호르몬 수용체, 세포 신호전달 체계, 세포 간 신호전달 방법, 내분비 원리

세포간 정보는 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 통신은 종종 한 형태에서 다른 형태로 정보를 전달하는 신호를 변환하는 것을 포함한다.

예를 들어 핸드폰 전화로 친구로부터 전화를 받으면 공중으로 이동하는 무선신호를 음파로 변환시켜 듣는 것이다. 이러한 변환 과정을 신호 전달이라고 한다.
세포 사이를 오고가는 신호는 우리가 보통 일상생활에서 주고받는 종류의 대화나  메시지보다 간단하다. 세포간의 일반적인 통신에서, 신호 세포는 표적 세포에 의해 감지되는 특정한 유형의 세포외 신호 분자를 생성한다. 인간의 대화에서와 같이 대부분의 동물 세포는 신호를 보내고 받고, 따라서 신호 세포와 표적 세포의 역할을 할 수 있다.

대상 세포는 특별히 신호 분자를 인식하고 반응하는 수용체(Receptor)를 가지고 있다. 신호 전달은 표적 세포의 수용체가 들어오는 세포외 신호를 수신하여 세포의 행동을 변화시키는 세포내 신호 분자로 변환할 때 시작된다.

다세포 유기체의 세포는 서로 의사소통을 하기 위해 수백 종류의 세포외 신호 분자를 사용한다. 신호 분자는 단백질, 펩타이드, 아미노산, 뉴클레오티드, 스테로이드, 지방산 유도체 또는 심지어 용해된 가스일 수 있지만, 그들은 모두 메시지를 전달하기 위해 단지 소수의 기본적인 의사소통 방식을 이용한다.

다세포 유기체에서 가장 "공개적인" 형태의 세포 대 세포 통신은 신호를 동물의 혈류나 식물의 수액으로 분비하여 전신에 신호를 송신하는 것을 포함한다. 이러한 방법으로 사용되는 세포외 신호 분자를 호르몬이라고 하며, 동물에서는 호르몬을 생성하는 세포를 내분비세포라고 한다. 예를 들어, 췌장의 일부는 인슐린을 포함한 여러 호르몬을 생성하는 내분비샘으로, 이것은 전신의 세포에서 포도당 흡수를 조절하여 혈중 혈당 농도를 조절한다.

다소 덜 공공적인 것은 Paracrine Signal Pathway이다. 이 경우 혈류로 들어가는 대신 신호분자는 세포외액을 통해 국소적으로 확산되어 그들을 분비하는 세포의 근처에 남아 있게 된다. 따라서, 근처 세포에서 국소 중재자 역할을 한다. 감염 부위의 염증을 조절하거나 치유 상처 기능의 세포 증식을 조절하는 신호 분자의 상당수는 이런 식으로 작용한다. 어떤 경우에, 세포들은 그들 자신이 생산하는 지역 매개자들에게 반응할 수 있는데, 이것은 Autocrine 신호라고 불리는 Paracrine 의사소통의 한 형태다. 암세포는 때때로 이 방법을 통하여 암세포 자신의 생존과 확산을 촉진한다.

신경 신호는 제3의 형태의 세포 통신이다. 내분비세포와 마찬가지로 신경세포도 장거리로 메시지를 전달할 수 있다. 그러나 뉴런 신호의 경우, 메시지는 널리 전달되지 않고 대신에 개인 라인을 통해 개별 표적 세포로 신속하고 구체적으로 전달된다.

뉴런의 축은 뉴런 세포체로부터 멀리 떨어져 있을 수 있는 표적 세포의 특수 접합부(시냅스)에서 종료된다. 예를 들어 성인 인간의 척수에서 엄지발가락까지 뻗어 있는 축은 길이가 1미터 이상이 될 수 있다. 환경이나 다른 신경 세포로부터의 신호에 의해 활성화되면, 뉴런은 최대 100 m/sec의 속도로 축을 따라 질주하는 전기 자극을 보낸다. 축음기 단자에 도달하면 이러한 전기적 신호는 화학적 형태로 변환된다.

각 전기적 자극은 신경 단자를 자극하여 신경 전달기라 불리는 세포외 신호 분자의 방출을 자극한다. 그런 다음 신경전달물질은 Axon terminal의 막과 표적 세포의 막 사이를 분리하는 좁은(<100 nm) 간격을 가로질러 확산되어 1 msec 미만의 시간에 목적지에 도달한다.
신호 매개 세포 대 세포 통신의 네 번째 방식(가장 짧은 범위라고 할 수 있다.)은 비밀 분자의 방출을 요구하지 않는다. 대신에, 세포들은 신호를 통해 직접적인 물리적인 접촉을 한다.

