세포 검문 지점
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1. 개요
세포 검문 지점은 세포 주기의 특정 단계에서 세포의 진행을 감시하고 조절하는 분자 기전이다. 세포 주기 검문 지점은 세포 주기의 G1/S, S기, G2/M, M기 등 여러 단계에 존재하며, DNA 손상, 복제 오류, 염색체 정렬 불량 등을 감지하여 세포 주기 정지를 유도한다. 주요 세포 주기 검문 지점은 사이클린 의존성 키나아제(CDK)의 활성을 조절하여 세포 분열의 적절성을 확인하고, 암 발생과 밀접한 관련이 있다.
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사이클린은 세포 주기 조절에 중요한 단백질로, 사이클린 의존성 키나아제(Cdk)와 결합하여 세포 주기 단계에 따라 농도가 변하며 Cdk의 활성을 조절하고, 2001년 발견자들이 노벨 생리학·의학상을 수상했다.
| 세포 검문 지점 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 조절 메커니즘 |
| 기능 | 세포 주기 사건의 순서와 정확성 보장 |
| 조절 대상 | DNA 복제 염색체 분리 세포 크기 외부 신호 |
| 주요 검문 지점 | |
| G1 검문 지점 (제한점) | DNA 손상, 세포 크기, 성장 인자 확인 |
| S 검문 지점 | DNA 복제 진행 상태 확인 |
| G2 검문 지점 | DNA 손상, DNA 복제 완료 여부 확인 |
| M 검문 지점 (방추체 조립 검문 지점) | 염색체 부착 확인 |
| 조절 기전 | |
| 관여 단백질 | 사이클린 의존성 인산화효소 (CDK) 사이클린 APC/C MAD BUB p53 |
| 중요성 | |
| 역할 | 유전적 안정성 유지 종양 발생 억제 |
| 관련 질병 | |
| 관련 질병 | 암 유전 질환 |
2. 역사적 배경
모든 살아있는 유기체는 반복적인 세포 성장과 분열의 결과이다.[5] 이 과정은 세포 주기라고 알려져 있으며, 세포는 자신의 내용을 복제한 다음 둘로 나뉜다. 세포 주기의 목적은 각 유기체의 DNA를 정확하게 복제한 다음, 세포와 그 내용을 두 개의 결과 세포로 균등하게 나누는 것이다. 진핵생물에서 세포 주기는 네 가지 주요 단계로 구성된다. G1기(G1)는 세포가 대사적으로 활발하고 지속적으로 성장하며, S기(S기)에서는 DNA 복제가 일어난다. G2기(G2)에는 세포 성장이 계속되고 세포가 분열을 준비하기 위해 다양한 단백질을 합성한다. 마지막으로 M기(세포 분열)에는 복제된 염색체(자매 염색 분체)가 두 개의 딸 핵으로 분리되고 세포가 DNA의 완전한 사본을 가진 두 개의 딸 세포로 분열된다.[6] 원핵생물 세포 주기(이분법)는 진핵생물 세포 주기에 비해 비교적 단순하고 빠르다. 염색체가 복제 기점에서 복제되고, 새로운 막이 조립되며, 세포벽이 세포를 둘로 나누는 격막을 형성한다.[7]
## 주요 세포 주기 검문 지점
진핵 세포 주기는 복잡한 과정이므로 진핵생물은 세포 주기를 통해 세포의 진행을 모니터링하고 지시하는 '''세포 주기 조절 시스템'''이라고 알려진 조절 단백질 네트워크를 진화시켰다.[5] 이 시스템은 시계와 같아서 세포가 세포 주기의 각 단계에서 보내는 고정된 시간을 설정하는 동시에, 조절하는 프로세스에서 수신된 정보에도 응답한다. 세포 주기 검문 지점은 DNA 복제 또는 염색체 분리와 같은 필수적인 과정에서 발생하는 결함을 감지하고, 결함이 수정될 때까지 그에 대응하여 세포 주기 정지를 유도함으로써 조절 시스템에서 중요한 역할을 한다.[8] 세포 주기 검문 지점의 주요 작용 기전은 사이클린 의존성 키나아제 (CDK)로 알려진 단백질 키나아제 계열의 활동을 조절하는 것이다. 이들은 사이클린으로 알려진 서로 다른 종류의 조절 단백질에 결합하며, 특정 사이클린-CDK 복합체가 세포 주기의 서로 다른 단계에서 형성되고 활성화된다. 이러한 복합체는 차례로 서로 다른 다운스트림 표적을 활성화하여 세포 주기 진행을 촉진하거나 방지한다.[9]
3. 주요 세포 주기 검문 지점
세포 주기 검문 지점은 해당 검문 지점이 세포 주기의 어떤 단계(스테이지)에 존재하는지에 따라 분류되며, 지금까지 (1) G1/S 검문 지점, (2) S기 검문 지점, (3) G2/M 검문 지점, (4) M기 검문 지점의 4가지가 비교적 잘 분석되어 있다. 이들은 각각 여러 개의 서로 다른 검문 지점 제어 관련 분자에 의해 제어되며, 그 제어 기구는 매우 복잡하다.
