아포토시스 [apoptosis]

아포토시스 [apoptosis]  

요약

세포(細胞)가 유전자에 의해 제어되어 죽는 방식의 한 형태. 

본문

'아포프토시스'라고도 한다. 세포가 죽는 방식에는 크게 나누어 세포의 괴사나 병적인 죽음인 네크로시스(necrosis)와 아포토시스가 있다. 네크로시스는 화상과 타박, 독극물 등의 자극에 의해 일어나는 세포의 죽음으로, 말하자면 세포의 '사고사'라고 할 수 있다. 네크로시스의 경우에는 세포 밖에서 수분이 유입됨으로써 세포가 팽창하여 파괴된다.

이전에는 세포의 죽음은 모두 네크로시스라고 생각했다. 그러나 최근 30여 년 사이에 세포에는 자발적인 죽음을 일으키는 유인(誘因)이 있다는 사실이 알려졌다. 유전자에 제어되는 이와 같은 능동적인 세포의 죽음이 아포토시스이다. 네크로시스가 오랜 시간에 걸쳐 무질서하게 일어나는 데 반해 아포토시스는 단시간에 질서있게 일어난다.

아포토시스는 세포가 축소되면서 시작된다. 이후 인접하는 세포 사이에 틈새가 생기고, 세포 내에서는 DNA가 규칙적으로 절단되어 단편화된다. 마지막에 세포 전체도 단편화하여 아포토시스 소체라고 불리는 것으로 된 후 가까이 있는 세포에게 먹혀버림으로써 죽음에 이르게 된다. 아포토시스는 발생 과정에서 몸의 형태 만들기를 담당하고, 성체에서는 정상적인 세포를 갱신하거나 이상이 생긴 세포를 제거하는 일을 담당하고 있다.

동물의 몸 안에서 일어나는 발생, 분화의 과정에서 유전적 프로그램에 의해 일어나는 세포사를 프로그램 세포사(PCD:programed cell death)라고 한다. PCD는 발생의 어느 단계에서 치사 유전자가 움직이기 시작해 그 세포가 죽는 경우 등이다. 사람의 경우에는 태아의 초기에 손이나 발은 주걱 모양을 하고 있어 발가락이나 손가락 사이가 벌어지지 않고 있다가, 후기에 그 사이에 해당하는 부분에 있던 세포가 프로그램 세포사함으로써 손가락이나 발가락의 형태가 생긴다.

PCD도 아포토시스와 같은 과정을 보이므로 이 2가지를 같은 뜻으로 보는 학자도 있다. 그러나 아포토시스는 암 세포 내의 세포 소실, 바이러스 감염과 약물, 방사선 등 PCD 이외의 경우에도 일어난다는 점에서 구별된다.

  세포의 사망 프로그램 찾으면 ;암-에이즈 치료가능;태아 생성에도 관여;관련유전자

     4종류 밝혀져;특정세포 사망 촉진-지연 연구활발

세포의 사망프로그램을 찾아라. 사람의 세포는 수명을 가지며, 수명을 다할 경우 일정한 유전자적 사망프로그램에 따라 죽어 가는 것으로 최근 밝혀져 전세계 의학자들을 흥분시키고 있다. 이 프로그램만 찾아내면 암, aids, 노화 등 그동안 해결되지 않았던 인류의 과제들을 한꺼번에 풀 수 있기 때문이다.

사망프로그램의 존재가 알려지기 전까지 세포는 괴사 (necrosis)라는 과정을 통해 사망하는 것으로 알려졌다. 화학물질, 세균 등 외부 요인이 세포를 싸고 있는 막을 파괴, 내용물이 밖으로 쏟아져 세포가 죽음을 맞는다는 이론이다.

그러나 2, 3년전부터 세포는 낙엽지듯이 능동적인 단백질 생합성 과정을 통해 사망한다는 연구결과들이 잇따라 나오고 있다. 아포토시스 (apotosis)라고 불리는 이 과정은 세포가 특정 유전자들의 발현에 따라 스스로 산산히 분해, 사라지는 과정을 겪는다는 것이다. 대부분의 세포가 이 과정을 겪는 것으로 알려졌다.

현재 의학자들의 연구는 아포토시스를 유도하는 유전자들을 찾아내는데 초점을 두고 있다. 지금까지 이런 유전자는 칼슘의존성 핵산 내분해효소, 아포토시스 유도유전자 등 3~4종류가 밝혀져 있다. 의학자들은 "이런 유전자들의 발현을 막거나 유도함으로써 특정 세포들의 사망을 지연시키거나 촉진시킬 수 있다"고 말한다.

연구가 가장 활발히 이루어지고 있는 곳은 역시 미국. 미국 국립암연구소를 비롯 각 대학 연구팀들이 연구에 몰두하고 있으며, 오는 10월말 미국암학회 주최로 첫 사망프로그램 국제학술대회가 열린다.

