세포내도입

세포내도입 (endocytosis)은 외부 물질을 세포 안으로 들어오게 하는 과정임.

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세포내도입 (endocytosis)은 '안쪽으로'라는 뜻의 endo와 세포작용이라는 cytosis가 결합한 말이다. 외부 물질을 세포 안으로 들어오게 한다는 뜻이다. 반대말은 세포외유출 (exocytosis)이다. 이 말은 리소좀을 발견하여 노벨의학상을 수상한 벨기에의 Christian De Duve에 의해 처음 사용되었다. 

세포는 기본적으로 원형질 막에 의하여 물질 이동이 차단된다. 세포가 생존하기 위하여 외부로부터 필요한 물질을 도입하고 불필요한 물질를 외부로 유출하기 위한 특별한 세포 기구 및 작용이 필요하다. 세포내도입 (endocytosis)은 이런 이유로 존재하는 기전이며, 다음과 같이 4종류로 분류할 수 있다 (그림 1) (1, 2). 

그림 1. 세포내도입의 종류. 세포내도입에는 위의 3가지가 대표적이며 분류에 따라 거대음세포작용이 추가되기도 한다 (출처, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Endocytosis). 

이는 세포내도입되는 단백질이 원형질막에 존재하는 수용체와 결합하고 이것이 클래스린-코팅 함몰 (clathrin-coated pit)을 형성함으로써 일어난다. 대표적 예로서 저밀도 리포단백질 수용체 (LDL receptor), 표피성장 인자 (epidermal growth factor, EGF) 수용체 등이 있으며 이들이 수용체에 결합한 후 어댑터 (adaptor)와 clathrin과 결합하여 원형질막에서 분리되어 엔도솜으로 진행한다. 어댑터로는 AP1 (adaptor protein 1), AP2, GGA 등 25종 이상이 알려져 있으며 각각 특이적 기능을 수행한다 (그림 1, 2). 

그림 2. 클래스린에 의한 수용체 매개 세포내도입. 수용체에 도입 물질이 결합하면 AP-2 등의 어댑터와 클래스린에 의해 클래스린-코팅 함몰이 형성되고 세포내도입이 일어나며 도입 후 코팅이 제거되고 초기 엔도솜으로 진행된다 (출처, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Receptor-mediated_endocytosis).

원형질막 일부가 변형되면서 함몰되어 그 안에 포획된 물질, 특히 액형 성분 (liquid substance)을 비특이적으로 세포 안으로 이입시키는 과정이다. caveola이라고 불리는 콜레스테롤이 풍부한 지질 뗏목 (lipid raft)이라는 microdomain에서 음세포작용이 시작될 수도 있다. 이때 clathrin의 경우와는 달리 단백질이 아닌 지질 간의 상호작용을 통해 일어나며 이때 caveola에는 caveolin이라는 단백질이 있어 지질 뗏목을 안정화하는 역할을 한다. Caveolin이 없는 원형질막에서도 음세포작용이 시작될 수 있다. 분류에 따라 수용체 매개 세포내도입을 음세포작용에 포함하는 경우도 있다.  

이는 주름이 매우 풍부한 원형질막에서 세포 안으로 0.5 ~ 5 μm의 비교적 큰 함몰이 생겨 다량의 물과 기타 물질들을 세포 안으로 이입하게 되는 과정이다. 이는 다음의 식세포작용 (phagocytosis)와는 달리 리간드-수용체 상호 작용과 관계없이 일어나는 비특이적 과정이며 세포 내에 전반적인 액틴 중합화 (actin polymerization)가 일어나 거대음세포솜 (macropinosome)을 형성하여 물질 이입이 발생한다. 

이는 탐식 대상 물질이 식세포 (phagocyte) 표면의 Fc 수용체, 보체 수용체 등 수용체와 작용하여 세포내 신호 전달 과정을 거쳐 능동적으로 일어나며 주로 750 nM 이상의 고형 성분 (solid substance)을 도입하는데 작용한다. 액틴 중합화와 세포내 포스파티딜이노시톨의 변화가 동반되며, 식세포작용 때문에 대식세포, 중성구 등에 의한 균을 탐식하게 되어 생체를 외부 균으로부터 방어하는 작용을 한다. 기타 세포자연사에서 발생하는 세포잔해물을 처리하는 것도 식세포작용 때문에 이루어진다. 거의 모든 세포에서 일어나는 음세포작용 (pinocytosis)과 달리 식세포작용은 전문적인 식세포 (phagocyte)에 의해 수행된다. 식세포에는 대식세포 (macrophage), 중성구 (neutrophil) 등이 있으며, 주로 외부에서 침입하는 균을 탐식하게 되어 균으로부터의 감염 방지, 퇴치에 일차적 역할을 한다. 이러한 과정은 선천 면역 (innate immunity)의 가장 중요한 부분으로서 나중에 작용하게 되는 좀 더 정교한 후성 면역 (adaptive immunity)과 달리 면역계의 최일선 방어 (first-line defense)에 해당한다. 식세포작용을 규명하여 1908년 노벨 의학-생리학상을 받은 Ilya Metchnikoff는 식세포작용을 하는 세포를 대식세포 즉 macrophage와 소식세포 (microphage)로 분류한 바가 있는데 microphage가 현재의 분류상 중성구 (neurophil) 또는 다핵성 백혈구 (polymorphonuclear leukocyte)에 해당한다.    

음세포작용 (Pinocytosis), 거대음세포작용 (Macropinocytosis), 식세포작용 (phagocytosis).   

1)   Mukherjee S, Ghosh RN, Maxfield FR. Endocytosis. Physiol Rev 77(3):759-803, 1997

2)   Alberts B et al. Molecular Biology of the Cells. 6^th edition. Garland Science 2015. p695-703.