【생물학】 6-1강. 세포예정사

6-1강. 세포예정사

 

추천글 : 【생물학】 6강. 신호전달

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1. 세포 사멸 [본문]

2. 세포 생존 [본문]

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1. 세포 사멸(cell death) [목차]

⑴ 개요

① NCCD(Nomenclature Committe on Cell Death)에서 세포사멸을 엄격하게 분류하기보다 연속적인 사이클로 설명

 

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Figure. 1. 주요 세포사멸의 서브루틴^]

 

② 형태적 특징에 근거하여 기존에는 세포예정사, 자가포식, 괴사가 주로 연구됐음

③ 형태적 특징 ■, 생화학적 특징 ■, 기타 특징 ■

④ 정상세포, 세포예정사(apoptosis), 괴사(necrosis) 비교

 

Figure. 2. 정상세포, 세포예정사, 괴사 비교

 

⑵ 종류 1. 세포예정사(apoptosis, programmed cell death, type I cell death) 

① 특징 

○ ■ 세포와 세포핵의 부피 감소

○ ■ pyknosis : 염색체 응축 

○ ■ apoptotic body의 형성 : 작은 소낭과 유사하게 생김

○ ■ 세포골격의 분해

○ ■ 미토콘드리아 구조에 큰 변화는 없음

○ ■ bleb 형성, 즉 막이 변형

○ 초기예정사 : phosphatydil serine이 세포 밖으로 노출되는 등 막의 비대칭성이 파괴됨 

○ 후기예정사 : 막에 구멍이 생김, 괴사와 유사 

○ ■ karyorrhexis : 세포 내의 DNA가 규칙적으로 단편화. 전기영동에서 DNA의 절편화가 관찰됨

○ ■ 식세포작용 O 

○ ■ 주변 세포에 피해를 주지 않음 

○ ■ 서서히 진행

○ ■ ATP가 사용됨

○ ■ Caspase에 의한 신호전달 기작 有

② 신호전달 1. 외부 신호에 의한 세포예정사 (extrinsic apoptosis) 

○ 1^st. Fas 또는 TNF가 수용체와 결합

○ 2^nd. CASP8(caspase 8)과 adaptor가 결합하여 DISC 형성

○ 3^rd. DISC는 caspase 3을 활성화

○ 4^th. CASP3(caspase 3)은 세포사멸을 일으킴

③ 신호전달 2. 내부 신호에 의한 세포예정사 (intrinsic apoptosis)

○ 1^st. 내부 신호가 미토콘드리아 내막에 있는 Bax, Bak가 올리고머가 되도록 함

○ 2^nd. 올리고머는 포린을 형성하여 막간공간의 cyt c를 세포질로 유출시킴

○ 3^rd. cyt c는 Apaf-1과 결합하여 CARD(caspase recrutment domain)를 형성함

○ 4^th. CARD는 세포사멸을 일으킴

○ MOMP, CASP3 등이 추가적으로 관여 

④ 주요 유전자

○ Fas

○ Caspase : 아폽토시스 개시 및 세포 내 성분 소화. 외부 신호에 의한 세포 예정사 기전과 관련. 세포사멸 촉진

○ p53 : 세포사멸 촉진 

○ Bax : 세포사멸 촉진

○ Cyt c : 세포사멸 촉진 

○ CAD : 세포사멸 촉진 

○ DISC : 세포사멸 촉진 

○ Bcl-2 : 세포사멸 억제

⑤ 분석 방법

○ annexin-V staining : 인지질의 비대칭성이 깨진 세포막의 바깥쪽의 포스파티딜 세린에 대한 staining assay

○ TUNEL assay (terminal transferase dUTP nick-end labeling) : apoptosis로 분해되는 dsDNA를 측정하는 assay

