[생명과학] 세포주기의 조절

 

 

1. 세포주기

(1) G1기

G1기는 세포가 성장하는 시기다. 이 시기에는 성장을 위해 에너지가 많이 필요하기 때문에 미토콘드리아와 엽록체가 많이 늘어난다. G1기의 길이는 세포마다 다양하다. 단 수정란이 난할을 할 때는 G1기와 G2기가 없다.

 

(2) S기

S기에는 DNA가 복제되고 히스톤 단백질도 합성된다. 그리고 중심체 또한 복제된다.

 

(3) G2기

G2기에 세포는 성장을 계속한다. 그리고 이후 분열을 위해 필요한 자유 튜불린 단백질을 합성한다.

 

(4) M기

체세포 분열을 진행한다. 여기서 핵과 세포질 모두 분열한다.

 

(5) G0기

G0기는 세포들이 분열을 멈추는 휴지기다. 신체 내 대부분의 세포들은 분열하지 않고 G0기에 머물러있다. 분열이 이루어지지 않기 때문에 사이클린, Cdk(Cyclin-dependent protein kinase) 단백질이 발현되지 않는다.

 

 

2. 세포주기 조절 인자들의 발견

(1) MPF(Maturation promoting factor)

G2기에서 M기로 진행되는 것을 유도하는 인자로 사이클린 B와 Cdk1로 구성되어있다. 사이클린은 세포 분열이 일어나는 동안에만 주기적으로 양이 변하지만 Cdk는 평소에도 일정하게 발현된다. 이 둘이 결합하면 하위 단백질들이 인산회되면서 M기가 개시된다.

 

(2) 다른 인자들의 발견

서로 다른 세포주기의 세포들을 융합하면 서로 미치는 영향을 통해 다른 조절 인자들을 확인할 수 있다. 예를 들어 G1기와 S기의 세포들을 각각 융합하면 G1기의 핵은 바로 S기로 진입하고 S기의 핵은 계속 DNA를 복제한다.

 

3. 세포주기의 조절 메커니즘

(1) 외부의 세포분열 유도 신호

주변 세포들이 분비한 분열 촉진 인자(Mitogen)가 수용체에 결합하면 신호가 전달된다. 그러면 Cdk 활성을 억제하고 있던 제어 장치들이 제거되고 G1기에서 S기로 진행된다.

 

(2) 세포 크기의 검문

G1기 세포가 계속 성장하면서 사이클린 D 단백질이 합성되는데 이것이 억제 단백질의 양보다 많아지면 사이클린 D와 Cdk4 복합체가 만들어진다.

 

(3) 망막아세포종(Retinoblastoma, Rb)의 조절

G1기에 Rb가 E2F에 결합하면서 E2F의 활성이 억제된다. 사이클린 D와 Cdk4 복합체가 Rb를 인산화할 때 Rb와 E2F가 분리된다. 그리고 분리된 E2F는 다양한 유전자들의 전사를 촉진하면서 S기를 개시한다.

 

*망막아세포종(Retinoblastoma)

망막아세포종은 주로 5세 미만의 어린이에게 생기는 암이다. 크게 유전성 망막아종과 비유전성 망막아종 두 가지로 나눌 수 있는데 유전성 망막아종은 양쪽 눈 모두에서 종양이 발생하는 것이고 비유전성 망막아종은 한쪽 눈에만 종양이 발생하는 것이다. 망막아세포종은 13번 염색체의 Rb1 유전자에 기능상실 돌연변이가 생기면서 발생한다. 망막아세포종이 생긴 아이는 평생 다른 암에 걸릴 가능성이 높다.

 

(4) DNA 복제

복제원점 인식 복합체(Origin recognition complex, ORC)가 복제원점에 결합함으로써 다른 조절 단백질들의 부착을 조절한다. Cdc6, Mcm 헬리케이스 등이 결합해 있다가 S-Cdk가 Cdc6를 인산화하는데, 그러면서 Cdc6가 떨어지고 Mcm 헬리케이스가 활성화되면서 DNA가 벌려진다. 새로운 가닥이 복제되면서 생겨난 새로운 복제원점은 인산화된 복제원점 인식 복합체가 붙어 다른 조절 단백질들의 부착을 억제한다. 그 결과 중복 복제는 일어나지 않게 된다.

 

(5) MPF의 활성

사이클린 B와 Cdk1이 복합체를 형성한 후 Wee1 카이네이스, CAK(Cdk-activating kinase), Cdc25 포스파테이스 단백질들이 인산화되고 탈인산화되는 과정을 거치면서 최종적으로 활성화된다.

그러면서 라민이 인산화되어 핵막이 사라지고, 콘덴신이 인산화되어 염색체가 응축되며, 미오신이 인산화되어 수축환이 조기 생성되는 것이 방지된다. 결과적으로 M기가 개시된다.

 

(6) 자매염색분체의 분리

인산화된 APC(Anaphase promoting complex)와 Cdc20이 복합체를 형성하게 된다. 그러면 시큐린 단백질에 유비퀴틴을 붙임으로써 분해시킨다. 시큐린이 떨어지면 활성화된 세퍼라아제가 코헤신 복합체를 분해하고 자매염색분체가 분리되니다. 그리고 M기 후기가 시작된다.

Cdc14 포스파테이스는 Cdh1과 복제원점 결합 단백질들을 탈인산화한다. 그러면 Cdh1과 APC가 결합하면서 MPF가 불활성화되고 단백질들이 복제원점에 붙어 다음 세포 주기를 진행할 준비를 한다.

 

 

4. 세포 분열의 억제 인자들

(1) 외부 신호

TGF-β는 표적 세포의 사멸을 유도하고 p21 단백질의 합성을 촉진함으로써 세포 분열을 억제하거나 세포 분화를 유도한다.

 

(2) DNA 손상

세포주기를 조절하여 분열이 일어나지 못하도록 한다. 돌연변이 유전자를 지닌 세포가 증식하면서 비정상적인 대사를 할 경우 개체에게는 치명적일 수 있다.

 

(3) 밀도 의존적 억제와 부착 의존성

세포 수가 지나치게 많아지면 각각의 세포들이 분열 촉진 인자의 신호를 받을 가능성이 줄어들어 성장이 힘들어진다. ECM에 세포가 부착하면 인테그린 단백질이 세포에게 분열 유도 신호를 전달하는데, 세포의 밀도가 너무 높아지면 ECM에 부착하지 못하는 세포들이 신호를 받지 못해 분열을 멈춘다.