국내에선 지난 8월27~28일 서울 연세대 동문회관에서 열린 93 기초의학 학술대회 에서 이 이론이 처음 소개됐다. 일본 야마구치대 고바야시교수는 aids는 aids바이러스가 특정 임파구(cd4양성)만 공격, 이 임파구가 아포토시스 과정을 겪도록 만들기 때문 이라는 연구를 발표했다. "따라서 이 임파구의 사망프로그램을 조정, 아포토시스 과정에 빠져들지 않도록 하면 아무리 aids바이러스가 임파구를 공격해도 면역결핍에 빠지지 않는다. "

서울대의대 박상철교수(생화학)는 "발암원에 의해 손상받은 세포들중 극히 일부에만 암화현상이 나타나는 것은 대부분의 세포들에 사망프로그램이 작동하기 때문"이라고 설명하고 "나머지 암화과정의 손상 세포들도 아포토시스에 들게 하면 암을 예방할 수 있다"고 말했다. "또 무한히 증식하는 암세포들에 사망프로그램을 작동시키면 암을 치료할 수도 있다. " 사망프로그램은 태아의 생성 과정에서도 중요한 역할을 하는 것으로 규명됐다. 한 예로 태아의 손은 생성 초기에는 손가락 구분이 없지만, 차차 손가락들 사이의 세포들이 아포토시스 과정을 거쳐 사망함으로써 손가락이 만들어지는 것이다. <김창기기자>

아포토시스

정상적인 재생계 세포가 스스로 프로그램에 의해 자살할 때 나타나는 죽음 방식.

‘세포 자멸’, ‘고사’, ‘자살’이라고도 한다. 네크로시스와는 달리 세포가 축소하고 핵이 응축함으로써 DNA는 규칙적으로 절단된다. 네크로시스가 장시간에 걸쳐 무질서하게 일어나는 데 반해 아포토시스는 단시간에 질서있게 일어난다.

아포토시스는 발생 과정이나 몸의 형성 및 유지에 없어서는 안 되는 기제이다. 사람 손의 발생 과정에서는 손가락 사이의 특정 세포가 아포토시스에 의해 제거되어 손가락 형태가 된다. 소장과 위의 상피 세포도 아포토시스에 의해 새로운 세포로 대체된다.

그리고 분자 수준에서는 세포가 무엇인가로부터 어떤 죽음 시그널을 받으면 특정 유전자가 작용하여 아포토시스를 일으킨다. 이 외에 아포토시스는 바이러스 감염과 약물, 방사선 등에 의해서도 일어나는 것으로 알려져 있다.

한편 비재생계 세포의 세포사는 개체의 죽음으로 연결되는 것으로 ‘아포비오시스’라 하며 아포토시스와는 구별된다.

김상현  (contact@see-gene.com) (2003-08-05 00:28:31) 

  사고하는 즐거움-Apoptosis  김상현

"자연계에 어떤 것이 존재하는 데에는 반드시 그만한 이유가 있다" (라이프니쯔)

필자가 apoptosis란 말을 처음 접한 것은 1994년 대전이었다. KAIST 전공시험 주관식문제로 나왔는데 그때 전혀 엉뚱한 답을 상당히 길게 썼던 기억이 난다. 그 후로 국내에서는 이 말이 상당히 빠르게 퍼져나가 그 해 겨울부터는 이 단어 뜻만 알아도 어깨 힘주고 다녔던 시절이 있었다.

이제는 apoptosis하면 모르는 분이 없겠으나 간혹 그 개념이 혼돈되는 분이나 이 말을 처음 접하는 학생들을 위해 잠깐 정리해 보고자 한다.

세포생물학 연구에서 가장 근원적인 주제 중 하나는 세포의 증식, 분화, 및 사멸에 관한 기전을 밝혀내는 것이다. 세포의 증식과 분화과정에 관한 연구는 지난 수십년간 전세계 연구자들의 주된 테마 중 하나가 되어왔다. 이에 비하면 세포사(cell death)에 관한 연구는 아주 최근에 들어서야 그 중요성이 인식되었으며 지난 수년간 세포사에 관한 연구들은 그 어떤 주제보다도 활발하게 진행되었다.

세포사에서 형태학적으로 뚜렷이 구분되는 두가지형이 존재한다는 것은 1965년 J.F.R. Kerr의 렛드 간 허혈성상해(ischemic injury)에 대한 조직화학적 연구로부터 얻어졌다. 일반적인 세포사는 조직괴사(tissue necrosis)에서 보여지는 다음과 같은 전형적인 변화들을 갖고 있다: 염색질이 잘 정의되지 않은 덩어리로 응집하는 현상, 세포소기관들의 비대, 미토콘드리아 간질의 면상밀도(flucculent densities) 현상, 막 붕괴, 염증세포들의 침투.

그러나, 손상된 간 일부에 존재하는 세포들은 이것과는 또 다른 양상의 세포사를 보이는데, 예를 들어 날카로운 덩어리로 조밀된 염색질과 세포질의 응축, 점차 잘라지고 유리되어 조직의 대식세포들에 의해 포식되는 세포질 수포(blebs)나 융기(apoptotic bodies)와 같은 현상을 보여준다. 이러한 '이차기전(second mechanism)'에 의해 사멸된 세포들의 주변에는 어떠한 염증반응도 나타나지 않았다.

