3. 세포의 정보 교환 세포 신호 전달의 일반적 원리 단세포생물: 자극과 반응 쉬무스 (Shmoos): 교배인자에 반응하여 변형하는 세포 Al Capp의 1940년대 만화주인공 이름에서 유래 단세포생물: 자극과 반응 세균: 주화학성, 주광성- 영양분 탐색, 독소나 포식자 감지, 회피, 개체간 정보소통 효모: 교배인자(단백질) 분비 및 반응  세포주기 정지, 발원 방향 출아 (쉬무스), 교배 확률 증대 다세포생물: 개체의 구성 및 유지, 세포의 활동 조화, 세포 조직간 정보 교환  세포 신호전달 (cell signaling) 인간사회 : 공동체의 시작과 유지 수단으로 의사 소통  개인간의 사적인 대화, 메시지 작성- 배달 매체-수신-답장 집단적 통화방식- 방송, 비상경보-사회구성원의 반응 세포 신호 전달의 일반적 원리 세포간의 신호전달 (signal transduction) 체제  신호생성 세포 (signaling cell) : 특정 신호물질 (1차 전령; 호르몬 등) 분비 표적세포 (target cell) : 기질 특이적으로 신호물질 인지하여 반응하는 수용체를 가짐 <신호물질-수용체>의 결합  세포내 신호물질 (2차 전령) 생성 2차 전령에 의한 세포 대사기구, 유전자 발현 등의 변화  세포반응 (구조 및 기능 변화)

5종의 신호 (1) 내분비 (endocrine) 신호: 내분비세포  호르몬  혈액운반  원거리 표적세포 반응 (2) 측분비 (paracrine)신호: 측분비세포  신호물질 확산  인접 표적세포 반응 예: 감염부위의 염증, 상처 회복  세포증식 조절 신호물질의 작용 (3) 신경신호 (neuronal signaling): 신경충격 발생과 전파  신경전달 물질(화학신호) 방출  시냅스  회로의 원거리 표적세포 반응 (분비, 수축) (4) 접촉의존성 신호(contact-dependent signaling): 1:1 대화 신호 발생 세포의 막 단백질이 신호물질(delta), 인접한 표적 세포막의 수용체 (notch)에 결합  인접세포에 직접전달 예: 초기 발생 신경배 : 분화 예정 세포간 접촉의존성 신호전달로 인접세포의 분화 억제 (5) 자가분비 신호 (autocrine signaling): 자신이 분비한 신호물질에 대한 세포반응

각 세포는 제한된 종류의 신호에만 반응  다세포 생물의 신호물질: 수백 종  각 조직세포는 특정 신호에 대한 수용체 유무에 따라 반응 <수용체 無: 소통 無>  수용체의 종류: 세포종류, 발생단계, 암화 과정에 따라 특정 수용체 하나의 세포에는 수십 종의 수용체 각각 수천 개 동일한 신호가 결합해도, 표적세포의 특성에 따라 다양한 반응 다양한 외부 신호에 동시에 반응 가능 신호의 상호작용 및 조합에 따라 세포분열, 분화, 생존의 방향 결정 적은 수의 신호만으로도 세포의 반응을 미묘하고 복잡하게 제어  신호가 없으면 예정된 세포사 (apoptosis)

수용체: 외부 신호를 세포내 신호전달 경로로 연계 신호의 수용 (signal reception):  외부의 신호물질이 표적 세포의 특이 수용체에 결합  수용체의 구조적 변화  세포내 신호 연쇄반응 (signaling cascade) 세포내 반응 촉발: 대사 및 유전자발현 조절, 세포골격 변화 등 세포내 신호전달 특성  수용체에 접수된 신호는 세포내 타 위치로 전달 (transfer)  외부 신호를 다른 물질 또는 형태로 전환 (transform)  신호 연쇄반응으로 신호 증폭 (amplify)  여러 반응을 동시에 유도(distribute, diverge) 가능 다양한 단계, 다양한 표적으로 연결, 복잡한 반응유도 (diverge)  연쇄반응의 각 단계는 다른 인자에 의해 조정(modulate) 가능

