성장인자

성장인자란 세포분열을 촉진하여 세포의 수를 증가시키고 대사를 촉진하여 크기를 증가시키는, 그럼으로써 세포의 분화와 세포의 생존을 돕는 단백질의 총칭이다. 세포의 종류가 다양하듯이 다양한 성장인자가 존재하며, 각각 특이적인 수용체를 통하여 그 효과를 나타낸다. 시상하부에서 오는 명령에 따라 뇌하수체 전엽 내분비샘(endocrine)을 통하여 혈액으로 방출되는 단백질 성장호르몬이 있으나, 여기서는 세포에서 국소적으로 분비되는, 즉 주변분비(paracrine) 혹은 자가분비(autocrine) 모드로 생산되는 성장인자에 한정한다. 면역계 및 사이토카인(cytokine)이라 하는 다양한 단백질, 예를 들면 인터루킨(interleukin, IL)-2 및 IL-4 등도 면역계 및 그의 주변세포의 성장과 분열을 촉진하는 성장인자이다. 하지만, 범위를 좁혀 타이로신 인산화효소 수용체(receptor tyrosine kinase, RTK) 계열을 자극하는 국소적 성장인자에 국한하여 설명한다.

목차

세포는 필수 영양분이 배양액에서 결핍되어 있으면 분열하지 못한다. 모든 배양 조건이 다 갖추어져 있는 경우에도 대부분의 포유류 동물세포는 특정한 성장인자가 주어지지 않으면 분열하지 못하고 성장정지(growth arrest) 상태에 있다. 이러한 성장 정지상태를 풀어 세포분열이 일어나도록 하는 것이 성장인자이다. 예를 들면 혈소판 유래 성장인자(platelet-derived growth factor, PDGF)는 성장이 정지된 G₀상태의 섬유아세포를 자극해 G₁ 상태로 들어가게 하는 신호전달 경로를 활성화하여 세포분열을 촉진한다. 또한 성장인자는 세포주기 G₁에서 S기로 들어가게 하는 신호전달경로를 활성화시키기도 하며, G₂ 상태에서 유사 분열기(mitotic phase)로 진입하게 하는 등 다양한 신호를 활성화시켜 세포분열을 촉진한다. 한편 성장인자는 특정 G₁ 혹은 G₂ 상태에 있는 세포에서 대사를 촉진하고, 라이보솜의 수를 증가시키는 신호전달경로를 활성화하여 세포의 단백질 합성능력을 향상시킨다. 이러한 신호과정은 세포의 내부 용량을 증가시켜 크기를 늘리며 또 특별한 기능을 나타내는 세포로 분화하는데 중요하다. 한편, 성장인자는 유전자 손상이나 세포사멸 신호가 접수되었을 때 이에 대항하는 신호를 활성화하여 세포의 생존을 도모한다.

성장인자의 신호를 매개하는 세포막 수용체 RTK는 자신의 수용체 세포질 내 도메인에 있는 타이로신 아미노산에 인산기를 전달하는 타이로신 인산화효소로서 기능한다. 수용체는 이중합체를 이루고 있기에 서로 상대편 수용체 타이로신기에 인산기를 붙여준다(교차 인산화, cross-phosphorylation). 따라서 리간드인 성장인자가 이들 두 수용체에 결합하면서 서로 가까이 모이게 하는 것이다. 중요한 부분은 하나의 RTK는 어떤 경우는 10가지 이상의 서로 다른 신호전달경로(signal transduction pathways)를 활성화할 수 있다는 점이다. 성장인자는 한번에 하나 이상의 신호경로를 활성화시킬 수 있어 세포의 분열과 성장 그리고 분화 등 세포의 위치나 발생 타이밍에 따라 적절한 기능을 발휘하게 끔 여러 측면을 조절할 수 있게 한다. 즉, 성장인자 하나가 세포를 증식시키기도 하며, 특정 기능을 가지도록 분화시키기도 하고, 또 주변 악조건에서도 생존할 수 있게 하는 등 각 세포가 처한 상태에 따라 다양한 활성을 나타낼 수 있다. 그 이유가 바로 성장인자 수용체 세포질 내 도메인에 다수의 타이로신이 있으며 이들 인산화 조합에 따라 각기 다른 신호경로가 활성화되기 때문이다(그림 1).

그림 1. 성장인자와 그의 대표적 RTK 수용체 활성화 모드 (출처: 한국분자·세포생물학회)

신경 세포의 성장과 생존에 관여하는 신경성장인자(nerve growth factor, NGF)가 1960년대 초에 발견된 이후 많은 신체 기관에서 다양한 성장인자들을 발견되어 현재 50여종에 이른다. 이들 중에는 상피세포의 성장을 도모하는 상피성장인자(epithermal growth factor, EGF); 뇌하수체에서 생성되는 성장호르몬에 자극되어 주로 간세포에서 분비되는 인슐린 유사 성장인자(insulin-like growth factor, IGF-1, 2); 적혈구의 형성과 분화를 촉진하는 성장인자(erythropoietin, EPO); 태아 발생시 혈관을 만들고, 손상이 생긴 혈관을 대체할 새로운 혈관을 혈관표피성장인자(vesicular endothelial growth factor, VEGF); 신경세포의 성장을 촉진하며 배아 발생과정 감각기관 발달에 지극히 중요한 섬유아세포 성장인자(fibroblast growth factor, FGF); 신경세포의 발생, 분화 및 시냅스 기능조절에 관여하는 뇌 유래 신경영양인자(brain-derived neurotrophic factor, BDNF); 상처 치유단계에서 상처를 덮는 상피를 형성하게 하는 각질세포 성장인자(keratinocyte growth factor, KGF); 도움 T세포 등 여러 면역계 세포의 상장을 촉진하는 IL-2; 그밖에 조혈 작용에 관여하는 다양한 콜로니 형성 자극인자들(colony-stimulatory factors)이 있다.

내분비샘(endocrine), 주변분비(paracrine), 자가분비(autocrine), 타이로신 인산화효소 수용체(receptor tyrosine kinase, RTK), 성장 정지(growth arrest), 혈소판 유래 성장인자(platelet-derived growth factor, PDGF), 유사 분열기(mitotic phase), 교차 인산화(cross-phosphorylation), 상피성장인자(epithermal growth factor, EGF), 인슐린 유사 성장인자(insulin-like growth factor, IGF-1, 2)

캠벨. 생명과학(10 판). 전상학 역. 바이오사이언스