신호 전달계

1. 신호전달의 특징

세포는 외부 환경의 변화를 감지하여 효율적으로 반응하고 적응하기 위해 다양한 신호전달 경로를 이용한다. 또한 다세포 개체에서 조직과 기관의 체계적인 발생과 조절을 위해서도 신호 전달계는 필수적이다.

1-1 생물과 신호전달

단순한 단세포인 세균과 효모도 환경변화에 대한 신호전달경로를 포함하는데 세균부터 고등한 진핵세포까지 신호전달 물질은 유사하다.

(1) 세균의 신호전달

그람음성균인 대장균은 삼투압에 의한 파열을 방지하기 위해 외막을 갖고 막간공간의 삼투압을 조절하기 위한 신호전달을 갖는다.

- 신호 : 막간공간으로 용질이 유입되어 삼투압이 과다하게 증가된다.

- 수용체 : 용질 증가에 의한 EnvZ 단백질이 인산화된다.

- 신호전달 : EnvZ에 의한 OmpR이 인산화된다. -> 이산화된 OmpR에 의한 ompC유전자 발현이 촉진된다.

- 효과 : OmpC단백질에 의해 외막의 통로 단백질이 폐쇄된다.


*  삼투수용체(EnvZ) : 대장균의 세포막에 막단백질의 형태로 존재하는 삼투수용체인 EnvZ가 막간공간의 높은 용질농도(높은삼투압)를 감지하여 키나아제의 활성으로 인해 인산화된다.

* 신호전달경로(OmpR) : 신호의 수용단계에서 인산화된 EnvZ는 OmpR(Osmotic Pressure Regulator)을 인산화시켜 ompC 유전자의 발현을 촉진시킨다.

*  효과(OmpC) : 신호전달에 의해 발현이 증가된 OmpC 단백질은 막간공간으로 이동하여 외막에 존재하는 용질의 투과단백질(포린)을 막아 더 이상의 용질이 유입되어 삼투압이 증가되는 것을 억제한다.

(2) 효모의 신호전달

단세포성 진핵세포인 효모는 무성생식의 방법인 출아법으로 유전형을 유지하면서 신속하게 증식하지만 환경의 변화를 감지하면 신호전달을 통해 접합과 감수분열을 통해 유전적 다양성을 증가시킨다.


효모의 접합을 위해 효모는 각각 교배형(mating type) 에 맞는 신호 페로몬(a 또는 알파)을 분비하는데 각각 이형 교배형 포자에 존재하는 수용체에 결합하여 shmoo형성을 통해 접합을 유발한다.

1-2  신호전달 물질의 종류와 특성

세포와 조직의 다양한 조절을 위해서는 다양한 신호가 요구되며 신호의 다양성은 신호물질 및 수용체의 다양성과 더불어 다양한 신호전달계의 존재에 의해 이루어진다.

(1) 신호전달의 경로

일반적인 신호전달의 경로는 크게 수용체에 의한 신호의 수용단계, 신호의 세포 내 전달단계, 신호에 대한 반응단계로 구분된다.


# 신호의 수용 (수용체 활성화) -> 신호전달계(2차 전달자) -> 반응(효소활성, 유전자 발현) : 수용성 리간드(1차 전달자)는 표적세포의 세포막 수용체에 결합하여 세포질의 2차 전달자(신호전달계)를 활성화시켜 세포질 효소의 활성을 조절한다. 반대로 지용성 리간드는 세포막을 확산으로 투과하여 세포질(핵질) 수용체와 결합하여 주로 유전자의 발현을 조절한다.

 

• 수용체 단백질

1차 전달자인 신호물질(리간드)은 다양한 수용체와 높은 특이성을 갖고 결합하여 수용체의 입체구조를 변화시켜 다양한 신호전달을 유발한다. 따라서 수용체를 포함한 세포만이 신호물질에 대해 반응을 유발하여 조직특이성이 높다.

• 신호전달계

세포막 수용체는 세포질에서 일련의 2차 전달자들로 구성된 신호전달계를 거치면서 신호를 증폭시켜 효율적으로 반응을 유발할 수 있다.

• 반응

수용체와 신호전달계에 따라 효소의 활성, 이온농도의 변화 및 유전자의 발현과 같은 특이적인 세포반응이 유발될 수 있다.

 

(2) 신호물질의 종류

수용체와 결합하는 1차 전달자인 리간드는 크게 단백질계 호르몬과 같은 수용성 신호물질과 스테로이드계 호르몬과 같은 지용성 신호물질로 구분되는데 신호전달과정에서 특징적인 차이를 보인다.

• 지용성 신호물질

세포막 수용체를 사용하는 수용성 신호물질과 달리 지용성 신호물질의 경우 세포막에 대한 투과성이 높기 때문에 세포질 또는 핵질에서 전사인자로 작용하는 수용체와 결합하여 특이적인 유전자의 발현의 조절을 유발한다. 성호르몬과 같이 세포막 수용체를 사용하지 않는 지용성 신호물질의 경우 광범위한 조직에 작용하지만, 신호전달계를 사용하지 않기 때문에 신호의 증폭이 약하다.

• 수용성 신호물질

수용성 신호물질은 표적세포의 세포막을 투과할 수 없기 때문에 세포막 수용체와 결합해야 하며, 세포막 수용체로부터 반응을 유발하기 위해서는 세포질에 일련의 2차 전달자의 흐름인 신호전달계를 활용해야 한다. 또한 대부분의 수용성 신호물질의 경우는 신호전달과정에서 신호의 증폭이 유발되고, 효소의 활성을 조절하는 효과를 발생시킨다.

1-3 세포막 수용체

혈장의 수용성 리간드와 결합하는 세포막 수용체의 종류에 따라 다양한 2차 전달자에 의한 신호전달경로가 활성화 되기 때문에 반응이 증폭되고 다양한 반응을 유발할 수 있다. 수용성 호르몬의 세포막 수용체(GPCR, 효소 결합 수용체, 이온채널수용체)로 구분되며 각각의 독특한 신호전달경로를 활성화시킨다. 대부분의 세포막 수용체는 세포질 2차 전달자를 통한 신호전달계를 이용한다.

 

(1) G-단백질 결합 수용체

- G-단백질의 활성화 : 에피네프린 수용체와 같은 많은 세포막 수용체는 GTP와 결합하여 활성이 조절되는 G-단백질과 결합되어 신호전달을 유발한다. GPCR과 특이적인 1차 전달자가 결합하면 GEF가 활성화되어 GDP를 GTP로 치환되면서 Ga-GTP 가 분리되어 다른 2차 전달자를 조절한다.

(2) G-단배질의 다양성

- G-단백질은 a소단위의 차이에 따라 크게 흥분성과 억제성 및 Gaq로 구분될 수 있는데 일부 세균독소는 각각의 G-단백질을 장기적으로 과도하게 활성화 시켜 신호전달을 파괴하기도 한다.