아포토시스 (Apoptosis) 가이드

아포토시스는 세포의 아포토시스 프로그램이 활성화될 때 발생하는 세포사의 한 유형이다. 이 프로그램은 세포의 DNA에 암호화된 일련의 명령이다. 세포사가 촉발되면, 세포는 궁극적으로 죽음으로 이어지는 일련의 변화를 겪는다.

일단 세포사가 진행되면, 그것은 되돌릴 수 없고 세포는 저장될 수 없다. 자살은 우리 몸에서 항상 일어나는 정상적인 과정이다. 예를 들어, 그것은 오래되고, 손상되거나, 필요하지 않은 세포들을 제거하는 것에 책임이 있다. 아포토시스는 또한 발달과 면역에 있어서 중요한 역할을 한다.

세포사와 괴사의 주요 차이점은 괴사는 세포사의 자연적이고 통제된 과정인 반면, 괴사는 세포사의 통제되지 않은 과정이라는 것이다. 세포자살은 건강한 조직의 발달과 유지에 중요하며 괴사는 조직 손상으로 이어진다.

세포사는 DNA 손상이나 바이러스 감염과 같은 다양한 자극에 반응하여 발생하는 프로그램된 세포사의 한 유형이다. 세포수축, 혈장막 팽출(블레빙 - blebbing), 염색질 응축, 세포사체 형성 등 여러 형태학적 변화가 특징이다.

한편, 괴사는 독소에 노출되거나 감염되는 등 극도의 스트레스에 반응하여 발생하는 세포사의 일종이다. 괴사는 세포 부종, 막 파열, 염증 매개체의 방출이 특징이다.

가장 중요한 종양 억제 단백질 중 하나인 p53은 암세포에서 자주 변이되거나 소실된다. 이것은 통제되지 않은 세포 성장과 결국 종양 형성으로 이어질 수 있다. p53은 또한 세포 사멸, 즉 프로그램된 세포 죽음에서 핵심적인 역할을 한다. DNA가 손상되면 p53이 활성화돼 세포가 분열하고 확산되는 것을 막기 위해 세포자살을 유발한다.

p53 매개 아포토시스에는 Bax, Bak, Bad를 포함한 여러 신호전달 단백질이 있다. Bax와 Bak은 세포사를 촉진하는 친아포토시스 단백질이고, Bad는 세포사를 억제하는 항아포토시스 단백질이다. DNA 손상이 발생하고 p53이 활성화되면 Bax와 Bak은 미토콘드리아로 이동하여 시토크롬 c를 (cytochrome c) 방출한다. 시토크롬 c는 세포사로 이어지는 일련의 사건들을 유발한다. 나쁜 것은 또한 p53에 의해 인산화되어 세포사를 억제하지 못한다.

요약하자면, p53은 DNA 손상에 대응하여 아포토시스를 매개하는 데 중요한 역할을 한다. p53 아포토시스 경로는 Bax, Bak, Bad를 포함한 몇 가지 주요 신호전달 단백질을 포함한다. DNA 손상이 발생하면 p53은 이 단백질들을 활성화시켜 세포사를 유발하고 손상된 세포가 퍼지는 것을 막는다.

Intrinsic apoptosis는 종종 DNA 손상과 같은 세포 스트레스 요인에 반응하여 세포 내에서 시작되는 과정이다. 반면, 외인성 아포토시스는 다른 세포의 외부 신호에 의해 유발된다. 아포토시스는 세포 항상성을 유지하고 암과 같은 질병의 발생을 예방하는 핵심적인 메커니즘이다.

세포외사의 경로는 죽음 수용체(예: Fas, TNF)를 활성화하는 세포외 신호(예: Fas, TNF) 또는 감염에 대한 선천적 면역 반응의 일부로서 세포독성 림프구로부터 Granzyme B 및 Performin의 방출에 의해 개시된다(Goping et al., 2003). 죽음 수용체의 활성화는 그들의 올리고머화 및 세포질 수용체 어댑터 단백질(예: FADD, TRADD)의 모집으로 이어지며, 죽음 수용체와 프로스파스파제-8과 관련된 어댑터 단백질로 구성된 죽음 유도 신호 전달 복합체(death-inducing signalling complex - DISC)의 조립을 촉진한다(Ashkenazi et al., 1998).

