 거의 유도하지 않으며 세포의 잔재는 마크로파지(macrophage) 등의 면역세포에 의해 제거가 된다. 이 기작은 크게 두가지로 구분할 수 있는데 하나는 자외선이나 감마선, 화학물질, 바이러스감염, 영양결핍, 산소결핍, 암유발유전자 발현 등의 스트레스에 의해 발생되는 intrinsic apoptosis와 TNFα, FAS, TRAIL 등의 사토카인이 유도하는 extrinsic apoptosis로 구분할 수 있다. 전자의 경우 미토콘드리아를 통한 세포사멸 기작이 유도되는 반면 후자의 경우 세포막에 존재하는 사이토카인 수용체의 활성에 의해 세포사멸기작이 활성화 된다. 

정리 : 하루 500-700억개의 세포는 apoptosis 기작에 의해 죽음. 

        면역반응(염증 등)을 전혀 일으키지 않고 macrophage에 의해 제거됨. 

        intrinsic and extrinsic apoptosis로 구분함. 

        미토콘드리아를 통한 세포사멸 기작

        세포막에 존재하는 사이토카인 수용체의 활성에 의한 세포사멸 기작

두 기작 다 궁극적으로는 caspase라는 세포 내 단백질 분해효소의 활성화를 통해 세포사멸을 유도하게 된다. 이러한 세포 사멸기작은 모든 세포내에 존재하고 있으며 역치값을 넘는 외부 혹은 내부의 스트레스를 세포가 접하는 경우 항상 활성화될 준비를 하고있다. 

그렇다면 세포는 왜 스스로의 생을 마감하는 자살기작이 발달해 있으며 

이러한 작용은 개체에 어떠한 이익을 가져다 줄 수 있을까?

Death-inducing signaling complex (DISC). 

(a) DISC of Fas and TRAIL receptors. Death domain (DD) of Fas recruits the adapter protein FADD. FADD in turn, via its death effector domain (DED), recruits and activates caspase-8. 

(b) DISC of tumor necrosis factor (TNF) receptor 1. After the binding of TNF to TNFR1, rapid recruitment of TRADD, RIP1 and TRAF2 occurs (complex I). Subsequently, TNFR1, TRADD and RIP1 are modified and dissociate from TNFR1. The liberated DD of TRADD (and/or RIP1) binds to FADD, resulting in caspase-8 recruitment (complex II) and apoptosis. Complex I activates nuclear factor-κB (NF-κB) and promotes FLIP expression‎, which inhibits caspase-8 and antagonizes apoptosis.

Abstract

The demonstration of protein sequence and functional homology of the Caenorhabditis elegans programmed cell death gene product, CED-3, with human caspase-1 in 1993 triggered an explosion of research activities toward the understanding of molecular mechanisms of apoptosis. During the past 15 years, a plethora of knowledge has been obtained on the mammalian caspases, the homologs of CED-3, with regard to their distinct physiological functions, their substrates, different activation mechanisms, the signal transduction pathways that lead to their activation as well as their involvement in the pathogenesis of diseases. Such knowledge is beginning to be translated into new therapies for the treatment of human diseases.

단세포 생명체의 경우 세포가 하나에서 둘로 나뉘면서 새로운 개체를 형성하게 되며 이들 개체들은 군집을 이루며 살기도 하지만 궁극적으로는 하나의 개체로 살아갈 수 있는 능력을 보유하게 된다. 즉 단세포들은 각각의 세포가 소위 말하는 만능 줄기세포이면서 개체인 셈이다. 

