17.3: 세포주기 제어 시스템

세포주기는 세포가 모세포와 동일한 염색체를 포함하는 두 개의 딸세포로 분열되도록 유도하는 일련의 조직화된 사건입니다. 단일 세포 접합자로부터 전체 유기체가 형성되는 것은 세포주기입니다. 게다가, 세포 분열은 성체 다세포 진핵생물의 조직을 재생하거나 복구하는 기능도 합니다. 예를 들어, 골수에서는 줄기 세포가 분열하여 새로운 혈액 세포를 형성합니다. 여러 기능에 필수적이지만 제어 메커니즘이 없는 세포 분열은 암과 많은 유전 질환을 유발합니다.

DNA 복제가 올바르게 일어나고 각 딸세포가 올바른 수의 염색체를 물려받도록 하기 위해 세포에는 세포 주기 제어 시스템을 구성하는 감시 메커니즘이 있습니다. 적어도 두 가지 알려진 세포주기 제어 방법이 있습니다. 이러한 과정 중 하나에는 세포를 한 단계에서 다음 단계로 전환하는 일련의 단백질 인산화가 포함됩니다. 또한 필수 이벤트의 완료를 모니터링하고 필요한 경우 다음 단계로의 진행을 지연시키는 일련의 체크포인트가 있습니다. 모든 체크포인트에서 조절 단백질은 이전 단계의 오류가 수정될 때까지 세포 개시가 다음 단계로 진입하는 것을 방지합니다.

첫 번째 형태의 조절에는 고도로 조절된 키나제 계열이 포함됩니다. 키나아제 활성화에는 세포 주기의 고정 지점에서 발현되는 두 번째 하위 단위와의 상호 작용이 필요합니다. 이 2차 구성 요소는 파트너 "사이클린 의존성 키나제"(CDK)와 결합하여 활성 복합체를 형성하는 단계별 "사이클린"으로 불리며, 각각은 뚜렷한 기질 특이성을 나타냅니다. 규제 인산화 및 탈인산화는 cyclin-CDK 복합체의 기능을 미세 조정하여 잘 정의된 진행을 보장합니다.

세포주기 조절의 두 번째 형태인 체크포인트 제어는 감시 메커니즘에 가깝습니다. 세포주기 체크포인트는 DNA 복제 및 염색체 분리와 같은 중요한 사건의 결함을 식별합니다. 예를 들어, DNA 손상은 여러 세포 주기 억제제를 활성화하는 신호 전달 계통을 촉발합니다. 이러한 억제제는 중요한 세포 주기 단백질과 결합하여 돌연변이 위험이 제거될 때까지 주기를 정지시킵니다.

세포주기는 세포 내 내용물의 복제를 포함하며, 그 후 두 개의 딸 세포로 분열합니다.

세포 내용물, 특히 DNA의 복제는 매우 중요하며, 이 과정에서 실수가 발생하면 암과 같은 질환으로 이어질 수 있습니다.

그렇다면 세포는 분열 중 오류를 어떻게 방지할까요?

세포주기 제어 시스템에는 다양한 체크포인트에서 주기를 중단시키는 조절 단백질이 있습니다.

모든 체크포인트에서 조절 단백질은 초기 단계가 완료되고 오류가 수정될 때까지 각 단계의 시작을 방지합니다.

일반적으로 제어 시스템에는 G1, G2 및 M 단계에서 발견되는 세 가지 중요한 체크포인트가 있습니다.

G1 체크포인트에서 조절 단백질은 세포가 임계 크기에 도달했는지, DNA에 오류가 없는지 확인합니다. 또한 DNA 합성을 시작하기에 충분한 영양소와 성장 인자가 존재하는지 확인합니다.

이 시점에서 세포가 필요한 신호를 수신하지 못하면 모든 조건이 충족될 때까지 G₀ 위상이라고 하는 휴지 상태로 전환됩니다.

G1 체크포인트를 통과한 세포는 DNA가 복제될 때 합성 또는 S-단계를 통과합니다.

그 후, 세포는 G2 단계에서 두 번째 체크포인트를 만나게 되는데, 여기서 조절 단백질은 DNA의 오류와 세포가 유사분열 또는 M기에 들어가기에 적절한 크기를 가지고 있는지 여부를 확인합니다.

유사분열 동안, 제어 시스템은 염색체가 방추체에 부착되어 있고 세포 분열을 위해 주기가 진행되도록 정확하게 정렬되어 있는지 확인합니다. 어느 시점에서든 조절자 단백질이 회복할 수 없는 손상을 감지하면 세포 사멸이 발생합니다. 중요 조절 단백질의 한 가지 유형은 사이클린 의존성 단백질 키나아제(cyclin-dependent protein kinase, CDK)입니다. CDK는 사이클린과 복합체를 형성하며, 이들의 활성은 세포 성장 및 DNA 합성에 직접 관여하는 단백질에 영향을 미칩니다.