### G1/S 검문 지점 (Restriction checkpoint)
G1기에서 S기로 이행할 때의 검문 지점에서는 G1기 DNA에 손상이 없는지, 앞으로의 DNA 복제를 위한 뉴클레오티드 등이 충분한지, 세포의 크기가 체크된다. 다세포 생물에서는 증식이 허용되는지 (예: 사이토카인이 있는지), 증식이 필요한 세포인지 등도 체크된다. 암 억제 유전자 산물인 p53와 Rb 및 Rb의 상동체는 이 제어를 담당한다고 알려져 있다.
이 제어가 DNA 손상 등으로 활성화되면 S기 시작, 즉 DNA 복제가 저해되어 세포는 G1기에 머무르게 된다. 효모 등에서 환경 조건이 좋지 않은 경우, 또는 다세포 생물에서 세포 분열이 적절하지 않은 경우, G1 정지가 길어지면 G0기라는 휴면 상태에 들어가는 경우도 있다. G0기에서는 단백질 합성이 억제되고, 세포 주기의 진행과 관련된 단백질이 부분적으로 분해된다.
#### G1/S 검문 지점의 작동 메커니즘
G1 검문 지점은 포유류 세포에서는 제한점, 효모에서는 시작점으로 알려져 있으며, 세포가 세포 주기로 진입하기로 결정하는 지점이다. 세포가 G1기를 진행하면서 내부 및 외부 조건에 따라 G1기를 지연시키거나, G0라고 알려진 정지 상태로 들어가거나, 제한점을 지나갈 수 있다.[5] DNA 손상은 세포가 세포 주기에 "제한"을 걸어 들어가지 않도록 하는 주요 지표이다. 세포 분열의 새로운 단계를 시작할 결정은 세포가 사이클린-CDK 의존적 전사를 활성화하여 S기로의 진입을 촉진할 때 발생한다. 이 검문 지점은 추가적인 과정을 보장한다.[10]
초기 G1기 동안에는 E2F 전사 인자에 결합하는 세 가지 전사 억제 단백질, 즉 포켓 단백질이 존재한다. E2F 유전자군은 사이클린, CDK, 검문 지점 조절 인자, DNA 복구 단백질을 포함하여 세포 주기를 제어하는 데 중요한 많은 유전자를 표적으로 하는 전사 인자 그룹이다. E2F 계열의 오조절은 암에서 자주 발견되며, E2F 계열이 DNA 복제와 분열을 엄격하게 조절하는 데 필수적이라는 증거를 제공한다.[10] 세 가지 포켓 단백질은 망막모세포종(Rb), p107 및 p130이며, 이는 E2F 전사 인자에 결합하여 G1 검문 지점을 통과하는 것을 방지한다.
