휴지기

세포는 세포분열을 통하여 자신과 유전적으로 동일한 두 개의 딸세포를 만든다. 이를 위해서 모세포는 자신의 DNA를 복제하여 응축시켜 만든 염색체와 세포질을 두 개의 딸세포로 균등하게 분배한다. 이 과정은 정교한 단계를 거쳐서 진행되어 이를 ‘세포 주기’라고 부른다. 체세포에서 일어나는 세포 주기는 크게 간기 (Interphase)와 유사분열 (Mitosis: M)로 나뉜다, 간기는 세포의 성장을 주도하는 한편 DNA를 복제하여 유사분열을 준비하는 기간이기 때문에 대부분의 세포는 가장 많은 시간을 간기에서 보낸다. 세포 주기를 조절하는 기전이 상세하게 밝혀지면서 간기는 G₁ (Gap 1), S (Synthesis), G₂ (Gap 2)와 같이 세 단계로 세분화되었다 (그림 1). 세포 주기의 각 단계가 종결되는 지점에서 진행 결과를 점검하여 세포 주기의 완성도를 높이는 세포 주기 확인지점(cell cycle checkpoint)이 있다. 만약 각 단계의 이 지점에서 발견된 기능적 오류가 심각한 수준이면 세포 주기는 다음 단계로 진입할 수 없게 된다.

(그림 1) 간기; 간기(I), 유사분열 또는 감수분열기(M), 휴지기(G0), Gap1(G1), DNA 복제(S), Gap2(G2). ( http://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page )

목차

G₁ 단계는 S기의 DNA 합성에 필요한 mRNA와 단백질을 합성하는 동시에 세포의 성장을 이루는 시기이다. G₁은 대부분의 포유동물 체세포에서 세포주기 기간의 1/3을 차지하지만, 세포분열이 왕성하게 일어나는 초기 배아에서 G₁ 단계는 거의 존재하지 않는다. 그러나 G₁ 단계는 세포 주기를 계속할지 아니면 세포주기를 벗어날지를 결정하기 때문에 세포주기에서 가장 중요하다. 세포가 S 단계로 진입하지 않은 채 정지하는 신호를 보내면 세포주기는 G₁ 단계를 벗어나 G₀ 단계라는 휴면 상태로 이동한다.

세포주기를 조절하는 인자들은 세포 주기를 따라서 정교하게 발현되고 해체됨으로써 진행된다. Cdk는 G₁ 단계가 정확한 시점에서 시작되게끔 조절하는 인산화효소이다. Cdk가 인산화시키는 일련의 표적 단백질들이 G₁ 시기에 일어나는 세포의 성장과 DNA의 복제, 그리고 S기를 준비하는데 필요한 일들을 담당한다. G₁ 단계가 시작되면, Cdk 억제인자가 서서히 활성화되어 축적되면서 G₁ 단계가 예정된 시점에서 종결된다.

G₁/S 체크포인트는 G₁ 단계와 S 단계 사이에 진행되며 세포 주기를 조절하는 중요한 시기이다. G₁/S 체크포인트는 G₁ 단계에서 이루어져야하는 세포의 성장, DNA 복제, 손상된 DNA의 회복, 그리고 S 시기에 필요한 mRNA와 단백질의 합성 등이 잘 이루어졌는지 확인하는 단계이다. 확인한 요건들이 불충분한 경우에 세포 주기는 G₀ 단계로 진행된다.

G₀는 세포가 세포 주기를 빠져 나가서 세포의 분열을 멈추는 휴지 단계이다. 따라서 세포 주기가 다시 시작되는 시점이기도 하다. 다세포 진핵 생물에서 분열하지 않는 세포들은 일반적으로 G₁에서 G₀로 진입하여 오랜 시간 동안 세포분열이 정지(senescence)된 상태에 있다. 뉴런과 같이 최종적으로 분화된 세포가 좋은 예이다. 대부분의 세포는 G₀에 있지 않고 세포주기를 통해 규칙적인 세포분열을 한다. 그러나 세포가 자외선과 같은 외부 환경 요인에 의해 심각한 수준의 DNA 상해를 입는 경우, 세포는 세포 주기의 진행을 G₁에서 중지시킨 후 G₀에 진입한다. 그러나 상해 수준이 세포가 회복하거나 관리할 수 있는 수준을 넘는 경우에 세포는 세포예정사를 선택하여 세포를 제거한다. 

G1에서 S 단계로 진입은 앞에서 설명한 바 있는 CdK 그리고 사이클린 단백질에 의해서 조절된다. 예를 들어 G₁/S 사이클린이 활성화시킨 CLN3-Cdk1가 Cln1/2를 활성화시켜 S 단계를 시작한다. S 단계가 수행하는 중요한 기능은 DNA 합성과 DNA 회복이다. DNA 복제와 회복이 진행되는 동안에 유전자의 전사와 단백질 합성의 속도가 매우 낮은 수준으로 진행된다.

DNA 복제는 DNA 중합효소를 비롯한 여러 효소가 관여하여 매우 정교하고도 신속하게 진행된다. DNA 중합효소는 1초 당 약 2,000개의 뉴클레오티드를 DNA로 중합하며, 이 과정에서 100억 개당 2 개의 뉴클레오티드 수준으로 오류가 발생하기 때문에 DNA 복제가 완료되면 수천 개의 뉴클레오티드가 잘못 삽입된 DNA가 형성된다. 이러한 오류는 DNA 회복 효소들에 의해서 교정된다. DNA 회복은 DNA 상해부위를 인식하여 제거한 후에 주형 DNA의 염기서열에 상보적인 염기를 갖는 뉴클레오티드로 대체하는 과정을 통해서 진행된다.

G₂ 단계는 세포의 성장이 매우 빠르게 진행되는 동시에 M 단계를 준비하는 시기이다. 그러나 세포분열이 왕성하게 일어나는 초기 단계의 배아나 암 세포들은 G₂ 단계를 생략하고 M 단계로 진입한다. 세포의 크기를 결정하는 세포의 성장을 조절하는 인자는 Wee1 단백질이다. Cdr1이 Wee1의 활성을 조절하고 활성화된 Wee1는 세포가 M 단계로 진입하는 과정을 억제하는 역할을 한다. G₂ 단계의 후반부에 접어들면 증가하는 사이클린B1/CDK1 복합체가 G₂의 마감하는 역할을 한다. 

G₂/M 체크포인트는 DNA 상해 정도를 확인하여 그 결과에 따라서 세포 주기를 G₂에서 정지시킨다. DNA 상해에서 시작된 신호에 의해서 활성화된 전사 인자 p53가 복잡한 경로를 거쳐서 사이클린B1/CDK1 복합체를 억제함으로써 G₂의 진행을 막는다.

G₀ 단계, G₁ 단계, G₁/S 체크포인트, S 단계, S/G₂ 체크포인트, G₂ 단계, 사이클린, Cdk

Lewin's CELLS (Cassimeris, 3판, Jones and Bartlett), The Cell; A Molecular Approach (Cooper, 7판, Sinauer), 분자생물학 (Weaver, 5판, 라이프사이언스)