예를 들어, 배아 발달단계 중에, 이러한 촉각 의존적 신호는 처음에 유사한 인접 세포가 특성화되어 신호 세포의 플라즈마 막과 표적 세포의 플라즈마 막에 내장된 수용체 단백질을 형성할 수 있도록 한다. 배아 발달 동안, 그러한 촉각 의존적 신호는 초기에 유사한 인접 세포가 다른 유형의 세포로 전문화될 수 있도록 한다.

 

 

이러한 다양한 신호 방식을 이해하기 위해서 흥미로운 강의, 또는 콘서트나 축구 게임을 광고하려고 한다고 상상해 본다고 하자. 내분비 신호는 라디오 방송국을 통해 정보를 방송하는 것과 비슷할 것이다. 국부적인 Paracrine 신호는 당신의 이웃에 있는 선택된 게시판에 전단지를 붙이는 것과 같다고 할 수 있다. 장거리지만 개인적인 신호는 전화, 문자 메시지 또는 이메일과 유사할 수 있으며, 연락 의존적인 신호는 좋은 구식 대면 대화처럼 될 것이다. Autocrine 신호에서는, 당신은 자신에게 출석하라고 상기시키는 메모를 작성하는 것처럼 신호전달 표적 대상이 곧 자기 자신이 되는 것이다.

다세포 유기체의 전형적인 세포는 그 환경에서 수백 개의 다른 신호 분자에 노출된다. 이러한 신호분자들은 세포 외 유체에서 자유로워질 수 있으며, 대부분의 세포가 존재하는 세포 외 기질에 내장되거나 인접 세포의 표면에 결합될 수 있다. 각 세포는 세포의 특수 기능에 따라 일부 신호를 무시하고 다른 세포에 반응하는 이 혼합물에 매우 선별적으로 반응해야 한다.

세포가 신호 분자에 반응하는지는 무엇보다도 그 신호에 대한 알맞은 수용체를 가지고 있느냐에 달려 있다. 각 수신기는 대개 하나의 신호 유형에만 의해 활성화된다. 각 신호에 반응하는 적절한 수용기(Receptor)가 없으면, 세포는 신호를 받아들이고 그에 따른 알맞은 세포신호 반응하지 않을 것이다. 가능한 수천 개의 수용체 중에서 제한된 일련의 수용체만 생성함으로써, 세포는 그것에 영향을 줄 수 있는 신호의 종류를 제한한다.
물론 이 제한된 세포외 신호 분자 집합조차도 대상 세포의 행동을 매우 다양한 방법으로 변화시킬 수 있다. 그들은 세포의 모양, 움직임, 신진대사, 유전자 발현 또는 조합을 바꿀 수 있다. 우리가 보게 될 것처럼, 세포 표면 수용체로부터의 신호는 일반적으로 일련의 세포내 신호 분자를 통해 표적 세포 내부로 전달된다. 이 분자들은 순차적으로 작용하고 궁극적으로 표적 세포의 행동에 직접적인 영향을 미치는 이펙터 단백질(Effector protein)들의 활동을 변화시킨다. 

이 세포내 릴레이 시스템과 그것이 작용하는 세포내 이펙터 단백질은 전문화된 세포의 종류마다 다르기 때문에, 다른 종류의 세포들이 같은 신호에 서로 다른 방식으로 반응한다. 예를 들어 심장 박동 조절기 세포가 신경전달물질인 아세틸콜린에 노출되면 세포 자극이 감소한다. 침샘의 경우 같은 신호에 노출되면 두 세포 유형 모두 수용체가 같지만 침의 성분을 분비한다. 결과 물이 달라지는 것이다. 또 하나의 예로 골격근에서 아세틸콜린은 다른 수용체 단백질과 결합하여 세포가 수축하게 한다. 따라서 세포외 신호분자만으로는 메시지가 아니다. 신호가 전달하는 정보는 표적 셀이 신호를 어떻게 수신하고 해석하느냐에 따라 달라진다.

전형적인 세포는 많은 종류의 수용체를 가지고 있다. 각 수용체는 각각 10개의 수용체를 가지고 있다.
수십만 부까지 이러한 다양성은 세포가 동시에 많은 다른 세포외 신호에 민감하게 만들고, 다른 조합에 사용되는 신호 분자의 비교적 적은 수가 세포의 행동을 미묘하고 복잡한 통제력을 발휘하도록 한다.