1975년 Kerr는 Currie, Wyllie와 함께 후자의 기전이 조직발생의 재구성과정에서 나타나며 따라서 생리학적 세포사(physiological cell death)로 볼 수 있다고 보고하였다. 그러나 이러한 수축괴사(shrinkage necrosis) 현상에 대한 근원적인 용어는 다소 부적절하여 보다 나은 용어를 찾게 되었는데, 마침 Kerr의 동료인 아버딘대(Univ of Aberdeen) 그리이스학부의 James Carmack 교수가 "꽃이나 화판(petals)이 떨어진다"는 의미의 apoptosis[ əp'ə to sis] (apo means separate from, ptosis means fall, from in Greek: 이것은 자연적인 세포 노경(cellular senescence) 현상이며 외부 이물질에 의해 사멸하는 반대 의미로서 '세포자살' cell suicide 이라 부르기도 한다)라는 용어를 제안하였다. (필자는 이후로 apoptosis를 아포토시스라 부르겠다)

아포토시스라는 말은 이렇게 정착되었다. 그러나 이 개념은 1980년대 초반에서 후반까지 Caenorhabditis elegans로부터 ced 유전자와 B 림프구의 bcl-2 유전자가 발견되는 유전적 기초가 세워지기 전까지는 무시되었다고 봐야한다. 그 후 많은 연구를 통해 아포토시스라는 일련의 과정에서 나타나는 다양한 세포형태 및 생화학적 변화들이 확인되었으며 이들은 모두 광학 또는 전자현미경의 수준으로 관찰된 결과였다.

아포토시스의 생화학적 사건으로서 가장 깊이있게 연구된 것은 누클레오티드간 연결사슬에서 나타나고, 약 185개 염기쌍 다중체의 절편들을 생산하는 핵 DNA 이중나선의 절단이다. 이 절편들은 아가로스겔 전기영동상에서 특징적인 아포토시스성 DNA의 사다리(ladder) 형태로 나타난다. 이 절단은 DNaseⅠ, Ⅱ 핵산내부가수분해효소와 아마도 NUC-18로 불리는 흉선으로부터 분리되는 또다른 18-kDa 핵산가수분해효소에 의한 것으로 보이지만, 정확한 핵산내부가수분해효소 단계들과 아포토시스 동안의 DNA 절단과 관련된 효소들은 아직 자세히 밝혀지지 않았다.

DNaseⅠ은 자체 활성에서 Ca2+ 및 Mg2+-의존성이며 아포토시스가 몇몇 세포유형에서 Ca2+ 유입에 관여하는고로, 아포토시스에 DNaseⅠ이 연루되어 있음을 짐작할 수 있다. 그러나, 핵산내부가수분해효소들의 정확한 실체에도 불구하고, 한가지 사실은 분명한데 그것은 절단이 제한핵산내부가수분해효소들의 부위라기보다는 히스톤 8량체(histone octamer)를 함유한 누클레오소옴(nucleosomes)간 연결부위에서 나타난다는 것으로 이것은 절단부위들이 DNA 서열이라기보다는 소위 국소해부학적인 방법으로 인식된다는 것을 암시한다.

일반적으로 아포토시스에는 카스페이스족(caspace family)에 속하는 시스테인 단백질가수분해효소들의 활성이 활발해진다. 카스페이스족에는 현재 10가지 인자들이 확인되었으며 이 중 가장 핵심을 이루는 것은 카스페이스-3 단백질가수분해효소다. 1998년 Q.L. Deveraux 등의 보고에 의하면 인체에는 X-IAP, cIAP1, 및 cIAP2와 같은 아포토시스저해제(inhibitor of apoptosis, IAP) 단백질들이 존재하고 있는데 이들은 최소한 두 종 이상의 카스페이스들(Caspase-3, -7)을 직접 저해하고 있다는 것이 최근 밝혀졌다. 이것은 IAPs가 카스페이스-3에 결합하여 이들이 p17과 p10 소단위들이 되는 자가촉매성 성숙과정을 방지함에 의한다. 그리고, 이러한 IAP족들은 시토크롬 C(cytochrome c)-매개된 카스페이스 활성을 저해하고 시토크롬 C로 인해 유도되는 최초의 카스페이스인 카스페이스-9와도 결합하여 이의 활성을 억제하는 것으로 나타났다. Saccharomyces cerevisiae는 내인성 카스페이스가 결핍되어 있기 때문에 최근에는 이들을 이용한 카스페이스 활성경로연구가 이루어지고 있다.

