[분자생물학 기초 개념] 40. 신호 전달 경로 2️⃣ (세포 내 신호전달 경로, 신호 전달에서의 2차 신호전달 분자)

신호 전달 경로(Signal Transduction Pathways)는 세포가 외부의 신호를 감지하고, 그 정보를 세포 내부로 전달해 특정 반응을 유도하는 중요한 생리적 메커니즘입니다. 세포는 다양한 리간드와 수용체를 통해 신호를 인식하고, 이를 2차 신호전달 물질을 통해 증폭하여 세포 성장, 분화, 대사 조절 등의 복잡한 반응을 조절합니다. 본 학습에서는 G-단백질 연결 수용체(GPCR)와 수용체 티로신 키나제(RTK)를 포함한 주요 신호 전달 경로를 다루고, 세포 내부에서 일어나는 전사 인자 활성화와 핵 수용체 작용을 탐구하며, 신호 전달 경로가 질병에 미치는 영향을 살펴볼 것입니다.

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세포 내 신호전달 경로 (Intracellular Signaling Pathways)

세포 내 신호전달 경로는 세포 외부의 신호가 수용체를 통해 전달된 후, 세포 내부에서 연쇄적인 반응을 통해 세포 기능을 조절하는 경로입니다. 세포 내부에서의 신호 전달은 다양한 효소, 단백질, 그리고 2차 신호전달 물질을 통해 신호가 증폭되고, 궁극적으로 세포의 대사, 성장, 생존, 분화 등 다양한 반응을 유도합니다. 이번에는 세포 내에서 주로 작용하는 주요 신호전달 경로인 cAMP 경로, MAPK/ERK 경로, PI3K-Akt 경로, 그리고 Wnt/β-카테닌 경로를 자세히 설명합니다.

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cAMP 경로 (cAMP Pathway)

cAMP 경로는 세포 표면 수용체, 특히 G-단백질 연결 수용체(GPCRs)를 통해 활성화되는 2차 신호전달 경로입니다. 이 경로는 호르몬, 뉴로트랜스미터 등의 신호에 반응하여 세포 대사, 유전자 발현 등을 조절하는 중요한 경로입니다.

cAMP 경로의 과정

1. 리간드 결합: 외부의 신호 분자인 리간드가 GPCR에 결합하면, G-단백질이 활성화됩니다.
2. 아데닐산 고리화효소 활성화: G-단백질의 α 소단위가 아데닐산 고리화효소(adenylate cyclase)를 활성화합니다. 이는 ATP를 cAMP(cyclic AMP)로 전환하는 효소입니다.
3. cAMP 생성 및 PKA 활성화: 생성된 cAMP는 단백질 키나제 A(PKA)를 활성화시키며, PKA는 세포 내 다양한 단백질과 효소들을 인산화(Phosphorylation)하여 활성화하거나 비활성화합니다.
4. 세포 반응: PKA가 활성화되면, 글리코겐 대사(글리코겐 분해 촉진), 유전자 발현 조절, 세포 분열 및 성장에 중요한 역할을 합니다. 또한, cAMP 반응 요소 결합 단백질(CREB) 같은 전사 인자를 활성화하여 유전자 발현을 조절합니다.

예시

• 에피네프린은 cAMP 경로를 통해 간세포에서 글리코겐 분해를 촉진하여 혈당을 증가시킵니다.

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MAPK/ERK 경로 (MAPK/ERK Pathway)

MAPK/ERK 경로는 세포 성장, 분화, 생존에 중요한 역할을 하는 신호전달 경로입니다. 이 경로는 **수용체 티로신 키나제(RTKs)**에 의해 주로 활성화되며, 세포 내부에서 연쇄적인 인산화 반응을 통해 신호를 전달합니다.

MAPK/ERK 경로의 과정

1. 리간드 결합: 외부의 성장인자나 호르몬이 RTK에 결합하면, 수용체는 자기 인산화를 통해 신호를 전달합니다.
2. Ras 단백질 활성화: RTK는 세포 내의 Ras 단백질을 활성화합니다. Ras는 GTP 결합 단백질로, 활성화되면 Raf 단백질을 통해 신호를 전달합니다.
3. MAPK 인산화 반응 연쇄: Raf → MEK → ERK의 단계로 연쇄적인 인산화 반응이 일어납니다. ERK는 최종적으로 세포핵으로 이동하여 전사 인자를 활성화시킵니다.
4. 세포 반응: 활성화된 ERK는 유전자 발현을 조절하여 세포 분열, 성장, 분화 등을 촉진합니다.

예시

• EGF(표피 성장 인자)는 MAPK/ERK 경로를 통해 세포 성장과 분열을 촉진합니다. 이는 상처 치유나 조직 재생 과정에서 중요한 역할을 합니다.