E2F 유전자군은 활성화 메커니즘을 가진 일부 단백질과 억제 메커니즘을 가진 일부 단백질을 포함한다. P107 및 p130은 G1에서 S기로의 촉진 인자의 전사를 억제하는 E2F 4 및 E2F 5에 대한 공동 억제제로 작용한다. 세 번째 포켓 단백질인 Rb는 활성화 능력을 가진 E2F 단백질인 E2F 1, E2F 2 및 E2F 3에 결합하여 억제한다.[10]
양성 피드백은 특히 사이클린/CDK 단백질 복합체에 의한 Rb의 인산화를 포함하여 G1에서 S기로의 진행을 조절하는 데 필수적인 역할을 한다. 인산기가 없는 Rb, 즉 비인산화된 Rb는 G0 세포 주기 탈출 및 분화를 조절한다. G1기 초반 동안 성장 인자와 DNA 손상은 사이클린 D 수치의 증가를 신호하며, 이는 Cdk4 및 Cdk6에 결합하여 CyclinD:Cdk4/6 복합체를 형성한다.[11] 이 복합체는 인산화를 통해 Rb를 비활성화하는 것으로 알려져 있다. CyclinD:Cdk4/6는 14개의 접근 가능하고 고유한 인산화 부위 중 하나에서 Rb를 단일 인산화 또는 모노인산화한다. 14개의 특정 모노인산화된 각 이소형은 E2F 계열 구성원에 대한 차별적인 결합 선호도를 가지며, 이는 포유류 신체 내의 세포 과정의 다양성을 증가시킬 가능성이 있다.[11]
E2F 4와 E2F 5는 핵 위치를 유지하기 위해 p107과 p130에 의존한다. 그러나 Cyclin D:Cdk 4/6은 또한 p107과 p130을 인산화하며, 이 과정은 E2F 4와 5에서 결합을 해제하고 (이후 세포질로 탈출), E2F 1–3이 DNA에 결합하여 사이클린 E의 전사를 시작할 수 있도록 한다.[10] Rb 단백질은 사이클린 E가 축적되어 Cdk2에 결합하는 동안 초기 G1기 동안 모노인산화 상태를 유지한다.
CyclinE:Cdk2는 G1에서 S기로의 전환에서 추가적인 중요한 인산화 역할을 한다. 특히 CyclinE:Cdk2는 "전부 아니면 전무" 스위치를 만드는 양성 피드백 루프를 촉진한다. 많은 유전자 제어 네트워크에서 양성 피드백은 세포가 세포 주기 단계를 앞뒤로 미끄러지지 않도록 한다.[12] Cyclin E:Cdk2는 Rb의 모든 인산화 부위에서 Rb를 인산화하여 "과인산화"라고도 하며, 이는 Rb의 완전한 비활성화를 보장한다. Rb의 과인산화는 늦은 G1 제한점으로 간주되며, 이 지점 이후 세포는 세포 주기에서 되돌아갈 수 없다. 이 시점에서 E2F 1-3 단백질은 DNA에 결합하여 사이클린 A와 Cdc 6을 전사한다.[11]
사이클린 의존성 키나아제 억제제 1B (CDKN1B), 즉 p27은 억제를 통해 CyclinE:Cdk2의 활성화를 결합하고 방지한다. 그러나 사이클린 A가 축적되어 Cdk2에 결합하면 복합체를 형성하고 p27을 억제한다. G1기 사이클린 의존성 키나아제는 S기 사이클린 의존성 키나아제와 함께 작용하여 p27을 분해한다. 결과적으로, 이는 E2F 1-3을 DNA 프로모터 부위에서 분리하기 시작하는 사이클린 A:Cdk2의 완전한 활성화를 허용하는 복합체를 허용한다. 이는 E2F 6–8이 DNA에 결합하여 전사를 억제할 수 있도록 한다.[10] 억제제인 p27을 성공적으로 억제하는 데 사용되는 음성 피드백 루프는 세포가 세포 주기를 통해 단일 방향으로 이동하고 되돌아가지 않도록 하기 위해 세포가 사용하는 또 다른 필수적인 과정이다.
DNA 손상이 발생하거나 세포가 G1기에서 세포 주기를 지연하거나 중단해야 하는 결함을 감지하면 여러 메커니즘을 통해 정지가 발생한다. 빠른 반응은 손상 유형에 따라 센서로 작용하는 키나아제 ATM (Ataxia telangiectasia mutated) 또는 ATR (Ataxia Telangiectasia and Rad3 관련)으로 시작하는 인산화 이벤트와 관련이 있다. 이러한 키나아제는 각각 이펙터 키나아제 Chk2 및 Chk1을 인산화하고 활성화하며, 이는 차례로 포스파타아제 Cdc25A를 인산화하여 유비퀴틴화 및 분해를 유도한다. Cdc25A는 CDK2에서 억제 인산기를 제거하여 이전에 언급한 사이클린 E-CDK2 복합체를 활성화하므로, Cdc25A가 없으면 사이클린 E-CDK2는 비활성 상태로 유지되고 세포는 G1기에 남아 있게 된다.