세포사의 외인성 경로는 종양괴사인자( tumour necrosis factor - TNF) 수용체 슈퍼패밀리에 속하는 죽음 수용체(death receptors - DR)에 의해 매개된다. 이 제품군은 TNFR1, CD95 /Fas, TRAIL-R1/DR4 및 TRAIL-R2/DR5를 포함한다(Itoh et al., 1991; Pan et al., 1997; Tartaglia et al., 1993). 이 수용체들은 일반적으로 세포 표면에서 동종 삼량체 I형 막 단백질로 발현되며, 시스테인이 풍부한 세포 외 도메인의 존재로 특징지어진다(Ashkenazi and Dixit, 1998). 죽음 수용체는 또한 약 80개의 아미노산으로 이루어진 세포질 도메인을 포함하고 있으며, 이는 죽음 도메인(death domain - DD)으로 불리며, 죽음 신호를 세포 표면에서 세포 내 신호 전달 경로로 전달하는 데 중요한 역할을 한다.

활성화 시 caspase-8는 caspase-3과 같은 추가 다운스트림 이펙터 케이스를 절단하여 아포토시스 신호를 전파할 수 있다(Medema et al., 1997; Murphy et al., 2004). 그러나 처리가 필요하지 않고 이량화에 의해 카스파아제-8이 활성화되는 caspase-9와 유사한 방식으로 caspase-8가 활성화될 수 있다는 보고도 있다(Boatright et al., 2003; Donepudi and Grutter, 2002).

일부 조건에서 caspases-8는 다운스트림 카스파제를 직접 활성화할 수 없으므로 CD95 수용체/리간드 복합체를 모두 사용하는 두 가지 세포 유형이 설명되었다(Scaffidi et al., 1998). 제1형 세포에서, 죽음은 DISC에서 생성된 다량의 활성 caspase-8 에 의해 유발되며, 이는 미토콘드리아 막간 전위의 상실 전에 caspase-3의 직접적인 분열을 초래한다. II형 세포와 비교했을 때, 죽음의 수용체 경로의 활성화만으로는 아포토시스를 유도하기에 충분하지 않다. 이러한 세포에서 DISC는 거의 형성되지 않으므로 더 적은 양의 활성 caspase-8을 사용할 수 있으며, 따라서 세포사멸 신호는 미토콘드리아 경로의 동시 참여에 의한 증폭을 필요로 한다.

이 경로는 BH3 도메인 함유 Bcl-2 패밀리 멤버 Bid의 caspase-8 매개 분열에 의해 수행된다. 활성 caspase-8은 Bid를 절단하여 절단된 형태(tBid)를 생성하는데, 이는 단독으로 또는 다른 분자와 결합하여 미토콘드리아가 아포토솜 복합체의 형성을 초래하는 cytochrome c과 같은 친아포토시스 인자를 방출하도록 유도한다 (apoptosome complex) (Li et al., 1998; Luo et al., 1998).

MOMP는 미토콘드리아 외막 투과성을 나타낸다 (mitochondrial outer membrane permeabilisation). 아포토시스의 과정은 Bcl-2 단백질 계열의 친아포토시스 및 항아포토시스 멤버에 의해 MOMP의 조절을 통해 매개된다(Green et al., 2004). MOMP는 세포가 세포사에 불가역적으로 전념하게 되는 복귀 불능의 지점이며(Tait et al., 2010), cytochrome C, 엔도G, Smac/DIABLO, AIF-1, Omi/HtrA2와 같은 세포자살 단백질을 막간 공간에서 세포질로 방출시킨다.