아포토시스의 다단계반응 사건들에 관여하는 것으로 보이는 또 다른 생화학적 변화들은 Ca2+이온의 세포내 유입, 단백질들간 ε(γ-글루타밀) 리신교차결합(ε(γ-glutamyl) lysine cross-links) 형성을 촉매하는 글루타민 전달효소(transglutaminse)의 유도, 미세소관들(microtubules)의 파괴, 캐모듈린(calmodulin) 발현의 유도, 세포표면에 포스파티딜세린(phosphatidylserine)의 폭로를 유발하는 막 인산지질의 비대칭성 상실, Fas/Apo1 세포표면수용체(이러한 TNF/NGF 수용체초가족은 CD95나 death domain으로도 불린다)의 활성, 일부 세포들의 경우 단백질키나아제 C의 활성화, 그리고 포스포콜린(phosphocholine)과 세라미드(ceramide)를 분비하는 원형질막으로부터 중성 스핑고미엘라아(sphingomyelinase)의 유도 등을 포함한다.

이러한 대부분의 생화학적 사건들은 아포토시스와의 원인효과 관계에서 확실하게 연관되어 있지는 않으며 이 중 일부는 일부 세포형에서 아포토시스 중에 일어나지만 다른 세포들에서는 그렇지 않다. 따라서, 만약 존재한다면 이들 중 어느 것이 아포토시스의 일반적인 기전이 될 수 있는지는 확실하지 않다.

아포토시스는 다양한 물질이나 자극에 의해 유도될 수 있다. 이러한 예를 들면 발생과정 중에서 나타나는 조직분화시 유도되는 사건, 세포생존에 요구되는 성장인자나 호르몬들의 제거, 이들의 음성조절에 민감한 세포형태에서 TGF- , 종양괴사인자, 또는 글루코코르티코이드(glucorticoids)의 폭로 등을 들 수 있다. 아포토시스가 일어나는 동안 유지되는 세포내 자유 Ca2+의 증가는 여러가지 물질이나 조건에 의해 유도되며 아포토시스는 Ca2+가 세포 성장배지로부터 결핍되는 경우 지연되거나 저해된다. 더욱이, 세포로 Ca2+를 이동하는 A23187과 같은 Ca2+ 이온운반체들(ionophores)은 어떤 세포형태에서 아포토시스를 유도한다. 그러나, Ca2+의 유입은 모든 세포형태에서 아포토시스를 동반하지 않으며 따라서 필수요수사항은 되지는 않지만 세포막의 혼란 후에 나타나는 효과가 될 수는 있다.

총체적으로 볼 때 아포토시스 분야는 Horvitz와 그의 공동연구자들에 의해 발견된 C. elegans에서 세포사를 유도하는 유전자들을 통해서 확고한 유전학적 토대를 쌓게 되었다. 이러한 소산은 세포생물학 연구들에 있어서 대한 좋은 모델이 되었다. C. elegans는 단지 1090개 세포들만으로 이루어진 현미경상의 투명한 회충이며 이들의 발생동안 각 세포계통이 추적될 수 있다. C. elegans의 약 131개 배아세포들은 아포토시스 또는 종종 일컬어지는 것과 같이 예정된 세포사(programmed cell death)를 겪게된다. (그러나 엄밀히 말하면, '예정된 세포사'와 '아포토시스'는 동일어가 아닌데, 이것은 전자의 경우 발생에서 조직의 재구성과 분화의 정상과정인 세포사의 형태이며 후자는 광범위한 세포독성물질들이나 물리적 자극에 의해서 유도될 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 형태학적 및 생화학적 과정들은 동일하지 않는 이상 매우 비슷하게 보인다).

M.O. Hengartner와 그의 공동연구자들은 1992년 네이쳐지(Nature)를 통하여 C. elegans에서 ced 유전자로 불리는 배발생동안 예정된 세포사를 조절하는 일련의 유전자들을 확인하였음을 발표하였다. 이들 중 ced-3 및 ced-4 유전자는 세포사를 유도하는 자살유전자(suicide gene)이며, ced-9는 아포토시스로부터의 세포들을 방어하는 항사멸성유전자(antideath gene)이다. 그로부터 거대한 해결책이 1992년 S.J. Korsmeyer와 그의 동료들에 의하여 인간 B-세포림프종에서 발견되는 ced-9가 bcl-2 유전자와 거의 25%에서 동일하다는 사실이 발견되고서야 나타났다. bcl-2 유전자는 여포림프종(follicular lymphoma)에서 흔히 관찰되는 전좌에 의해 활성화되는데, 이들의 과발현은 림프종세포들을 세포독성물질로부터 보호한다. 또한, 이 유전자는 c-myc와 함께 배양중인 세포들을 불멸화시킬 수 있다. bcl-2 유전자의 발현은 세포증식을 자극하기보다는 아포토시스를 보호하며, 후에 발견되었지만, 이들은 또한 이의 동반자인 bax 유전자(아래에 논의될 것임)와 함께 림프구의 정상분열경로에 관여한다. ced-9가 C. elegans에서 아포토시스를 저해하는 기능은 bcl-2 유전자가 포유류세포에서 동일하게 작용하는 것과 비슷하다. 더욱이, C. elegans에서 인간 bcl-2 유전자의 발현은 ced-3 및 ced-4가 매개된 세포사를 극복한다. 따라서, bcl-2 및 ced-9는 회충들과 인간들을 비롯한 다양한 개체들에서 동일한 기능을 가지는 것으로 보인다.

