신호전달

우리의 몸은 주변 환경에 따라서 반응한다. 예를 들어서 더우면 옷을 벗고, 추우면 두꺼운 옷을 입거나 운동을 해서 체온을 높이게 된다. 마찬가지로 세포도 항상성을 유지하기 위해서 주변의 환경에 반응을 하게 된다. 성장인자와 같은 리간드, 온도, 영양소 상태 등의 정보를 받아들인 후, 통합해서 어떤 반응을 하게 된다. 이러한 외부의 환경 정보를 받아들인 후, 특정한 반응이 나오는 과정을 신호전달이라고 한다. 즉 세포의 신호전달은 사람 몸의 신경망과 유사하다고 할 수 있다. 세포의 신호전달 경로(signal transduction pathway)는 신경망하고 비교되는 데, 이 경로는 매우 복잡하고, 신호전달 물질들 간에 복잡하게 얽혀있다.  

목차

세포 신호전달의 기능은 간단하게 설명하면 신경망처럼 외부의 정보를 인식하고 다른 곳으로 전파하는 것이다. 특히, 신경망에서 신호가 한 방향으로 이동하는 것처럼 세포 신호전달에서도 한 방향으로 신호전달이 이루어 진다.

세포의 항상성을 유지하기 위해서 세포 신호전달은 외부의 정보를 받아들여서 특정한 반응으로 전환한다(그림 1). 세포의 신호전달의 예를 들으면, 세포가 성장인자와 같은 리간드를 받아들인 후, 여러 신호전달 체계를 거쳐서 세포 성장과 같은 반응이 나타나는 것이다. 이때, 대부분의 신호는 세포 밖에서 나오게 되고, 몇 가지 신호전달 경로를 거쳐서 세포 내부에서 반응이 나타나게 된다. 

그림 1. 세포 신호전달의 기능. 외부 리간드를 수용체가 받아들이면, 신호전달 물질을 거쳐서 작동체에 작용해서 반응을 하게 된다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

세포 신호전달을 구성하는 다양한 분자들이 있는데, 이들을 세포 신호전달 경로에서 하는 역할에 따라서 여러 그룹으로 분류할 수 있다.

1) 신호 물질 (signal molecule) - 한 세포에 다른 세포로 신호를 전달하는 물질로, 단백질, 아미노산, 지질, 당, 핵산 등이 이런 역할을 한다.

2) 수용체 (receptor) - 수용체는 주로 단백질로 구성이 되어서 신호를 인식하는 역할을 한다. 수용체가 신호를 인식하게 되면, 세포 내부로 정보를 보내게 된다. 어떤 경우에는 수용체 자체가 반응에 직접적으로 관여하기도 하지만, 대부분은 신호를 하위 주자인 신호 단백질(signaling protein)에 전해주게 된다.

3) 신호 단백질 (signaling protein) - 세포 신호전달에서 신호 단백질은 신호를 받아서 다른 신호 단백질에 넘겨주게 된다. 이 과정은 이어달리기와 유사하다고 할 수 있다.

4) 2차 전달자 (second messenger) - 세포 신호전달 과정에 관여하는 물질로 신호 단백질과 다른 점은 단백질이 아니라는 점이다.

5) 작동체 (effector) - 신호에 대해서 반응을 하는 물질로, 모든 신호에는 적어도 하나 이상의 작동체를 가지고 있다.  

세포 신호전달이 전달되는 방식은 다양하게 존재한다. 신호를 수용체가 받아서 작동체까지 전달하는 방식은 크게 4가지로 나뉠 수 있다(그림 2).

1) 순차적, 평행한 방식 - 수용체가 신호를 인지하여 각각 하나의 수용체를 활성화시키는 방식

2) 한점으로 모이는 방식 - 여러 수용체가 받아들인 신호가 한점으로 모이게 되는 방식

3) 갈라지는 방식 - 한 수용체가 받아들인 신호가 여러 신호전달 단백질로 신호가 갈라져서 전달되는 방식

4) 여러 방향으로 가지치는 방식 - 각 수용체와 여러 신호전달 단백질 간에 복잡하게 연결된 방식  

그림 2. 세포 신호전달의 방식 (출처: 한국분자·세포생물학회)

세포 신호전달은 리간드 혹은 신호 물질로부터 시작한다. 신호 물질은 수용체와 결합하고 신호전달을 시작하게 된다. 신호 물질은 다음과 같이 분류한다.

1) 막을 관통하지 못하는 신호 물질: 세포의 막에 위치하는 수용체와 결합한다. 단백질, 펩티드, 아미노산, 프로테오글리칸 등이 여기에 속한다.

2) 막을 관통하는 신호 물질: 세포 내부의 수용체와 결합한다. 지질이나 기체류가 여기에 속한다.

3) 물리적 신호: 물리적 신호는 수용체와 결합하여 화학적 신호로 바뀌게 된다. 압력, 온도, 빛 등이 여기에 속한다. 

세포 신호전달 중간에 사용되는 물질로 단백질이 아닌 것을 2차 전달자라고 하는 데, 2차 전달자로 사용되는 물질은 다음과 같다.

- 칼슘 이온 (Calcium ion)

- 고리형 핵산 - cAMP, cGMP

- 혐기성 분자 (hydrophobic molecule) - 지질 분자들 (lipid molecules)

- 기체류- 산화 질소 (nitric oxide) 등

신호 물질 (signal molecule), 수용체 (receptor), 신호 단백질 (signaling protein), 2차 전달자 (second messenger), 작동체 (effector)

Bruce Alberts et al (2014) Molecular Biology of The Cell

George Plopper (2011) Principles of Cell Biology