반면 다세포 생명체의 경우 하나의 만능줄기세포에서 다양한 기능으로 분화된 세포가 출현하게 되며 분화된 세포들은 특정역할을 담당하는 세포끼리 군집을 이루어 기관을 형성하게 된다. 이러한 기관들은 서로의 협업을 통해 한개체의 생존을 가능하게 할 수있다. 결국 다세포 생명체의 경우 수많은 세포의 역할이 정해져 있으며 이러한 기능이 성실히 수행되는 경우에 한해서 개체는 생존과 생식을 이어갈 수 있게된다. 분화된 세포는 일정기간 역할을 수행하다가 줄기세포에 의해 생성된 같은 기능의 분화세포로 대체되면서 죽어가게 된다. 그러나 분화된 세포라 하더라도 외부 혹은 내부환경의 스트레스로부터 지속적인 자극에 노출이 될 경우 이러한 노출을 통해 역분화가 일어난 비정상적인 세포로의 변화 가능성이 높아지게 된다. 

이렇게 분화된 세포가 다시 역분화를 통해 줄기세포와 비슷한 성격을 가지게 되는 것을 우리는 통상적으로 세포의 암화라고 부른다. 

이러한 비정상적 세포의 출연을 막기 위해 세포들은 막대한 양의 에너지를 이용 방어기작을 작동시키고 있다는 사실은 세포가 암화로부터 얼마나 취약할 수 있는가를 보여주는 반증이라고 할 수 있다. 

그렇다면 일반적으로 세포는 역분화나 암화를 방지하기 위하여 어떠한 방어기작을 보유하고 있을까? 

서두에서  소개를 했듯이 세포사멸의 기작은 일반적으로 intrinsic과 extrinsic으로 나눌 수 있다. DNA 등의 돌연변이, 지속적인 성장, 혹은 영양/산소결핍 등을 야기시키는 스트레스가 오는 경우 세포는 세포사멸이나 노화기작을 작동시켜 스스로의 삶을 마감하는 현상인 intrinsic apoptosis를 작동시킨다. 우선 정상적으로 분화된 세포의 경우 더 이상의 분열과 성장을 하지 않고 자신의 특화된 기능에 충실하면서 일정한 대사작용을 통해 수명이 정해진 삶을 이어가게 된다. 이러한 세포의 경우 주변환경의 변화에 극도로 민감하게 반응하는 경향이 있다. 예를들어 지속적인 성장 시그널이 오는 경우 이들 세포는 초기에는 대사기능 등이 활발해지면서 어느 정도 기능이 활성화되는 긍정적인 효과를 누리게 되나 이러한 자극이 지속되는 경우 이들 세포는 오히려 노화/사멸의 기작이 활성화된다. 지속적인 성장자극에 의한 역분화를 막기 위해 정상적인 세포들은 성장인자의 발현과 동시에 p14 ARF 혹은 INK4a 등의 노화인자를 발현시킨다. 이들 인자들은 각각 p53 혹은 RB 암억제자를 활성화시켜 세포의 노화와 사멸을 촉진시키게 된다(K. T. Bieging et al.). 이들이 비정상적인 세포의 발생을 억제하는 역할은 이들 인자들이 제거된 마우스가 모두 암에 의해 죽어간다는 사실에서 매우 극명하게 증명되고 있다. 

BMB Rep. 2016; 49(11): 598–606. 

Published online 2016 Nov 30. doi: 10.5483/BMBRep.2016.49.11.120

PMCID: PMC5346319

PMID: 27470213

Dynamics of ARF regulation that control senescence and cancer

Aram Ko, Su Yeon Han, and  Jaewhan Song*

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Abstract

ARF is an alternative reading frame product of the INK4a/ARF locus, inactivated in numerous human cancers. ARF is a key regulator of cellular senescence, an irreversible cell growth arrest that suppresses tumor cell growth. It functions by sequestering MDM2 (a p53 E3 ligase) in the nucleolus, thus activating p53. Besides MDM2, ARF has numerous other interacting partners that induce either cellular senescence or apoptosis in a p53-independent manner. This further complicates the dynamics of the ARF network. Expression‎ of ARF is frequently disrupted in human cancers, mainly due to epigenetic and transcriptional regulation. Vigorous studies on various transcription factors that either positively or negatively regulate ARF transcription have been carried out. However, recent focus on posttranslational modifications, particularly ubiquitination, indicates wider dynamic controls of ARF than previously known. In this review, we discuss the role and dynamic regulation of ARF in senescence and cancer.