세포질 구획으로의 Cytochrome C 방출은 Apaf-1과의 상호작용으로 이어져 procaspase-9의 분열, Apaf-1/caspase-9 아포토좀 복합체의 형성, 그리고 이펙터 caspase의 후속 활성화를 가능하게 한다(Li et al., 1997; Zou et al., 1999). 세포의 운명은 궁극적으로 대립하는 Bcl-2 단백질의 상대적인 풍부함과 활성에 의해 결정된다고 생각된다.

Bcl-2 패밀리 단백질은 아포토시스의 주요 조절인자이다. 모든 가족 구성원은 BH 1-4로 분류된 4개의 Bcl-2 호몰로지 도메인을 포함하는 B-세포 림프종-2 단백질(Bcl-2)의 원형 가족 구성원과 상동성을 공유한다. Bcl-2 패밀리 단백질은 기능적으로 친아포토시스 구성원과 반아포토시스 구성원으로 분할될 수 있다. 친아포토시스 Bcl-2 단백질은 구조 및 기능에 따라 BH3 전용 또는 다중 도메인 구성원으로 2개의 그룹으로 더 세분될 수 있다.

MOMP 형성을 위한 두 가지 대조적인 메커니즘이 제안되었다. 간접 모델에서 모든 친아포토시스 BH3 전용 단백질은 항아포토시스 멤버와의 상호작용에 의해서만 작용한다(Willis et al., 2005; Willis et al., 2007). 직접 모델에서, BH3 전용 단백질은 항아포토시스 구성원에 대항하는 감작제(Bad, Bmf, Noxa)와 Bak/Bax 이량화를 직접적으로 촉진하는 활성제(Bim, Puma, tBid)로 더 세분된다(Galonek et al., 2006; Hyungjin et al. 2006).

Bcl-2를 미끼로 사용한 종양억제제 p53 표적에 대한 유전자 발현 프로파일링과 효모균 2-하이브리드 스크린으로부터 Puma와 Noxa가 확인되었다[Han et al., 2001; Nakano and Vousden, 2001; Oda et al., 2000; Yu et al., 2001]. 전사인자 p53은 DNA 손상 후 Puma와 Noxa를 전사적으로 상향조절하여 세포자살을 유발한다[Villunger et al., 2003a].

Puma와 Noxa는 항아포토시스 Bcl-2 패밀리인 Mcl-1, Bcl-2 및 Bcl-XL에 결합 및 억제되어 아포토시스를 유발할 수 있다[Nakano and Vousden, 2001; Oda et al., 2000; Yu et al., 2001]. 최근, Noxa는 증가된 발현과 자가파지 조절제인 Beclin-1로부터의 Mcl-1의 치환을 통해 H-Ras 매개 자가파지 세포사에 관여하고 있다[Elgendy et al., 2010].

BH3 전용 단백질인 Bad은 효모 2-세포 및 -파지 라이브러리 화면을 통해 원래 Bcl-XL 상호작용제로 확인되었으며, Bcl-2 및 Bcl-XL과 함께 선택적으로 감소하는 것으로 확인되었으나 Mcl-1은 확인되지 않았다[Yang et al., 1995]. 생존 인자 IL-3의 존재 하에서, Bad는 Ser/Thrkinase인 Akt에 의해 인산화되어, 14-3-3 단백질에 결합하여, 그 아포토시스 기능을 저해한다[Data et al., 1997; Zha et al., 1996]. 유사분열 후 뉴런에서 Cdk1에 의한 Bad의 인산화는 14-3-3 단백질로부터 Bad의 해리와 그에 따른 세포사를 초래한다[Konishi et al., 2002].

BH3 단백질 Bim은 내인성 세포 사망 경로의 매개체로 광범위하게 특성화되어 왔다. 자외선 조사, Taxol 처리 및 혈청 성장 인자 인출과 같은 세포 스트레스에 이어, Bim은 미토콘드리아로 위치를 정하고 Bcl-2 패밀리의 항아포토시스 구성원인 Bcl-2, Bcl-XL 및 Mcl-1을 억제하고 Bak 및 Bax를 활성화시켜 MOMP 및 후속 세포사를 초래한다[Kutuk and Letai, 2010].