이와 같은 기능들이 무엇인지는 확실하지 않지만, 포유류세포에서는 bcl-2 유전자산물이 Bax로 불리는 다른 유전자산물과 협력하여 작용한다는 것이 확인되었다. Bax는 bcl-2와 유의한 아미노산 서열상동성을 가지는 21-kDa의 단백질이며, Bcl-2 단백질과 쌍을 이루는 경우, Bcl-2의 작용을 방해한다. 따라서, Bcl-2에 대한 Bax의 비율은 성장인자의 상실이나 세포독성 물질들의 존재로 처리되는 세포의 생존유무에 결정적인 것으로 보인다. 만약, Bax가 더 우세해지면, 이는 모든 Bcl-2에 경합하며 또한 Bax-Bax 이합체를 형성한다. 만약, Bcl-2가 초과하면 이는 모든 Bax에 결합하고 Bcl-2 동형이합체들을 형성하여 세포들을 아포토시스에 저항하도록 만든다. T 림프구가 분화하는 동안, Bcl-2의 수준은 미성숙상태에서 높고 T 세포들을 급격히 증진시키고 자가반응세포들(self-reactive cells)을 사멸시키라는 신호를 받는 시점에서 빠르게 감소한다.

유전자 넉아웃(gene knockout) 실험들에서는 Bcl-2가 단지 세포사의 음성조절자만은 아니라는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 세포사는 마우스 발생동안 Bcl-2가 넉아웃되는 경우 흉선과 신장에서 점차 초과되지만, 신경계는 발생하는 것으로 보인다. 따라서, 비록 Bcl-2가 다양한 세포형태에서 아포토시스를 억제하기는 하지만, 다른 유전자들은 인체의 어떤 조직에서 아포토시스로부터 보호하는데 관여하는 것이 분명하다. 1993년에는 세포지(Cell)를 통해서 Bcl-XL 및 Bcl-XS로 불리는 두 경쟁적인 유전자산물들이 L.H. Boise 등에 의해서 확인되었다. 또한, Bcl-2 군의 일원들이 존재하고 이들은 단일 유전자 전사체의 다양한 mRNA 스플리싱으로부터 나타나는 것으로 보인다. 이들은 형질전환된 세포들에서 서로 상반되는 효과들을 가진다; Bcl-XL은 Bcl-2와 크기가 비슷하고 Bax와 같이 유사분열을 억제한다. Bcl-XS는 63개 아미노산의 결실을 보이며 Bcl-2와 이합체들을 형성하지 않지만, 또한 아마도 이들의 기질이나 조절자들과 경쟁함으로서 아포토시스의 진행을 허용한다. 아포토시스를 방어하는 Bcl-2의 기능은 아직 명확하지 않다. 한가지 추측은 Bcl-2가 아포토시스 과정동안 생성되는 산소라디칼들의 형성과 효과를 억제한다는 것이다. 다른 추측은 Bcl-2가 다른 Ras 군의 일원과 결합하며 세포사의 신호를 극복하거나 우회한다는 것이다.

아포토시스 단계에서 작용자들로 작용하는 다른 유전자들은 c-myc, p53, c-fos, 인터루킨-1 전환효소(interleukin-1 converting enzyme, ICE) 유전자, 그리고 우두(cowpox) 바이러스에 의해 암호화되는 사이토카인-반응조절자 유전자(cytokine-response modifier gene)인 crmA를 포함한다. 어떤 세포에서 c-myc의 과발현은 Bcl-2에 의해 저해되는 아포토시스를 유발한다. 이러한 발현은 많은 세포들에서 세포증식과 관련되기 때문에, 이것은 다소 역설적으로 보이는데, 이러한 문제는 무엇이 세포들에서 c-myc 유전자를 발현하는지에 논의해 봄으로서 풀려질 수 있다. 만약, 성장인자들이 세포환경에서 제거되거나 매우 적게 공급되는 경우, 세포는 많은 c-Myc과 세포분열 신호들로 넘쳐나게 된다. 반면에 몇몇 중요한 신호들은 성장인자의 상실로 인해 없어지며, 따라서, 세포는 이제 관을 이고 가는 자들과 같이 이러한 염증세포들에서 나타나는 공연한 소동없이 평안히 잠들라고 종용하는 부차적인 신호를 갖게된다.

또한, p53 유전자의 발현은 많은 세포형태에서 아포토시스적 사건들에 관여한다. 6장 암억제유전자에서도 언급했듯이, p53은 이것이 손상된 DNA가 분열하는 것을 막는다는 점에서 게놈의 방어자가 된다. DNA가 다음 분열주기 전에 복구되기에 너무 많은 손상을 받게되는 경우 세포들은 아포토시스를 유발한다. 그러나, c-Myc과 같이, p53은 비록 이것이 DNA-손상된 세포들의 아포토시스에 대한 경우라 하더라도 모든 형태의 아포토시스에 대한 불가결한 요구성이 되지는 않는다.