두 종류의 세포외부 신호 물질들 (A) 친수성 신호물질: Peptide hormone, neurotransmitter 대부분  PM의 표면 수용체 (surface receptor) 결합: 신호전달  효소계 활성  일시적 반응 (B) 소수성 신호물질 : Cholesterol, estradiol, testosterone, thyroxine 등  PM 통과  세포내 수용체 (intracellular receptor)에 결합  수용체 구조변화  유전자 발현 조절 염기서열에 결합  특정 유전자 전사 조절  장기적 반응  유전자발현은 전사 및 번역과정을 요함 (수 분-수 시간)

NO의 미세순환 조절 PM을 통과 세포내 효소를 활성화 신호물질 수 초-수 분내에 반응 내피세포는 혈관 장벽일 뿐만 아니라 NO, endothelin, prostacyclin 등을 분비하여 모세혈관의 혈액 흐름을 조절 한다. NO: hypoxia, pH change, (심 박동에 따른) 혈관의 기계적 자극에 의해서 증가 모세혈관 이완, 시냅스 조정, 비특이적 방어, 혈액 응고 억제 *NO 발기 촉진 Viagra: 평활근에서 cGMP 분해 억제 *Nitroglycerin: 심장마비성 가슴앓이 처방 NO 방출 촉진 Endothelin: 혈관 수축 촉진 Prostacyclin: 혈관 이완, 혈액응고 억제 과분극 Light chain R.F. Furchgott, L.J. Ignarro & F. Murad  1998년 노벨 생리 의학상 : NO가 심혈관계에 신호물질로 작용함을 발견

원형질막을 통과하여 세포내 수용체에 결합하는 호르몬: 스테로이드 호르몬과 티록신: 유전자 발현을 통한 세포 반응 Testosterone 남성호르몬, 태아시기와 사춘기의 2차 성징 발달과정의 신호물질 수용체 유전자의 돌연변이 호르몬에 대한 반응이 없어 외형적인 특징은 여성

3종류의 세포 표면 수용체 - 친수성 신호물질 (제1전령) (1) 이온통로 연결 수용체(ion-channel-linked receptor)  신호물질-수용체 결합  이온 통로 개방  이온 유입에 따른 흥분성(전기적) 작용 (2) G-단백질 연결수용체 (G-protein-linked receptor)  신호물질-수용체 결합  수용체에 결합된 G-단백질 활성화  PM내의 표적효소 또는 이온 통로 활성화 제2전령 신호물질 생성 (3) 효소 연결 수용체 (enzyme-linked receptor) 이량체 형태의 신호물질이 수용체에 결합  수용체의 세포 기질면 효소부위를 활성화

세포내 신호전달 단백질은 분자 스위치 G-단백질 연결수용체/효소 연결수용체: 제2전령분자 생성, 2종의 분자 스위치 사용  GTP binding protein에 의한 GTP/GDP 결합 스위치  Protein kinase에 의한 인산화/ 탈인산화 스위치 E. H. Fisher & E. G. Krebs, Nobel Prize: 1992 University of Washington, Seattle 가역적 단백질 인산화에 의한 생물 조절기작 규명

G-단백질 연결 수용체 G-단백질 소단위체의 구성과 활성화 세포표면 수용체중 종류가 제일 많고, 동물세포에서만 수백 종  호르몬, 측분비 신호, 신경전달물질, 등 다양한 신호물질에 대한 반응 매개  7- transmembrane single polypeptide로 구성 Receptor protein super family에는 rhodopsin, olfactory receptor 등 포함 효모, 세균에도 유사 막 단백질이 존재  진화적으로 잘 보존된 단백질 G-단백질 소단위체의 구성과 활성화 G-단백질은 , ,  subunit로 구성 신호를 받지 않은 불활성 상태 (A): 수용체와 G-단백질 분리, 신호물질 결합 (B): 수용체 구조변화로 G-단백질과 결합  G 소단위체: GDP를 내보내고 GTP와 결합  활성화 복합체가 활성 G, G로 분리 (C), 세포막에서 이동 표적 단백질에 결합: 신호전달 가동 신호물질-수용체 복합체는 활성 상태로 많은 G-단백질을 활성화