세포 응답의 이러한 "맞춤화"는 부분적으로 다른 신호에 의해 활성화된 세포내 릴레이 시스템이 상호 작용하기 때문에 발생한다. 따라서 한 신호의 존재는 종종 다른 신호의 효과의 변형을 야기한다. 신호의 한 조합은 세포가 생존할 수 있도록 해줄 수 있고, 다른 조합은 세포가 어떤 전문화된 방식으로 차별화되도록 할 수 있으며, 또 다른 조합은 세포가 분열하게 할 수 있다. 그 어떤 신호가 없는 경우 대부분의 동물 세포 자살하도록 프로그램되어 있다.

세포가 세포 밖의 신호에 반응하는 데 걸리는 시간의 경우는 메시지가 수신되면 어떤 일이 일어나야 하는지에 따라 크게 다르다. 일부 세포외 신호는 빠르게 작용한다. 아세틸콜린이 골격근세포를 자극하여 밀리초 이내에 수축하고 침샘 세포를 1분 정도 내에 분비하도록 한다. 이러한 빠른 반응은 각각의 경우에 신호가 표적 세포 안에 이미 존재하는 단백질들의 활동에 영향을 미치기 때문에 행군 명령을 기다리기 때문에 가능하다.

다른 응답은 시간이 더 걸리기도 한다. 적절한 신호 분자에 의해 유발될 때 세포 성장과 세포 분열의 경우는 실행하는데 많은 시간이 걸릴 수 있다. 이러한 세포외 신호에 대한 반응은 유전자 발현과 새로운 단백질의 생성을 필요로 하기 때문이다.

 

세포내 수용체 단백질에 의존하는 신호 분자의 중요한 범주 중 하나는 코티솔, 에스트라디올, 테스토스테론을 포함한 스테로이드 호르몬과 티록신과 같은 갑상선 호르몬이다. 이러한 모든 소수성 분자는 표적 세포의 원형질막(plamsa membrane)을 통과하여 세포질이나 핵에 위치한 수용체 단백질에 결합한다.

인지질 이중층으로 이루어져 있기 때문에 소수성 분자들은 쉽게 통과할 수 있다. 하지만 펩티드계 호르몬과 같은 친수성 분자들은 통과할 수 없으므로 수용체가 세포 바깥에 존재하게 되는 것이다.

 

세포성 수용체와 핵 수용체 모두를 핵 수용체라고 하는데, 호르몬 결합에 의해 활성화되면 핵에서 전사 조절기 역할을 하기 때문이다. 비임계 세포에서 핵 수용체는 일반적으로 비활성 형태로 존재한다. 호르몬이 결합하면 수용체는 단백질을 활성화시키는 변화를 일으켜 특정 표적 유전자의 전사를 촉진하거나 억제할 수 있게 된다. 각 호르몬은 다른 핵 수용체에 결합되고, 각 수용체는 DNA의 단백질을 합성하는 등 조절 작용한다. 게다가 주어진 호르몬은 보통 서로 다른 세포 형태의 다른 유전자 집합을 조절하여 다른 대상 세포에서 서로 다른 생리적 반응을 불러일으킨다.

모든 세포 표면 수용체 단백질은 세포외 신호 분자에 결합하여 그 메시지를 세포내 신호 분자로 전달하여 세포의 행동을 변화시킨다. 이러한 수용체 대부분은 세 가지 큰 종류 중 하나에 속하는데, 이 세 가지 종류는 그들이 사용하는 전달 메커니즘이 다르다.

1. 이온 채널 결합 수용기는 원형질막의 투과성을 선택한 이온으로 변화시켜 막 전위를 변화시키고, 조건이 맞으면 전류를 생성한다.
2. G단백질 결합 수용체는 막 결합, GTP 결합 단백질(G 단백질)을 활성화하고, 그 다음 플라즈마 막의 효소나 이온 채널을 활성화(또는 억제)하여 세포내 신호 전달을 단계별로 개시한다.
3. 효소 결합 수용체는 효소로서 작용하거나 세포 내부의 효소와 연관된다. 자극을 받으면, 효소는 세포내 신호 경로를 다양하게 활성화시킬 수 있다.

 

참고: BIO/Alberts, Essential Cell Biology 4th edition