수축환

수축환이란 세포 분열에서 하나의 세포를 두 개로 나누는 기계적인 힘을 가하기 위하여 단 몇 분간 일시적으로 생겨나는 세포내 구조이다 (그림 1). 주로 동물세포에서 나타나지만, 분열 효모 (fission yeast), 점균 (slime mold)에서도 찾아볼 수 있다. 세포질분열 (Cytokinesis)이 진행되는 동안, 세포막 바로 밑 내벽 표면인 세포피층 (Cell cortex)에 형성된 둥근 고리 모양이 수축을 시작하여 그 직경을 줄여가는 방법으로 세포를 분할한다. 수축환은 액틴필라멘트 (filamentous actin; F-actin)로 이루어지는데 이를 수축하는 힘을 제공하는 미오신-2 단백질이 다른 여러 가지 구조조절 단백질들과 함께 연계되어 있다. 따라서, 수축환의 수축 작용은 근육에서 볼 수 있는 액틴-미오신 작용과 같이 ATP를 분해하여 에너지를 얻어 세포모양을 움직여 바꾸는면에서 일맥상통한다. 

그림 1. 세포질분열 (cytokinesis)과 수축환 (contractile ring). 세포분열 말기(telophase)에 일어나는 세포질분열은 수축환의 형성과 수축에 의해서 이루어진다. By Kelvinsong (Own work) CC BY 3.0 ( http://creativecommons.org/licenses/by/3.0 ), via Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ATelophase.svg

목차

수축환의 형성은 분열구 (Cleavage furrow)가 적절히 포진하여 염색체와 다른 세포기관들이 두 딸세포에 적당히 나누어 지도록 공간적으로나 시간적으로나 정확히 이루어져야 한다. 수축환의 형성이 저해될 경우 조직과 장기의 발생에 문제가 생겨서 선천성 질환과 종양 발생 등이 일어날 수 있다.

수축환은 염색체들이 방추사에 이끌려 두 딸세포로 움직여 나가는 선상에서 정확히 직각 방향의 세포막 안쪽 표면에 적도처럼 형성되어 양 세포로 분리되어 나뉘어진 염색체들을 사이의 세포질을 허리가 잘록한 호리병과 같은 분열구를 만들며 반으로 나누게 된다. (단 수 분만에 일어나는 역동적 이벤트는 비교적 간단한 광학현미경으로도 관찰할 수 있다.) 따라서, 수축환의 형성에 미세소관 (Microtubule)로 이루어진 방추사가 긴밀한 역할을 하는 것으로 보인다.

수축환 형성을 조절하는 분자기구 중 핵심적 역할을 하는 것은 Rho라고 불리우는 작은 GTP분해효소 단백질 (Small GTPase proteins)이다. 분열하는 세포의 중앙에 위치한 방추사 미세소관 (Central spindle microtubule)에 많이 모여있는 Rho 조절자들 (가장 잘 알려진 것은 centralspindin complex이다.)이 근처 세포피층에 위치한 Rho에 신호를 보내어 활성화 시킨다. 활성 Rho 단백질은 가지를 치지 않은 형태의 액틴필라멘트를 다량으로 만들게 하고, 미오신2를 활성화 시킨다.

가장 잘 알려진 Rho 조절자는 센트랄스핀딘결합체 (centralspindin complex)인데 키네신-6 (kinesin-6) 단백질의 한 종류인 MKLP-1, GTP분해효소활성 단백질 (GAP: GTPase-activation protein) MgcRacGAP으로 이루어져 있다. 센트랄스핀딘은 구아닌핵산교환인자 (guanine nucleotide exchange factor: GEF)인 Ect2와 상호작용한다. 키네신은 미세소관의 양극 (plus-end)방향으로 움직여 가는 모터단백질이기 때문에 센트랄스핀딘은 염색체와 방추사 미세소관의 양극이 맞닿아 있는 세포 중앙에 모이게 되어 근처 세포피층에 있는 Rho 단백질을 GAP과 GEF의 순환적 작용으로 활성하게 된다.

활성된 Rho는 포민 (Diaphanous-related formins) 단백질을 활성시켜 가지를 치지않은 액틴필라멘트를 만들게 한다. (액틴필라멘트가 가지를 치는 경우는 세포 모양을 평평하게 만드는 효과가 있어서 세포를 움직여 나가게 하는데 중요한 역할을 하는데, 그 가지에 위치하는 단백질 복합체는 Arp2/3이다. 상상을 조금 보태보면, 가지친 액틴필라멘트는 세포를 호리병 모양으로 만드는 수축체를 형성하는데는 방해가 된다. 현명한 세포는 위에 언급한 MgcRacGAP로 하여금 Rac을 비활성화시켜 Arp2/3에 액틴필라멘트가 자라지 못하도록 한다.) 액틴단일체에 붙어서 액틴필라멘트에 연결해 길이를 늘려 주는 프로필린 (profilin)단백질도 중요한 역할은 한다. Rho는 ROCK 인산화효소를 활성시켜 미오신의 가벼운 사슬 (myosin light chain)을 인산화 시켜 미오신2 활성을 촉진시킨다. 또한, 수축환에는 스캐폴딩 단백질의 하나인 아닐린 (anillin) 단백질이 있어서 액틴, 미오신, Rho 등과 결합하여 중앙방추사에서 오는 신호와 연결해 주는 역할을 한다. 세포질분열에 필요한 구조를 설립하는 데 스캐폴드 역할을 하는 셉틴 (septin)단백질 역시 수축환에 정렬되어 있다. 

세포분열 (cell division), 세포질분열 (cytokinesis), 액틴, 미오신, 방추사 (spindle), 미세소관 (microtubule), 세포피층 (Cell cortex), 구아닌핵산교환인자 (guanine nucleotide exchange factor: GEF)

생명과학 (Brooker 저, 3판, 홍릉과학출판사), 분자생물학 (Weaver 저, 5판, 라이프사이언스)

Ann L. Miller, The contractile ring, Curr Biol. 2011 Dec 20; 21(24): R976–R978. doi: 10.1016/j.cub.2011.10.044