Keywords: ARF, ARF knockout mice, Cancer, Posttranslational regulation, Senescence, Tumorigenesis, Ubiquitination

정리 : DNA돌연변이, 지속적인 성장, 영양/산소결핍 등을 야기시키는 자극이 오는 경우 세포는 intrinsic apoptosis를 작동시킴. 

주목할 점은 이들 intrinsic apoptosis 기작에 관련된 많은 주요 인자들의 KO 마우스의 경우 거의 정상적으로 태어나며 이러한 사실은 이들 단백질들이 발생단계보다는 성장해 가는 과정에서 역분화가 일어나는 세포를 제어하기 위해 그 기능들이 진화적으로 특이성을 띄우게 된 것으로 판단된다. 물론 p53의 모태라 할수 있는 p63과 p73의 경우 암제어의 역할도 수행하면서 발생에도 중요한 영향을 끼치는 것으로 보아 p53은 진화적으로 다세포 동물세포의 암화를 억제하기 위해 발생된 특이적 암억제 단백질로 판단할 수 있다(Murray-Zmijewski, et al.). p53은 암성장인자에 대해 민감하게 반응하는 것 이외에도 genomic instability를 일으키는 거의 모든 스트레스에 활성화가 되면서 세포의 암화를 억제하는 기능을 하고 있다. 

궁극적으로는 암화를 막기 위해 세포는 p53에 의한 Bax, Noxa, Puma등의 발현을 유도시켜 마이토콘드리아의 기능을 파괴하고 세포의 사멸을 유도하게 된다. 인간에게 발생하는 많은 암에서 p53이나 p14ARF, RB, INK4a의 기능이 돌연변이나 혹은 후성유전체 변화에 의해 억제되고 동시에 RAS 혹은 성장호르몬 수용체 등의 암유도 유전자가 활성화되어 있는 것은 세포의 암화에 있어서 이들 암억제 단백질 역할의 중요성을 증명해 주고 있다(A. G. Stephen et al.).

EMBO J. 2006 Oct 18; 25(20): 4952–4962. 

Published online 2006 Oct 5. doi: 10.1038/sj.emboj.7601359

PMCID: PMC1618103

PMID: 17024184

Differential contribution of Puma and Noxa in dual regulation of p53-mediated apoptotic pathways

Tsukasa Shibue,1,* Saori Suzuki,1,2 Hideaki Okamoto,3 Hiroki Yoshida,3 Yusuke Ohba,1,† Akinori Takaoka,1 and Tadatsugu Taniguchi1,a

Author information Article notes Copyright and License information Disclaimer

Abstract

The activation of tumor suppressor p53 induces apoptosis or cell cycle arrest depending on the state and type of cell, but it is not fully understood how these different responses are regulated. Here, we show that Puma and Noxa, the well-known p53-inducible proapoptotic members of the Bcl-2 family, differentially participate in dual pathways of the induction of apoptosis. In normal cells, Puma but not Noxa induces mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP), and this function is mediated in part by a pathway that involves calcium release from the endoplasmic reticulum (ER) and the subsequent caspase activation. However, upon E1A oncoprotein expression‎, cells also become susceptible to MOMP induction by Noxa, owing to their sensitization to the ER-independent pathway. These findings offer a new insight into differential cellular responses induced by p53, and may have therapeutic implications in cancer.