G 소단위체는 GTP의 가수분해로 기능이 정지 활성 G 는 세포막의 표적단백질과 결합  활성화/ 불성화  수초 후 G의 GTPase 활성으로 GTP  GDP로 가수분해  G 불활성화  표적단백질로부터 분리  G 복합체와 재결합 불활성  G-단백질로 환원 A.G. Gilman & M. Rodbell 1994년 노벨상: G-단백질의 발견과 신호전달에서의 역할 규명  G-단백질의 불활성화로 인한 콜레라 콜레라균은 장에서 증식, 독소 생성 독소는 장벽 세포의 Gα가 GTP를 가수분해 못하게 변형  표적단백질에 계속 신호전달  장벽세포가 Na+, 수분을 장내로 계속 배출  탈수, 설사  이온과 수분을 보충하지 않으면 생명 위협

G 단백질에 의한 이온 통로의 조절 동물세포: 20여종 G-단백질; 종류별로 다양한 표적 - 심근 세포막의 K+ 통로 개폐. 심장박동 조절 심근세포: acetylcholine이 G-단백질(Gi) 연결수용체에 결합  Gi-단백질 활성화 G와 G 복합체로 분리(A) 활성화된 G 복합체는 심장 박동원 세포막 K+ 통로에 결합, 통로 개방 (B)  심박동원 세포의 발포빈도 감소  심근 수축 빈도감소 GTP의 가수분해로 G-GDP  G 복합체와 재결합  불활성 G-단백질  동시에 K+통로 폐쇄 (C)

G 단백질에 의한 막 결합 효소의 활성화 G-단백질의 대표적 표적 효소 ① Adenylate cyclase : cAMP 생성 ② Phospholipase C : phosphoinositol-3-phosphate (IP3) + diacylglycerol (DAG) 생성  각각  세포내 2차 전달자 (2nd messenger)를 생성  표적단백질 인산화  세포내 반응 유도

cAMP와 PKA 신호전달 회로 cAMP-fluorescent protein 동물과 효모에서 다양한 수용체에 의해 작동  느린 반응: 유전자발현 및 새로운 단백질 합성을 요함, 상대적으로 느림 (수분~수시간) 세포성장, 분열속도 증가 등   세포 행동의 변화  빠른 반응: 단백질의 기능변화 만으로 반응, 세포이동, 분비, 물질대사 등  상대적으로 빠름 (수초~수분) cAMP 5x10-8 M cAMP 5x10-6 M cAMP-fluorescent protein

cAMP에 의한 유전자의 전사 활성 조절 ① 신호물질과 G-단백질 연결수용체 결합: Gα 단백질 활성화 → adenylate cyclase 활성화 : ② cAMP 생성 → protein kinase A (PKA) 활성화 → 핵공 통과 ③ 유전자 발현 조절단백질 (cAMP-responsive element binding protein, CREB) 인산화 ④ 특정 유전자의 DNA 조절부위 (CRE)에 결합 → 전사 촉진 * 내분비세포의 호르몬 합성, 뇌의 기억단백질 생성, 등 다양한 대사과정을 조절 * PKA = cAMP activated protein kinase

PLC 회로: InsP3 /DAG – 세포내 Ca2+ 증가 - 1st messenger : 40종의 peptide hormone, neurotransmitter 다양한 세포반응 조절: Phospholipase C에 의한 신호전달 기작 ① 신호물질과 G-단백질 연결수용체의 결합 → G-GTP로 활성화 ② 활성 G-GTP → phospholipase C 활성화 : PIP2  IP3 + DAG ③ IP3는 세포질로 확산 → ER의 ligand-gated Ca2+ channel의 신호물질 ④ IP3가 Ca2+ 통로에 결합 → 통로 개방, ER의 Ca2+ 방출 ⑤ Ca2+ 은 DAG와 협력 → 세포내 여러 반응 조절 칼슘의존성 단백질 인산화효소 (Ca2+ activated protein kinase, PKC) 활성화