다양한 암유전자산물들은 아포토시스를 억제할 수 있는 것으로 확인되었다. 이러한 유전자들에는 아데노바이러스 E1b, Ras, 및 v-Abl 등이 있다. 그러나, 연속적인 c-Fos의 발현은, c-Myc의 경우에서와도 같이, 피부, 뼈, 황체(corpus luteum)의 폐쇄성 난포들(atretic follicles)에서 유도되는 아포토시스와 어떤 연관성을 가진다. C. elegans의 ced-3 유전자와 서열상동성을 공유하는 TGF 유전자의 과발현은 렛드 섬유아세포들에서 아포토시스를 유발하며 Bcl-2 또는 우두바이러스 crmA 유전자에 의해 억제될 수 있다. crmA를 닭 배측근신경절 뉴우론들(dorsal root ganglia neurons)로 주입하는 경우, 신경성장인자(NGF)의 상실로 인하여 세포사를 억제할 수 있다는 것은 흥미로운 사실인데 이것은 척추동물들의 신경원성 조직의 사멸(neuronal death)에서 ICE가 관여한다는 것을 보여주는 증례가 된다.

TGF- 의 작용기전에 대해서는 주로 상피세포를 비롯한 여러 세포들에서 G1 세포주기에서 성장억제를 유도하는 활성에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔으나, TGF- 에 의한 아포토시스 유도기전에 관해서는 별로 밝혀진 것이 없는 실정이다. TGF- 가 어떠한 신호전달경로를 거쳐 아포토시스를 유도하는지를 규명하기 위하여 마우스 간암세포주인 FaO 세포를 이용하여 TGF- 에 의한 형태학적 및 생화학적 변화들을 시간경과에 따라 관찰한 결과를 보면 FaO 세포에 TGF- 를 처리한 경우에 세포의 수축, 세포질의 수포화(blebbing), 염색질 응축 및 절편화 등 전형적인 아포토시스적 형태변화들이 나타나는 것으로 보고되었다. 그리고, 유세포기(flow cytometry)를 이용하여 아포토시스에 이르기까지의 세포주기 진행을 관찰해본 결과 G1 세포주기의 억제현상은 나타나지 않고 오히려 G1기의 세포집단이 점차 감소하며 대신 G2/M기의 세포집단이 약간 증가하였다가 아포토시스로 진입하는 것이 관찰되었다. 이것은 TGF- 에 의한 아포토시스의 경로가 TGF- 에 의한 G1 세포주기 억제경로와 중첩되지 않으며 아포토시스 별도의 세포주기조절 기전이 존재하고 있음을 의미한다. 앞서도 언급했듯이, 세포주기의 조절은 사이클린, 사이클린-의존성 키나아제(Cdks), 사이클린-의존성 키나아제저해제(CdkI)의 연합된 활성조절에 의해서 조절된다. TGF- 에 의한 세포주기 억제시에는 전사단계에서 사이클린 A, D, E, Cdk2, Cdk4 등의 하향조절 및 p15, p21, p27 등 CdkIs의 상향조절을 통한 기전들이 각기 다른 세포들에서 보고된 바 있다. FaO에서 TGF- 에 의한 아포토시스의 진행 중 이러한 세포주기조절인자들의 발현조절양상을 살펴보면 Cdk2, 사이클린 E, p17 등은 그 발현량의 변화가 없으나 Cdc2, 사이클린 A, B, D 등은 잠정적이지만 급격히 단백질의 발현이 증가하였으며, Rb, p21 등은 TGF- 처리 후 8시간 후부터 그 발현이 감소하는 것이 관찰되는 것으로 보고되었다. 여기서 Cdc2, 사이클린 A, B, D 등의 초기 단백질 발현증가는 TGF- 의 전사단계에서의 조절기전에 의한 것이며 p21 및 Rb의 후기 단백질 발현량의 감소는 아마도 아포토시스 진행시 중요한 역할을 하는 카스페이스-2(caspase-2) 단백질의 관여로 인한 결과로 추측된다. TGF- 에 의한 세포주기 조절인자들의 발현상 변화가 실제로 사이클린-의존성 키나아제의 활성변화를 유도하는지를 조사하기 위하여 Cdc2 및 Cdk2의 키나아제 활성변화를 조사해 본 결과는 Cdc2의 경우 단백질의 발현양상과 맞추어 Cdc2 키나아제의 활성이 최고조에 달하였으며 비슷한 시기에 Cdk2 역시 그 활성이 최고조에 달하는 것으로 나타났다. 이 두 성분은 특이 억제제인 레스코비틴(rescovitine)의 처리시 TGF- 에 의한 아포토시스가 완전히 억제됨으로서 TGF- 에 의한 아포토시스에서 이들은 활성에 반드시 필요한 신호전달 단계임을 알 수 있다. 또한 항아포토시스효과를 가진 것으로 알려진 Bcl-2 및 아데노바이러스 19kDa 단백질을 과량 발현시의 효과를 본 보고에서는 Bcl-2를 과량 발현하는 세포주에서 TGF- 에 의한 아포토시스가 완벽히 억제되었으며 후자의 경우는 상당히 지연되었다. 따라서, 이것은 아포트시스에 꼭 필요한 단계는 Cdc2 키나아제의 활성화단계라는 것을 증명하는 것이 된다.