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PI3K-Akt 경로 (PI3K-Akt Pathway)

I3K-Akt 경로는 세포 생존, 성장, 대사를 조절하는 중요한 신호 전달 경로입니다. 이 경로는 수용체 티로신 키나제(RTK)나 G-단백질 연결 수용체(GPCR)를 통해 활성화되며, 세포가 생존 신호를 받아들이고 세포 대사를 조절할 수 있도록 도와줍니다.

PI3K-Akt 경로의 과정

1. 리간드 결합: 성장 인자(예: 인슐린 또는 IGF-1)가 RTK에 결합하여 수용체를 활성화시킵니다.
2. PI3K 활성화: RTK는 PI3K(Phosphoinositide 3-kinase)를 활성화합니다. PI3K는 PIP₂를 PIP₃로 변환시킵니다.
3. Akt 활성화: PIP₃는 Akt(Protein Kinase B)를 활성화시키고, Akt는 여러 효소와 단백질을 인산화하여 세포 생존과 성장을 촉진합니다.
4. mTOR 경로와 상호작용: Akt는 또한 mTOR 경로를 활성화하여 단백질 합성을 촉진하고, 세포 성장과 대사를 조절합니다.

예시

• 인슐린은 PI3K-Akt 경로를 통해 포도당 흡수를 촉진하며, 이 경로는 제2형 당뇨병과 같은 대사 질환에서 중요한 역할을 합니다.

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Wnt/β-카테닌 경로 (Wnt/β-Catenin Pathway)

Wnt/β-카테닌 경로는 발달 과정과 줄기세포 유지에서 중요한 역할을 하는 신호 전달 경로입니다. 특히 배아 발달과 세포 분화를 조절하는 데 핵심적인 기능을 하며, 이 경로의 불균형은 암과 같은 질병과도 연관이 있습니다.

Wnt/β-카테닌 경로의 과정

1. Wnt 단백질 결합: Wnt 단백질이 Frizzled 수용체에 결합하면, β-카테닌을 분해하는 복합체가 불활성화됩니다.
2. β-카테닌 축적: β-카테닌이 세포질에서 축적되고, 분해되지 않은 상태로 핵으로 이동합니다.
3. 유전자 발현 조절: β-카테닌이 핵에서 전사 인자와 결합하여 유전자 발현을 활성화합니다. 이로 인해 세포 성장과 분화가 조절됩니다.

예시

• Wnt/β-카테닌 경로는 배아 발달 동안 신경계 형성에 중요한 역할을 하며, 줄기세포 유지 및 재생에도 관여합니다. 이 경로의 돌연변이는 대장암과 같은 암 발생과 연관이 있습니다.

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신호 전달에서의 2차 신호전달 분자 (Second Messengers)

2차 신호전달 분자(Second Messengers)는 세포 외부에서 수용체에 의해 인식된 신호를 세포 내부로 전달하는 중요한 분자들입니다. 이들 분자는 수용체와 효소 사이에서 신호를 증폭하거나 전달하여 세포가 생리적 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. G-단백질 연결 수용체(GPCRs), 수용체 티로신 키나제(RTKs)와 같은 수용체들이 외부 신호를 감지하면, 2차 신호전달 분자들이 활성화되어 세포 내 다양한 경로를 통해 반응을 조절합니다. 여기서는 대표적인 2차 신호전달 분자인 cAMP, 칼슘 이온(Ca²⁺), IP₃, DAG의 역할과 작용 기전에 대해 설명합니다.

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cAMP (Cyclic AMP)

cAMP(고리형 AMP)는 GPCR에 의해 활성화되는 대표적인 2차 신호전달 분자로, 세포 대사, 유전자 발현, 효소 활성화 등의 다양한 세포 반응을 조절합니다. 특히, cAMP는 호르몬이나 신경전달물질에 반응하여 세포 기능을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다.

cAMP 경로의 과정

1. 리간드 결합: 리간드(예: 에피네프린, 글루카곤)가 GPCR에 결합하면, G-단백질이 활성화됩니다.
2. 아데닐산 고리화효소 활성화: G-단백질의 α 소단위가 아데닐산 고리화효소(adenylate cyclase)를 활성화하여 ATP로부터 cAMP를 생성합니다.
3. cAMP 생성: cAMP는 세포 내 단백질 키나제 A(PKA)를 활성화하여 다양한 세포 내 반응을 촉진합니다. PKA는 여러 단백질을 인산화하여 활성화시키거나 비활성화합니다.
4. 세포 반응: cAMP는 주로 대사 조절(예: 글리코겐 분해), 유전자 발현 조절(예: CREB 전사 인자의 활성화), 효소 조절(예: 효소 활성화 또는 억제)을 통해 세포 반응을 유도합니다.

예시

• 에피네프린이 간세포에서 GPCR을 활성화하면, cAMP 경로가 활성화되어 글리코겐이 포도당으로 분해됩니다. 이 반응은 신체가 스트레스에 반응할 때 에너지를 빠르게 공급하는 데 기여합니다.