○ γ-H2AX assay : DNA 이중나선 결합의 파괴 여부를 보여주는 assay

○ Calcein-AM assay : live cell이 많으면 신호가 크게 나옴

○ PI(propium assay) : dead cell이 많으면 신호가 크게 나옴

○ Ki-67 assay : Ki-67은 cell proliferation marker로 쓰임

○ DAPI : DNA 부홈의 AT region에 결합. apoptosis marker로도 사용

○ CD8-PD1 : 높을수록 apoptosis가 많이 일어남을 의미

○ caspase 3/7 : apoptosis marker

○ PARP cleavage : apoptosis marker

○ 8-OHdG (8-hydroxy-2’-deoxyguanosine) : DNA oxidative marker

○ CC3(cleaved caspase 3) staining : apoptosis assay

⑥ 예시

○ 단세포 생물의 경우 드묾 : 단, 효모 콜로니 등에서 세포예정사가 발견된 사례가 있음

○ 주로 발생과정에서 관찰됨

○ 올챙이의 변태 과정에서 꼬리의 사라짐

⑶ 종류 2. 자가포식(autophagy-dependent cell death; ADCD, type II cell death)

① 특징

○ ■ DMA(double-membraned autolysosome)의 형성

○ ■ DMA : macroautophagy, microautophagy, chaperone-mediated autophagy 등

○ ■ 리소좀 활성이 증가함

② 신호전달 

○ mTOR, Beclin-1, p53 신호전달 경로

③ 주요 유전자

○ ATG5

○ ATG7

○ LC3

○ Beclin-1

○ DRAM3

○ TFEB

⑷ 종류 3. 괴사(necrosis, type III cell death)

① 특징

○ ■ 원형질막이 파열되면서 내부 효소가 흘러나옴 : 주변 세포에 피해를 줌

○ ■ 세포질과 세포소기관이 부풀어 오름

○ ■ moderate chromatin condensation 

○ ■ ATP 수치가 떨어짐

○ ■ 염증반응이 일어남

○ ■ 식세포작용 없음

○ ■ 리소좀 작용 없음

○ ■ ATP 미사용 

○ ■ Caspase에 의한 신호전달 기작 無

○ ■ 갑작스럽게 진행

② 신호전달 

○ TNFR1-RIP1/RIP3-MLKL 관련 신호전달 경로

○ PKC-MAPK-AP-1 관련 신호전달 경로

○ ROS 관련 대사 조절 신호전달 경로 

③ 주요 유전자 

○ RIP1

○ RIP3 

⑸ 종류 4. 페롭토시스(ferroptosis)

① 특징

○ ■ 미토콘드리아 막의 밀도가 증가된 작은 미토콘드리아

○ ■ 미토콘드리아 크리스테의 감소 또는 소멸

○ ■ 미토콘드리아 외막의 파괴

○ ■ 철 축적

○ ■ lipid peroxidation : 특히 세포막 

② 신호전달 

○ Xc-/GPX4, MVA, sulfur 전달 경로 

○ P62-Keap1-NRF2 경로 

○ p53/SLC7A11, ATG5-ATG7-NCOA4 경로  

○ p53-SAT1-ALOX15 경로  

○ HSPB1-TRF1, FSP1-COQ10-NAD(P)H 경로 

③ 주요 유전자

○ GPX4

○ TRF1

○ SLC7A11

○ NRF2

○ NCOA4

○ p53

○ HSPB1

○ ACSL4

○ FSP1 

④ 페롭토시스 유도제 

○ erastin

○ piperazine erastin

○ imidazole ketone erastin

○ sulfasalazine

○ sorafenib

○ glutamate

○ (1S, 3R)-RSL3

○ C' dots & amino acid starvation

○ FPEF

○ FeGd-HN@Pt@LF/RGD2

○ ZVI

○ DGU:Fe/Dox

○ FeCo-DOX@MCN

○ MON-p53

⑤ 페롭토시스 억제제

○ liproxstatin-1

⑹ 기타 종류 

① accidental cell death (ACD) : 급격한 외부 충격

② anoikis : 인테그린 결실

③ autosis : Na⁺/K⁺-ATPase에 의존하는 자가포식의 한 종류

④ cellular senescence : SASP(senescence-associated secretory phenotype)의 분비가 특징

⑤ cell scorch death

⑥ copper-induced cell death

⑦ efferocytosis : phagocyte가 관여

⑧ entotic cell death : actomycin-dependent cell-in-cell internalization이 관여

⑨ immunogenic cell death (ICD)

⑩ lysosome-dependent cell death (LDCD) : primary LMP, cathepsin, MOMP, caspase 등이 관여

⑪ mitochondrial permeability transition(MPT)-driven necrosis

⑫ mitotic catastrophe

⑬ NETotic cell death

⑭ parthanatos : PARP1 hyperactivation이 관여

⑮ pyroptosis : gasermin protein family에 의한 membrane pore가 특징

 