Keywords: apoptosis, BH3-only proteins, endoplasmic reticulum, mitochondria, p53

Extrinsic apoptosis는 Intrinsic apoptosis와는 다른 몇 가지 특이성을 보이고 있다. 우선 extrinsic apoptosis 의 경우 미토콘드리아의 영향을 거의 받지 않고 세포사멸을 유도할 수 있으며, genomic instability, oncogene의 발현 등에 의한 세포사멸이라기 보다는 면역세포나 주변세포 혹은 스스로 발현시키는 사이토카인에 의해 유도 되는 세포사멸이라고 할 수 있다. 그렇기 때문에 intrinsic apoptosis와는 다른 인자들이 관여하고 있으며 특정 사이토카인을 세포가 인식하여야 하기 때문에 수십 개의 수용체 family가 발견되고 있다. 또한 이들 기작의 특이한 점은 extrinsic apoptosis에 관여하는 인자들을 제거할 경우 동물의 발생과정에 많은 영향을 미치는 것을 관찰할 수 있다는 것이다. 예를 들어 Trail, FasL/CD95. TNF의 기작에 관여하는 FADD, caspase8, FLIP, TRF2 등을 제거할 경우 발생단계에서 embryonic lethality 등을 보이는 등 발생에 상당히 심각한 영향을 보이게 된다(F. Gonzalvez and A Ashkenazi, T. Vanden Berghe et al.). 

ABSTRACT

Apoptosis plays an essential role in T cell biology. Thymocytes expressing nonfunctional or autoreactive TCRs are eliminated by apoptosis during development. Apoptosis also leads to the deletion of expanded effector T cells during immune responses. The dysregulation of apoptosis in the immune system results in autoimmunity, tumorogenesis and immunodeficiency. Two major pathways lead to apoptosis: the intrinsic cell death pathway controlled by Bcl-2 family members and the extrinsic cell death pathway controlled by death receptor signaling. These two pathways work together to regulate T lymphocyte development and function.

이러한 관찰은 intrinsic apoptosis와는 다른 형태로 extrinsic apoptosis가 systemic하게 개체의 성장과 발전에 영향을 미치는 것을 암시하고 있다. 이들 extrinsic apoptosis에 관련된 사이토카인 중 대표적 인자인 TNFα 혹은 TNFβ는 특히 면역 반응에 있어서 이들 인자들은 매우 중요한 역할을 담당한다. 일반적으로 TNFR1(TNF Receptor-1 혹은 CD120a) 와 TNFR2(TNF Receptor-2 혹은 CD120b)인 두 개의 수용체를 통해 인식이 되는데 TNFR1은 인간의 대부분 조직에서 발현되며 TNF과 결합을 하는 반면 TNFR2는 주로 면역세포에서 발현이 되며 TNFα와 TNFβ와 결합하는 것으로 알려져 있다. 감염이 되거나 면역반응이 일어나는 경우 macrophages 및 lymphocytes, fibroblasts keratinocytes 등에서 분비되는 TNF는 TNFR1 혹은 TNFR2와 결합함으로써 세포의 면역반응을 유도하며 이 과정에서 Caspase 8를 통하는 세포사멸을 유도하게 된다. 

Abstract

Tumour necrosis factor-alpha (TNF-α) is an important inflammatory factor that acts as a master switch in establishing an intricate link between inflammation and cancer. A wide variety of evidence has pointed to a critical role of TNF-α in tumour proliferation, migration, invasion and angiogenesis. The function of TNF-α as a key regulator of the tumour microenvironment is well recognised. We will emphasise the contribution of TNF-α and the nuclear factor-κB pathway on tumour cell invasion and metastasis. Understanding the mechanisms underlying inflammation-mediated metastasis will reveal new therapeutic targets for cancer prevention and treatment.

그러나 이들 과정은 AP-1과 NFκB 전사반응 등 세포의 생존 시그널도 동시에 보냄으로 하여 감염 정도에 따라 세포의 운명이 결정된다고 할 수 있다(L. M. Sedger and M. F. McDermott). 간단하게 TNF의 기작을 설명하면 TNF가 TNFR1에 결합하는 경우 RIP1 단백질은 TNFR1의 Death Domain(DD)에 결합을 하게 되며 결합된 RIP1은 cIAP1과 TRAF2에 의해 Lys63번이 연결되는 linear ubiquitination이 일어나게 된다. linear ubiqutination된 RIP1은 NFκB 상위인자인 TAB2/3, TAK1과 결합하고 NEMO/Iκκβ/Iκκα를 활성화시켜 IκB의 인산화를 유도하게 되며 결과적으로 NFκB는 억제인자인 IκB로부터 분리되고 면역반응 및 세포 생존반응을 유도하게 된다. 그러나 linear ubiquitination이 된 RIP1에 의한 NFκB의 활성은 linear ubiquitination이 빠르게 CYLD와 A20등의 분자에 의해 제거되면서 멈추게 되고 RIP1이 수용체에서 떨어지면서 RIP1/FADD/Caspase 8 complex II 구조가 형성된다. 이 구조는 caspase 8의 활성을 유도 발생 세포사멸작용이 일어나게 된다. 