최근 다양한 자극에 의한 세포사멸시 카스페이스들이 중요한 역할을 하고 있다는 연구결과들이 매우 많이 보고되었고 이들이 단백질 가수분해과정을 거쳐야만 활성화된다는 것이 알려져 있다. TGF- 에 의한 아포토시스에 특이적으로 관여하는 카스페이스를 규명하기 위하여 TGF- 처리 후 여러 카스페이스들의 발현 변화양상을 관찰한 결과를 보면 FaO 세포에서 카스페이스-3의 발현은 관찰되지 않았으며 카스페이스-2는 그 단백질 가수분해활서이 증가하면서 전구체로부터 약 28kDa과 10kDa으로 공정되었으나 카스페이스-1은 전혀 이러한 공정이 일어나지 않았다. 카스페이스 저해제인 zVAD-FMK(carbobenzoxy-v-alyl-alanyl-aspartyl-( -O-methyl)-fluoromethyl ketone)를 처리한 경우에는 카스페이스-2의 성숙과정이 억제되었으며 따라서 이 또한 아포토시스에 중요한 인자임을 알 수 있다.

이밖에도 TGF- 에 의한 아포토시스 신호전달경로에 일부 PTK, ERK, p38, JNK 등의 MAP 키나아제들의 활성화가 요구되는 것으로 알려졌으며 이러한 신호전달물질간의 상호신호교신 및 신호전달 순서 등에 관한 연구들이 현재 진행되고 있다.

질산화합물(NO)은 세포사멸기전인 세포내 아포토시스적 신호(apoptotic signals)를 활성화하는 기능이 있음이 최근 연구결과로 밝혀지고 있다. NO는 암세포를 사멸시키고 정상 세포는 보호한다. 이것은 NO가 암세포와 정상세포를 구별할 수 있다는 것을 시사하는 것이다. 암세포에서는 NO가 아포토시스를 일으키는데 핵심적인 카스페이스-3-유사 단백질가수분해효소를 활성화시키는 것이 확인되었으며 정상세포에서는 NO가 카스페이스-3-유사효소의 활성화를 억제할 뿐아니라 활성화된 카스페이스의 활성을 저해하기까지 할 수 있음이 실험적으로 밝혀졌다. 또한, NO는 암세포에서 사이토카인인 TNF 나 Fas의 세포독성을 증가시키며 정상세포에서는 이러한 사이토카인들의 독성을 감소시키는 효과를 나타내었다. 이러한 개념은 NO가 양면성을 가지고 있음을 보여주지만 이는 어떤 의미에서는 암의 발달기전으로 생각될 수도 있다. 즉, 유전자의 손상을 입어 아포토시스로 사멸되어야 하는 정상세포가 사멸하지 않고 살아 남을 수 있다는 것이다. 이 경우 정상세포가 암세포로 전환될 수 있음을 의미한다. 그러므로, NO는 세포사를 조절함으로서 암세포를 선택적으로 사멸시킬 수 있고 종양을 유발할 수도 있는 양면성 생체물질이라고 할 수 있다.

주요 참고서적

1.Cancer Biology, 3rd(Raymond W. Ruddon, Oxford Univ Press, 1995)

2. Cell cycle control(edi. by C. Hutchison & D.M. Glover, Frontiers in molecular biology series 10, IRL PRESS, 1995)

3. Signalling Pathways in Apoptosis(Modern genetics v. 5, edited by Dianne Walters & Martin Lavin, Harwood academic publishers, 199)

4. Checkpoint Controls and Cancer(Guest editor M.B. Kastan, Series editor J. Tooze, CSHL Press, 1997)

이 글을 마무리하면서 좋아하는 시 한편을 적어본다.

약(藥)

눈물만이 안다

너에게

가는 길을

나도 모를

내 진심을

눈물 혼자 알고 있다

세월아

얼마나 기다려야

약이 되어 주겠느냐.

(유안진 에세이집 솔로에서 듀엣으로 중에서)

암세포는 낮보다 밤에 성장한다 

특정 시간에 진행이 빠른 질병이 적지 않다. 가령 암세포는 낮보다 밤을 훨씬 더 좋아한다. 그렇다면 항암제를 밤에 집중적으로 투여하면 치료효과가 더 높지 않을까 하고 생각하기 마련. 　

실제 프랑스에서 대장암 환자 186명을 대상으로 비교 연구한 결과 밤에 투약한 그룹의 종양 축소율이 두드러진 반면 부작용은 훨씬 적었다는 결과를 얻었다.

또 미국 미네소타 대학에서는 구강암 환자를 대상으로 아침 8시에 투약한 그룹은 암세포 축소율이 30%인 데 반해 자정에 투약한 그룹은 배가 넘는 70%를 냈다고. 세포의 성장을 관장하는 성장인자에는 야간에 활동하는 기구가 있기 때문이라고 한다. 　