 

2. 세포 생존(cell survival) [목차]

⑴ 예 1. 식세포의 세포예정사 억제

① 식세포는 이물질을 만나면 예정사가 안 됨 : 면역반응을 수행하기 위함

② 톨 유사 수용체(toll-like receptor, TLR)

○ TLR-1 : multiple triacyl lipopeptide

○ TLR-2 : lipoteichoid acid. 내재적 면역을 활성화

○ TLR-3 : 바이러스가 가지고 있는 dsRNA 인식

○ TLR-4 : 그람음성균이 가지고 있는 LPS(lipopolysaccharide) 인식

○ TLR-5 : 원핵생물 편모의 단위체인 플라젤린(flagellin) 인식

○ TLR-6 : multiple diacyl lipopeptide

○ TLR-7 : single-stranded RNA

○ TLR-8 : small synthetic compound, single-stranded RNA

○ TLR-9 : 메틸화되지 않은 CG 서열(C^p DNA)과 oligodeoxynucleotide DNA 인식

③ NF-κB 신호전달 

 

출처 : 2020 MEET/DEET 자연과학 I

Figure. 3. NF-κB와 Iκ-B 실험 (웨스턴 블롯 결과)^]

 

○ 1^st. NF-κB는 평소에는 세포질에서 Iκ-B 단백질과 결합하여 복합체를 형성

○ Iκ-B는 NF-κB가 핵으로 이동하는 것을 억제함

○ 단백질 X는 Iκ-B를 지칭함

○ 2^nd. 지질다당체(LPS) 등과 TLR(toll-like receptor)이 결합

○ 3^rd. TNF-α trimer가 수용체에 결합

○ 4^th. IKK(inhibitor kappa kinase)가 활성화

○ 5^th. Iκ-B는 세포질에서 활성화되어 분해됨

○ 프로테아좀 저해제 처리 시 NF-κB가 Iκ-B와 분리되지 않았기에 Iκ-B는 일반적인 상황에서 분해됨을 알 수 있음

○ 6^th. NF-κB는 Iκ-B와 분리되어 핵으로 이동

○ 7^th. NF-κB는 대식세포의 염증 반응과 관련된 단백질을 생산

○ 대식세포는 염증성 M1 타입과 항염증성 M2 타입이 있음

○ NF-κB는 대식세포들이 M1 타입으로 전환되도록 함 

④ 경로 1. MyD88-dependent pathway

○ 개요 : 신호전달을 통한 메커니즘 경로. NF-κB를 활성화시킴. TNF-α와 IL-1β를 증가시킴

○ TLR → MyD88 → TRAF6 → NF-κB → NF-κB가 핵 내로 이동

○ TLR → MyD88 → TRAF6 → MAPK → AP-1

⑤ 경로 2. TRIF-dependent pathway

○ 개요 : 엔도좀을 통한 메커니즘 경로

○ TLR → TAM, TRIF → IRF3 → IRF3가 핵 내로 이동 → type I IFN

○ TLR → TAM, TRIF → TRAF6 → NF-κB → NF-κB가 핵 내로 이동

○ TLR → TAM, TRIF → TRAF6 → MAPK → AP-1

⑵ 예 2. immediate early stress response

① stress → ASK-1 (= MAP3K5) → JNK p38^MAPK → ATF2 JUN FOS → 핵 내부 → AP-1 (activator protein 1)  

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Figure. 4. immediate early stress response^]

 

⑶ 예 3. heat shock response (unfolded protein response)

 

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Figure. 5. heat shock response^]

 

① stress → proteotoxic stress (소포체) → PERK, ATF6, HSF1, XBP1 → 핵 내부 → ATF4, ATF6, HSF1, XBP1

⑷ 예 4. anti-oxidant response 

① stress → NFE2L2

 

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Figure. 6. anti-oxidant response^]

 

⑸ 예 5. inflammatory response

① stress, hypoxia → NF-кB → 핵 내부 → NF-кB 

 

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Figure. 7. inflammatory response^]

 

⑹ 예 6. hypoxic response

① stress, hypoxia → HIF-1α → 핵 내부 → HIF-1α, HIF-1β

 

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Figure. 8. hypoxic response^]

 

입력: 2019.03.14 21:19

수정: 2022.06.13 13:42