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칼슘 이온 (Ca²⁺)

칼슘 이온(Ca²⁺)은 세포 내에서 다양한 신호전달 경로를 조절하는 중요한 2차 신호전달 분자입니다. 칼슘 이온은 세포 내부의 칼슘 저장소(주로 소포체, ER)에서 방출되거나, 세포막을 통한 유입으로 세포 내 칼슘 농도가 급격히 증가하면서 신호 전달을 유도합니다. 칼슘 이온은 세포 수축, 분비 작용, 신경 신호 전달, 효소 활성 조절 등 다양한 생리적 반응에 관여합니다.

칼슘 신호 조절 과정

1. IP₃ 경로 활성화: GPCR이나 RTK 신호에 의해 IP₃(Inositol trisphosphate)가 생성되면, IP₃는 소포체(ER)에 있는 칼슘 채널에 결합하여 Ca²⁺ 방출을 유도합니다.
2. 칼슘 농도 증가: 소포체에서 방출된 칼슘 이온은 세포질 내 칼슘 농도를 급격히 증가시키며, 이로 인해 칼슘 의존성 단백질(예: 칼모듈린(Calmodulin))이 활성화됩니다.
3. 세포 반응 유도: 칼슘 신호는 다양한 효소, 단백질 키나제, 이온 채널 등을 활성화시켜 근육 수축, 세포 분열, 세포 분비 등의 반응을 유도합니다.

예시

• 신경세포에서 신경전달물질이 방출될 때, 세포막의 칼슘 채널이 열리면서 칼슘이 세포 내로 유입됩니다. 이 과정은 신경전달물질이 시냅스 소포로부터 분비되도록 도와 신경 신호 전달을 촉진합니다.

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IP₃ (Inositol Trisphosphate)

IP₃(Inositol trisphosphate)는 세포 내 칼슘 방출을 유도하는 2차 신호전달 분자입니다. 주로 GPCR이나 RTK에 의해 활성화되는 신호 전달 경로에서 생성되며, IP₃는 세포 내 소포체(ER)의 칼슘 저장소에서 칼슘을 방출시킵니다.

IP₃ 경로의 과정

1. 리간드 결합 및 신호 전달: 리간드가 GPCR이나 RTK에 결합하면, 세포 내에서 PIP₂(Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate)가 IP₃와 다이아실글리세롤(DAG)로 분해됩니다.
2. 칼슘 방출: IP₃는 소포체(ER)에 있는 IP₃ 수용체에 결합하여 칼슘 채널을 열고, 저장된 Ca²⁺를 세포질로 방출시킵니다.
3. 세포 반응: 방출된 칼슘은 다양한 칼슘 의존성 효소를 활성화하여 세포 수축, 분비, 유전자 발현 등을 조절합니다.

예시

• 평활근에서 아세틸콜린이 GPCR을 통해 IP₃ 경로를 활성화하면, 세포 내 칼슘 이온이 방출되어 근육 수축이 유도됩니다.

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다이아실글리세롤 (DAG, Diacylglycerol)

DAG(Diacylglycerol)는 IP₃와 함께 PIP₂에서 분해되는 2차 신호전달 분자로, 단백질 키나제 C(PKC)를 활성화하는 역할을 합니다. DAG는 지질 친화성을 가지며, 세포막에 존재하면서 효소 활성화를 통해 신호 전달을 조절합니다.

DAG 경로의 과정

1. 리간드 결합 및 신호 전달: 리간드가 GPCR이나 RTK에 결합하면, 세포 내에서 PIP₂가 IP₃와 DAG로 분해됩니다.
2. PKC 활성화: DAG는 세포막에 결합한 상태에서 단백질 키나제 C(PKC)를 활성화시킵니다. PKC는 세포 내 여러 단백질을 인산화하여 신호 전달을 조절합니다.
3. 세포 반응: DAG는 PKC를 통해 세포 증식, 분화, 세포 생존 등의 반응을 조절하며, 이는 종양 형성 등 다양한 세포 활동과도 관련이 있습니다.

예시

• T세포 활성화: 면역 반응에서 항원이 T세포 수용체에 결합하면 DAG와 PKC 경로가 활성화되어 면역 반응이 조절됩니다.

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신호 전달 경로는 세포가 외부 신호에 반응하여 생존, 성장, 분화 등 다양한 기능을 조절하는 중요한 메커니즘입니다. GPCR, RTK와 같은 수용체와 cAMP, 칼슘 이온 같은 2차 신호전달 분자들은 정상적인 생리 작용뿐만 아니라 질병과도 밀접하게 연관되어 있습니다. 이러한 경로에 대한 이해는 질병 기전 연구와 치료법 개발에 중요한 기반이 될 것입니다.