세포이동

세포가 외부의 신호에 반응하여 이동하는 것을 말한다. 세포 이동은 다세포 생물의 발생 과정과 면역 과정에서도 매우 중요한 역할을 한다. 또한 세포 이동이 정상적으로 이루어지지 않으면 선천성 장애, 혈관 질환, 면역 질환, 종양 등의 병인이 된다. 세포의 이동에는 원핵 세포나 정자의 경우와 같이 섬모나 편모를 통해서 이루어지는 이동이 있다. 진핵 세포의 표면은 점도가 매우 높기 때문에 세포의 이동은 에너지를 능동적으로 사용하는 정교한 과정을 통해서 이루어진다. 따라서 진핵세포의 이동은 여러 가지 조절 인자를 역동적으로 동원하여 이루어진다. 특히 이러한 과정은 세포골격에 의해 유도되는 세포 형태의 급격한 변화를 포함한다. 세포의 이동에 관한 분자적 기전은 기어가기 (crawling) 형태로 일어나는 세포 이동에서 많은 연구가 되었기 때문에 세포의 기어가기 모델을 중심으로 세포이동을 설명하고, 섬모와 편모에 의한 세포의 이동은 논의하지 않기로 한다 (그림 1).

그림 1. 움직이는 세포. 움직이는 방향에 선두자리, 그 반대 방향에 추종 자리가 형성되어 세포를 끌어당기는 역할을 한다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

목차

세포이동에 관한 과정을 설명하는 두 가지 모델이 있다. 하나는 세포골격 모델이고 다른 하나는 세포막 모델이다.

세포가 이동하는 방향의 세포막의 세포질에서 액틴의 중합화가 왕성하게 진행되어 길이가 길어지고 액틴 필라멘트의 가지가 여러 개로 증가한다. 이러한 역동적인 구조를 창출하는 액틴 필라멘트가 세포 이동 방향의 세포막에 밀어냄으로써 세포를 이동 방향으로 움직이는 동력을 제공한다는 모델이다. 액틴 필라멘트의 끝은 세포막과 광범위하면서도 긴밀한 상호작용을 통해서 세포막의 특정한 부위에서 세포 이동을 추진한다(그림 1). 액틴 필라멘트의 조립을 추진하는 중요한 세 가지 기전은 신속한 중합화, 가치치기, 그리고 캐핑(capping) 과정이다. 액틴 필라멘트의 (+) 말단에 G-액틴을 효율적 연결해주는 프로필린 (profilin), 액틴 필라멘트의 가닥의 수를 증가시키는 Arp2/3, 그리고 중합화를 마친 액틴 필라멘트의 (+) 말단을 세포막에 고정시켜 안정화시키는 캐핑 단백질 등이 관여한다. 이와는 상반된 거동을 보이는 세포골격은 미세소관이다. 선두 자리의 세포질에 있는 미세소관의 조립과 해체는 액틴 필라멘트와 같이 역동적으로 일어나지 않는 것으로 보아 미세소관은 선두자리의 이동을 도모하는 역할을 크게 하지 않는 것으로 보인다. 

세포 이동이 진행되는 방향의 반대 지점을 ‘추종 자리’라고 부른다(그림 1). 미세소관은 세포 골격을 구성하면서 세포의 구조를 지지하는 역할을 한다. 추종 자리 근처에 있는 세포질에서 미세소관의 구조에 역동적인 변화가 일어나는데 이는 세포막이 수축하는 과정을 돕는 효과를 가져 오는 것으로 추측된다. 이러한 환경에서 왕성하게 진행되는 액틴 필라멘트의 해체가 추종 자리 세포막을 진행 방향으로 이동하는 동력으로 사용된다. 이러한 해체 과정은 액틴 필라멘트와 결합하는 단백질의 작용에 의해 매우 빠르게 일어난다. 코피린 (cofilin) 단백질은 액틴 필라멘트 중앙 지점과 결합하여 절단하는데, 이는 액틴 필라멘트의 (-) 말단에서 G-액틴 단위로 해체되는 것보다 액틴 필라멘트를 짧게 만들 수 있는 매우 효과적인 방법이다. 코피린은 액틴 필라멘트 (-) 말단에서 해체되어 나온 G-액틴과 결합하여 액틴 필라멘트 (+) 말단에 첨가되는 것을 방지함으로써 액틴 필라멘트의 해체를 돕는다. 

이동하는 세포의 선두자리 세포막은 매우 유동적인데, 이는 세포내도입에서 재활용되는 원형질막이 선두자리 세포막으로 되돌아오기 때문인 것으로 추측된다. 세포막 유동 모델은 이러한 관측에 근거하여 제시되었다. 선두 자리에서 왕성하게 진행되는 액틴 필라멘트의 조립은 첨부된 원형질막을 안정시키고 돌출 구조를 만드는 역할을 한다. 선두자리 세포막을 세포외피에 고정하는데 필요한 세포막 단백질 인테그린은 추종 자리 세포막에 있는 인테그린을 세포내도입으로 들여와서 세포외배출 과정을 거쳐 선두자리 세포막에 공급하는 것으로 추측된다.

방향성을 가지고 이동하는 세포는 극성을 가지고 있다. 이러한 세포의 극성이 없으면 세포는 모든 방향으로 이동하려 할 것이다. 따라서 이동 중인 세포가 갖는 구조적인 극성을 야기하는 분자적 기전은 매우 중요하다. 이에 관한 분자적 기전에 관한 연구는 주화성을 갖는 세포에서 많이 이루어졌다. 선두 자리의 세포질에는 지질인산 PIP3, 활성화된 Rac와 CDC42가 급증하는 반면 추종 자리의 세포질에는 Rho GTP 분해효소와 PTEN이 급증하였다. 그러나 이러한 신호 전달 경로에 관여하는 분자들이 액틴 필라멘트와 미세소관의 역동적인 조립과 해체를 유도하는 과정에 대한 연구는 현재 진행 중이다. 

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The Cell; A molecular Approach (Cooper & Hausman, 7판, Sinauer), Lewin's CELLS (Cassimeris, 3판, Jones and Bartlett), 필수세포생물학 (Alberts, 5판, 교보문고)