ERK 1/2는 여러 현장에서 BimEL을 인산화하는 것으로 나타났다[Weston et al., 2003]. 혈청 이탈 후 ERK1/2에 의한 BimEL의 인산화는 20S 단백질에 의한 분해를 초래한다[Wiggins et al., 2011]. BimEL은 ERK1/2에 의해 최대 6개의 서로 다른 잔기에서 인산화되며, 그 중 3개는 BimEL에서만 발현되는 엑손 3 내에 있다. 빔의 인산화ERK 1/2에 의한 EL은 exon 3 내에 DEF 도메인(ERK, FXFP의 도킹 사이트)을 필요로 한다.

프로그램된 세포사 단백질 1(PD-1)은 T 세포의 표면에서 발견될 수 있으며, T 세포의 활성화를 줄임으로써 면역 반응을 조절하는 데 필수적인 역할을 한다. PD-L1 또는 PD-L2에 결합함으로써 표적 T 세포 내에서 세포자살을 유발한다.

PD-1 매개 아포토시스는 신체의 면역 체계가 잠재적으로 위험한 활성화된 T 세포를 제거할 수 있는 과정이다. 항원에 노출되면 T세포는 PD-1 발현을 전환하고 APC(Antigen Presenting Cells)에 존재하는 PD-L1 또는 PD-L2 또는 유기체 내에서 발견되는 다른 세포 유형과 상호 작용한다. 이 결과적인 상호작용은 T세포의 프로그램된 죽음을 시작하여 불필요한 전신 염증 반응이 발생하는 것을 방지한다.

암세포는 PD-1/PD-L1 경로를 사용하여 검출을 피하고 면역 반응을 방해하여 종양이 자유롭게 성장할 수 있도록 한다. 높은 수준의 PD-L1을 나타냄으로써, 악성 세포는 T 세포의 활동을 억제하고 종양을 공격하는 것을 막을 수 있다. 이 전술에 대항하기 위해, 과학자들은 두 가지 단백질을 표적으로 하는 면역 치료제를 발명했고, 다양한 암에 대한 그들의 결과는 지금까지 믿을 수 없을 정도로 유망했습니다!

그럼에도 불구하고, PD-1/PD-L1 신호를 차단하면 자가면역 장애 및 조직 손상과 같은 불리한 면역 반응을 초래할 수 있다. 따라서 암환자를 치료할 때 PD-1/PD-L1 차단제를 적용할 경우의 유익성 위해성을 적절히 따져볼 필요가 있다.

요약하자면, PD-1은 T 세포 아포토시스와 면역 체계를 조절하는 데 필수적인 부분이다. PD-1, PD-L1 및 PD-L2 간의 상호작용은 자가면역 질환뿐만 아니라 암 치료에도 큰 영향을 미칠 수 있다. PD-1이 정확히 어떻게 아포토시스를 유도하는지에 대한 이해를 넓히기 위해 추가적인 연구가 진행되어야 하며, 이는 어떠한 해나 부작용도 일으키지 않고 이 경로를 목표로 하는 효율적인 치료법을 만들기 위해서이다.

Caspases은 기질 특이성 또는 프로 도메인의 길이에 기초하여 3개의 다른 그룹으로 분류될 수 있다(Grutter, 2000; Thornberry and Lazebnik, 1998). 그룹 I caspases은 주로 염증의 중재자로서 기능하며, caspases -1, -4, -5, -11 및 -14를 포함한다. 이들은 염증성 사이토카인의 활성화 및 처리에 관여하며, 아포토시스에서 주요 역할을 하지 않는 것으로 보인다. 그룹 I caspases는 티로신 또는 트립토판과 같은 P4 위치의 부피가 큰 소수성 잔기를 선호한다(Nicholson, 1999; Thornberry et al., 1997).