Ca2+ 신호: 다양한 생물학적 반응 유도  수정직후 세포내 Ca 2+ 농도는 급격한 증가  배 발생 시작  근세포: 근세포 수축 신경, 분비세포: 물질 분비 유도 이 같은 반응은 Ca2+이 calmodulin (CaM)에 결합하여 그 활성에 영향을 미침으로써 가능  활성 Ca2+-CaM 복합체의 중요 표적은 CaM-kinase  CaM-kinase은 활성 상태에서 특정 단백질을 인산화함으로써 세포반응 유도 예: 뇌 시냅스후 세포질에는 특성 CaM-kinase가 많으며, 기억 형성에 관여. CaM-kinase 부족한 쥐는 기억 장애

세포내 신호 증폭계 (cascades): 속도, 감도, 및 적응성 눈의 광수용체 옵신의 구조변화  신호전달 (cGMP 분해)  Na+ 채널 닫힘  막전위 과분극

효소 연결 수용체 ◆ 수용체 티로신 인산화 효소 작동 기작 동물세포의 성장, 분화 및 생존을 조절하는 성장인자 (GF)의 수용체 연구에서 발견  신호분자 : insulin, EGF, PDGF  수용체: 단일 막관통 -helical polypeptide - extracellular domain: ligand binding site; - cytoplasmic site: PK site ◆ 수용체 티로신 인산화 효소 작동 기작 ① 수용체의 extracellular domain에 신호물질 결합  구조변화  수용체 dimer 형성 ② 이 변화로 세포 기질면의 티로신 인산화 효소 활성화  상호간의 Tyr을 인산화 ③ 인산화된 각 Tyr은 세포내 다른 신호전달 단백질의 결합부위로 작용  신호전달 복합체 형성  연쇄적 신호 전달  성장, 분화, 생존 조절 반응 유도

Receptor tyrosine kinases GTP-결합 단백질 Ras를 활성화시킨다 ① 활성화된 수용체 티로신 인산화효소의 인산화된 Tyr에 adaptor 결합 ② adaptor에 Ras 활성화 단백질 결합 및 활성화 ③ GDP-비활성 Ras를  GTP-활성 Ras 단백질로 전환 ④ 활성 Ras 단백질은 순차적인 인산화 반응으로 ⑤ 신호의 증폭과 분배에 관여하는 3가지 인산화효소를 활성화 ⑥ 반응 마지막 단계의 인산화효소는 다양한 표적단백질을 인산화  단백질 활성 세포골격에 직접적이고 신속한 영향을 미침  유전자발현 등 세포의 증식과 분화에 변화를 야기 Mitosis activating protein kinase, Mitogen activated protein kinase (MAP Kinase) I, II, III

 Ras 단백질의 중요성 Ras를 불활성화시키는 항체를 세포에 주입 → Ras 억제 → GF에 대한 정상적인 반응 없음  Ras가 세포성장에 필수요소 Ras 유전자에 돌연변이를 유발, Ras 단백질이 과 발현 되면, 수용체 티로신 인산화 효소 가 계속적인 GF의 자극을 받은 것과 같이 행동  계속 분열 능력의 암세포의 특징  실제 Ras 단백질은 암세포에서 발견 ① ras 유전자의 돌연변이 ② 지나치게 활성화된 Ras 생성 ③ GF 자극 없이도 세포분열 지속  사람의 암 30%가 ras 유전자에 돌연변이를 갖고 있음  발암유전자 (oncogene), 원발암유전자 (protooncogene)

PK networks integrate information to control complex cell behavior 세포는 수많은 경로로 얻어진 정보를 종합하여 생존여부, 분열, 형태변화, 분비 등 적절한 반응 결정 - 여러 경로를 통해 받은 정보는 이들 단백질에 모여 하나의 신호로써, 다음 표적에 전달 이러한 세포내 신호전달 체계는 복잡한 정보를 해석, 처리, 기억하여 각종 세포 반응을 조절 한 단백질에 다수 인산화 조절 부위 인산화 단백질 복합체 형성