질병은 아니지만 피부의 표피세포 역시 밤을 선호한다. 피부 표피세포 분열을 조사한 결과 최고치는 자정 무렵, 최저치는 한낮에 나타났다고.

국내에서는 스포츠 신문의 짤막한 기사정도로 소개되어지는 것이지만 세포의 일주기성(circadian rhythm)에 따라 항암치료를 하면 부작용을 경감시킴과 동시에 치료 효과도 크다는 것에 대한 연구 결과는 1999년 37회 JSCO(Japan Society of Clinical oncology, 일본 임상종양학회)에서 발표된 『 Circadian rhythm을 고려한 화학요법 』이라는 내용에서도 볼 수 있습니다.

종양세포가 신생혈관이 생기지 않은 미세한 크기에서는 주간에 비해 야간의 성장률이 7배 이상 높고 , 혈관이 생성된 이후에는 주간에도 성장을 지속하지만 주간의 성장률은 야간에 비해 80%수준이라는 것입니다.

실제로 일본의 경우에는 흔하지는 않지만 이러한 일주기성을 이용하여 오후 9시부터 다음날 새벽 6시까지만 항암치료를 하는 의사도 있습니다. 골수세포를 비롯한 정상세포는 낮에 활발하게 증식을 하고 암 세포는 야간에 보다 활발하게 증식을 하기 때문에 주간에 실시하는 항암치료는 정상세포의 손상이 더 크기 때문에 부작용도 더 심하게 나타나고 치료효과도 저하된다는 것이 야간 화학요법을 실시하는 의사의 이론입니다.

또 이러한 이론은 건강식품을 복용할 때도 적용이 가능한데 건강식품의 용도에 따라 아침에는 신생혈관을 억제하는 제품으로 오후에는 면역력을 높이는 제품으로 그리고 저녁에는 아포토시스를 유도하는 제품으로 각각 시간대에 맞추어서 적절한 건강식품의 복용하는 방법이 제시되기도 합니다.

 

노화 진행될수록 암세포 급증` 메커니즘 규명

 

[edaily 백종훈기자] 노화와 암발병 사이의 수수께끼가 우리 국내 연구진에 의해 풀렸다.조선대 단백질소재연구센터 유호진 교수팀은 노화가 진행되면서 세포분열이 억제돼 유전자 복구시스템의 균형이 깨지면 암세포가 급증하게 된다는 사실을 규명했다고 27일 밝혔다.

이는 노화가 진행되면서 세포분열이 억제되는데 왜 암세포만 활발히 증가하는지에 대한 모순들을 설명해 줄 수 있는 연구결과다.

기존 연구는 Bcl-2 단백질이 세포의 자살 프로그램을 억제, 세포의 기형적 성장을 통해 암발생이 촉진된다고 설명해왔다.

하지만 기존의 세포자살 관련설과는 달리, 유호진 교수 연구팀은 Bcl-2 단백질에 의한 세포분열 억제가 오히려 유전자 복구시스템을 붕괴시켜 암발병이 촉진될 수 있음을 밝혔다.

이는 세포분열 억제가 암 발병을 억제한다는 종래의 학설과는 달리, 세포분열 억제야말로 암발생을 낳는다는 새로운 연구 성과다. 유호진 교수팀의 연구는 세포분열이 정지된 노화세포에 있어서의 암 발생 과정을 근본적으로 설명할 수 있는 이론적인 근거를 마련한 것이다.

유 교수팀의 연구 성과는 세포생물학 분야의 세계 최고 권위紙인 네이쳐 세포생물학지 1월호에 `이달의 논문`으로 선정, 발표될 예정이다.

이번 연구성과에 대해 서울대 생명과학부 정진하 교수는 "분열이 정지된 노화세포에서 왜 암발생이 빈번하게 발생하는지 설명할 수 있는 계기가 마련됐으며 노화와 암 발생의 연구에 새로운 전기가 될 것이라고 본다"고 평가했다.

◇ 기존 학설과 새 연구성과 비교

◇ 노화세포에서 암 발병 경로(그림)※ 세포의 자살이란?유전자에 제어되는 능동적인 세포의 죽음으로 `아포토시스`라고도 한다. `아포토시스`는 단시간에 질서있게 일어난다.

세포의 자살은 세포가 축소되면서 시작된다. 이후 인접하는 세포 사이에 틈새가 생기고, 세포 내에서는 DNA가 규칙적으로 절단되어 단편화된다. 마지막에 세포 전체도 단편화해 `아포토시스 소체`로 된 후 가까이 있는 세포에게 먹혀버림으로써 죽음에 이르게 된다.

세포 자살은 탄생 과정에서 몸의 형태 만들기를 담당하고, 성체에서는 정상적인 세포를 갱신하거나 암 등 이상이 생긴 세포를 제거하는 일을 담당하고 있다.

최근까지의 학설에 따르면 이 세포의 자살이 원활히 이뤄지지 않으면 암세포가 생기게 된다.