휴지

세포 주기(cell cycle)가 진행되지 않고 일시적으로 G0 상태에 있어서 성장하지 않을 때, 휴지(quiescence) 상태에 있다고 한다. 휴지 상태는 G0 상태에 있지만 성장 신호가 왔을 때, 다시 G1 상태로 돌아갈 수 있다는 점에서 신경세포처럼 분화된 세포나 노화(senescence) 상태와 구분이 된다. 

목차

세포주기는 G1-S-G2-M으로 구성되어 있으며, 각 시기를 간단히 설명하면, S기에는 DNA 복제(replication)가 일어나고, M기에서 체세포 분열(mitosis)이 일어난다. 그 사이에 위치한 G1과 G2기에는 세포의 성장이 일어나며 M기후에는 다시 G1기로 넘어가게 된다.

많은 세포들이 G1-S-G2-M기에 속하지 않고, G0기에 속하게 되는데, G0기는 반복되는 세포주기에 속하지 않고, 세포 주기가 멈춰있는 상태이다. 많은 세포들이 영양소 부족 등의 환경적인 이유로 G0기에 멈춰있게 되고, 영양소가 다시 공급되면 G1으로 복귀하기도 한다. G0기에 있는 세포는 여러면에서 G1기에 멈춰져 있는 세포의 상태와 비슷하며, 일시적으로 G0기에 있는 세포를 휴지(quiescence) 상태에 있다고 한다(그림 1).

그림 1. 휴지 상태의 정의 (출처: 한국분자·세포생물학회)

휴지(quiescence) 상태에 있는 세포들은 성장인자 혹은 다른 외부환경에 의해서 다시 G1기로 복귀해서 세포 주기가 돌아갈 수 있다. 그렇지만, 신경세포와 근육세포와 같이 완전히 분화된 세포(terminally differentiated cell)나 세포의 노화(senescence) 상태에 있는 세포들은 성장할 수 있는 능력을 잃고 영원히 G0 상태에 머물게 되어 휴지 상태에 있는 세포와 구분된다.

세포의 휴지상태는 일시적인 G0 상태로 영양소가 없거나 성장신호가 부족할 때 나타나며, DNA 상태는 G1기의 세포와 비슷하다. 그렇지만 세포 대사(metabolism)의 변화, 자가포식(autophagy)의 증가, 세포 크기 변화 및 세포질의 크기에 비해서 핵이 커지는 등의 외형으로 구분이 된다. 휴지상태에서는 외부에서 성장신호가 올때까지 세포주기의 억류(cell cycle arrest)가 나타난다.

휴지상태의 세포에서 세포주기를 조절하는 단백질의 발현이 변하게 되는 데, 사이클린(cyclin)이나 사이클린 의존적 인산화효소(cyclin dependent kinase, CDK)와 같은 세포주기를 활성화하는 단백질의 발현이 감소하고, CDK 저해제와 같은 세포주기를 억제하는 단백질의 발현이 증가한다. 

성체 줄기세포(adult stem cell)는 조직 내에 위치하는 줄기 세포로 조직의 항상성(homeostasis)과 상처 후에 재생(regeneration)을 담당한다. 성체 줄기세포는 성장하지 않고, 세포주기가 멈춰진 휴지(quiescence) 상태로 존재하게 되다 외부 환경에 의해서 활성화되고 기능을 하는 세포로 분화하게 된다(그림 2).

그림 2. 휴지 상태의 성체 줄기세포 (출처: 한국분자·세포생물학회)

휴지 상태로 존재함으로써 줄기세포의 특성을 유지하고 분화되는 것을 방지하게 되어 성체 줄기세포들을 보존하게 된다. 성체 줄기세포들이 휴지상태로 유지되지 못하면 조직의 재생능력이 저하되거나 암이 발생할 수 있다. 예를 들어 마우스의 근육 줄기세포에서 휴지 상태가 작동하지 않게되면 근육 재생과 근육 복구에 문제가 나타나게 된다.   

많은 종양에서 줄기세포의 특성을 가지며 종양을 일으킬 수 있는 능력과 항암치료에 저항성을 가지는 세포들이 발견되었다. 이들 세포들은 종양세포가 아닌 줄기세포와 유사한 성격을 가져서 암 줄기세포(cancer stem cell)이라 한다. 암 줄기세포는 여러 항암치료에 저항성을 가지기 때문에 많은 연구가 되었는데, 이들 암 줄기세포는 주변의 미세환경에 의해서 휴지 상태에 있을 수 있다. 암세포는 형성 초기나 항암치료를 받고난후, 오랜 기간동안 휴면(dormancy)상태에 이르게 된다. 이때 암 줄기세포는 휴지상태에 이르고 암 줄기세포가 세포주기에 다시 들어가면 종양이 진행되고 암이 재발하게 된다.  

세포 주기(cell cycle), 노화(senescence), 체세포 분열(mitosis), 성체 줄기세포(adult stem cell), 자가포식(autophagy), 암 줄기세포(cancer stem cell)

1. George Plopper (2015) Principles of Cell Biology 2nd Edition

2. Lynn Cassimeris et al (2010) Lewin's Cells 2nd Edition

3. Mohammad Rumman et al (2015) Concise Review: Quiescence in Adult Stem Cells: Biological Significance and Relevance to Tissue Regeneration. Stem Cells 33: 2903-2912

4. Wanyin Chen et al (2016) Cancer Stem Cell Quiescence and Plasticity as Major Challenges in Cancer Therapy. Stem Cells International. 1740936