Caspase 3와 7은 세포사를 시작하기 위해 함께 작용하는 두 가지 주요 아포토시스 효소이다. caspase 7은 caspase 3를 활성화시키는 반면, Caspase 3는 세포사를 초래하는 단백질을 절단하는 역할을 한다. 이 두 효소 모두 DNA 손상, 산화 스트레스, 세포자살 호르몬을 포함한 다양한 자극에 의해 촉발될 수 있는 세포자살 신호에 의해 활성화된다. 일단 활성화되면, caspase 3와 7은 다양한 세포 단백질을 절단하기 위해 함께 작용하여 궁극적으로 세포사로 이어진다.

Caspase 3/7-아편 아포토시스는 조직의 항상성을 유지하고 암의 발생을 예방하는 데 도움을 주는 중요한 과정이다. 아포토시스는 DNA 손상, 산화 스트레스, 아포토시스 호르몬을 포함한 다양한 자극에 반응하여 발생하는 프로그램된 세포사의 일종이다. Caspase 3과 7은 아포토시스를 시작하기 위해 함께 작동하는 두 가지 핵심 효소이다. caspase 7 은 caspase 3을 분비하는 반면, Caspase 3은 세포사를 초래하는 단백질을 절단한다.

아포토시스는 조직의 항상성을 유지하고 암의 발생을 예방하는 데 도움이 되는 중요한 과정이다. Caspase에 의한 아포토시스는 DNA 손상, 산화 스트레스, 아포토시스 호르몬을 포함한 다양한 자극에 반응하여 발생하는 프로그램된 세포사의 한 유형이다.

Caspase 8은 세포사의 중요한 조절인자이며, 세포사의 시작에 필수적인 활성화이다. 세포사가 촉발되면 caspase 8은 세포사를 초래하는 하류 단백질을 분열시키고 활성화시킨다. caspase 8 절단 부위는 DEVD 모티프 내에 있는 아미노산 As315에 위치한다.

이 절단 부위는 caspase 8 및 후속 아포토시스의 활성화에 필수적이다. Caspase 8 신호전달은 caspases 3, 6, 7을 포함한 여러 다운스트림 아포토시스 단백질의 활성화를 유도한다. 이 단백질들은 DNA 단편화와 세포 수축을 유발함으로써 세포사를 수행한다.

Caspase 9는 아포토시스 경로에서 중요한 개시제 캐스퍼레이스이다. 포스포글리세르산은 특정 부위에서 단백질 분해 분해에 의해 활성화되어 활성 촉매 도메인이 방출된다. 이는 아포토솜의 형성으로 이어지는데, 아포토솜은 아포토솜의 시작에서 중요한 복합체이다.

Caspase 9는 크고 작은 소단위체 사이의 링커 영역에 위치한 As-315 및 As-330에서 단백질 분해 분열에 의해 활성화된다. 이것은 활성 촉매 도메인의 방출을 초래하고, 이어서 아포토솜을 형성한다. 아포토솜은 caspase 9, caspase 3 및 cytochrome c와 같은 친아포토시스 단백질로 구성되어 있다.

caspase 9가 As-315에서 분해되면, 캐스페이스 3에 결합 및 절단이 가능한 활성 테트라머가 형성된다. 이것은 caspase 3의 활성화를 초래하고, 이는 세포사와 관련된 많은 핵심 단백질의 단백질 분해로 이어진다.

IAP는 직접적인 caspase 중독에 의해 세포자살을 조절한다(Deveraux and Reed, 1999; Deveraux et al., 1998; Riedle et al., 2001; Shiozaki et al., 2003). 흥미롭게도, IAPs는 다기능적인 것으로 보이며, 아포토시스 조절에만 관여하는 것으로 보일 뿐만 아니라, 수용체-수용체-수용체-수용체-수용체-반응 신호 전달, 세포 주기 및 ubiquitylation 에도 관여한다(Birkey Reffey et al., 2001; Hofer-Warbinek et al., 2000; Huang et al. 2000; Lu et al. 2001; Lu et al. 2001; 2007; MacFarlane et al. 2002; Sanna, 2002). 2002, Sanna et al., 1998, Varfolomeev et al., 2007).