TNFα 관련된 면역관련 질병이 많이 연구되고 있으며 뇌질환, 심장질환, 천식 등의 폐질환, 류마티즘, IBD, 만성천식 등의 자가면역반응에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 최근 TNF를 타겟으로 하는 단항체클론 개발을 통한 이들 질병의 치료시도가 많이 이루어지고 있는 점은 extrinsic apoptosis의 질병과의 중요한 연관성을 잘 보여주고 있는 예라 할 수 있다.

최근에는 TNFα 관련 programmed necrosis 기작이 발견되었으며 이 발견은 apoptosis처럼 necrosis도 자살기작을 통해 일어나는 것을 규명하였다(T. Vanden Berghe et al.). 이들 기작은 apoptosis 처럼 정해진 프로그램에 의해 세포의 괴사기작이 발생하는 것으로 necroptosis라고 명명을 하여 기존 necrosis와는 다른 기작으로 분류하고 있다. 이 기작은 일반적으로 extrinsic apoptosis에 의해 억제되고 있으나 바이러스 등에 의해 extrinsic apoptosis작용이 막히게 될 경우 necroptosis가 발생 감염된 세포에 대한 면역반응을 유도하게 된다. 결국 necroptosis는 apoptosis와는 다르게 급성면역반응을 유도하며 폐혈증, IBD 등을 야기시키는 주요원인으로 최근 주목을 받고 있다. 이들 기작에 관련되어 새로이 규명되고 있는 인자로는 RIPK3, MLKL 등이 있으며 이들 인자는 전 세계적으로 programmed cell death 분야에서 많은 주목을 받으며 연구되고 있다. 아직까지는 이들 기작과 인간의 질병 관련성이 급성면역질환인 폐혈증, 허혈 및 재관류(ischemica-reperfusion), 감염 등의 증상에서 연구가 되고 있으나 앞으로 퇴행성 성인질병, 암, 뇌질환 등 다양한 분야로 퍼져나갈 것으로 기대하고 있다.

현재 알려진 세포사멸기작은 크게 intrinsic apoptosis 그 리고 extrinsic apoptosis가 있으며 최근 necroptosis로 명명된 programmed necrosis가 새로이 조명을 받고 있다. 이들 세포사멸 기작은 암 및 퇴행성 질환, 뇌질환, 면역질환 등 인간의 거의 모든 질환에 관여하고 있으며 결과적으로 이들 질병의 주요타겟으로 연구가 되고있다. 그러나 세포사멸의 경우 거의 모든 세포에서 공통적으로 일어나는 현상이기 때문에 p53, TNFα 등 일반적인 세포사멸인자를 타겟할 경우 뜻하지 않은 부작용이 발생하는 등 이들을 타겟으로 하는 것에는한계를 또한 드러내고 있는 실정이다. 이러한 점을 극복하기 위해 질병 특이적인 신호기작과 이들 신호기작 에 관여하는 새로운 인자들을 더 세밀히 연구하고 발견할 필요가 있다. 특히 세포내 신호전달 기작간의 crossover와 새로운 기전발견 및 이를 기반을 하는 동물모델의 확립은 이 분야를 확대시켜 나가는데 많은 도움을 줄 것으로 기대한다. 궁극적으로는 이들을 조절할 수 있는 새로운 화합물 및 바이오 신약의 발견을 통해인간질병과 수명을 제어할 수 있는 날이 오기를 기대해 본다.