정지를 유지하기 위해 Chk2 또는 Chk1이 종양 억제 인자인 p53을 인산화하는 또 다른 반응이 시작되며, 이는 분해를 위해 표적으로 하는 유비퀴틴 리가아제인 Mdm2에 결합하는 것을 방지하여 p53을 안정화한다. 안정된 p53은 p21을 포함한 여러 표적 유전자의 전사 활성화제로 작용하며, 이는 G1에서 S기로의 촉진 복합체인 사이클린 E-CDK2의 억제제이다. 또한 p21이 활성화되는 또 다른 메커니즘은 DNA 손상에 대한 반응으로 p16이 축적되는 것이다. p16은 사이클린 D-CDK4 복합체를 파괴하여 p21을 복합체에서 방출시켜 Rb의 탈인산화 및 활성화를 유발하며, Rb가 E2F 1–3에 결합하고 억제하여 세포가 S기로 전환하는 것을 막는다.[13]
### S기 검문 지점
S기 DNA 복제 속도를 제어하고, DNA 복제에 이상이 감지된 경우 복제를 늦추는 기작이 있다. DNA 손상에서는 인간의 ATM 단백질이 이 제어에 관여한다고 알려져 있다.
### G2/M 검문 지점
S기에서 DNA 복제가 완료된 후, 세포는 G2기라는 성장 단계를 거친다. 이 기간 동안 필요한 유사분열 단백질이 생성되고 세포는 증식하는 유사분열(M) 단계로의 진입을 위해 적절한 상태를 보장하기 위해 조절 메커니즘을 거친다. 여러 기작적 검문 지점이 G2에서 M으로의 전환에 관여하며, 사이클린-Cdk 활성이 공통적인 통합 요소이다.
유기체 간에 필요한 사이클린-Cdk 복합체의 변동이 존재하지만, 키나아제 활성의 필요성은 보존되며 일반적으로 단일 쌍에 초점을 맞춘다. 분열 효모에는 세 가지 다른 형태의 유사분열 사이클린이 존재하고, 출아 효모에는 여섯 가지가 있지만, 사용되는 주요 사이클린은 사이클린 B이다.[15] 사이클린 B는 G2/M 검문 지점 전환에 대한 논의의 기준으로 사용될 것이다.
S기와 유사하게, G2는 DNA 손상 검문 지점을 경험한다. 세포는 다시 DNA 손상 또는 불완전한 복제 부위를 검사하고, 키나아제 ATR과 ATM이 손상 부위로 모집된다. Chk1 및 Chk2의 활성화뿐만 아니라 p53 활성화도 일어나 세포 주기 정지를 유도하고 유사분열 진입을 중단시킨다. S기의 추가 구성 요소인 Pre-Replicative Complex는 사이클린 B-Cdk1 인산화를 통해 비활성화되어야 한다.[16]
이전 검문 지점이 평가됨에 따라, G2 단백질 축적은 여러 메커니즘을 통해 사이클린 B-Cdk1 활성을 활성화하는 역할을 한다. 사이클린 A-Cdk2는 사이클린 B-Cdk1의 활성제인 Cdc25를 활성화하고, 이는 다시 사이클린 B-Cdk1 억제제인 Wee1을 비활성화한다. 이로 인해 양성 피드백 루프가 발생하여 사이클린 B 발현과 Cdk1 활성이 크게 증가한다. 세포가 G2를 거쳐 G2/M 전환에 도달하면 키나아제 Plk1이 Wee1을 인산화시켜 SCF 유비퀴틴 연결 효소 복합체를 통해 Wee1을 분해한다.[17] Plk1의 추가 기능은 인산화를 통해 Cdc25를 활성화하는 것이다. Wee1 분해 및 Cdc25 활성화의 복합적인 효과는 cdc2에서 억제 인산화의 순 제거를 초래하여 cdc2를 활성화한다. Plk1은 G2 동안 축적되어 활성화 복합체를 형성하는 오로라 A와 보라에 의해 G2/M 전환에서 활성화된다. Plk1-Cdc2-cdc25 복합체는 cdc2를 추가로 활성화하는 양성 피드백 루프를 시작하고, G2 동안 사이클린 B 수준의 증가와 함께, 결과적인 cdc2-사이클린 B 복합체는 유사분열 진입을 촉진하는 하위 표적을 활성화한다.[18] 결과적인 Cdk1 활성은 또한 G2/M 전환 유전자 Mem1-Fkh의 발현을 활성화한다.[19]
사이클린 B-Cdk1 활성의 급증은 필수적이며, M 단계 개시는 히스테리시스를 유발하는 전반적인 또는 무(all-or-nothing) 이벤트이다. 사이클린 B를 통한 Cdk1 활성의 히스테리시스는 사이클린 B 농도의 최소 임계값을 설정하여 M 단계 진입을 유도한다. 이는 진입 후 M 단계의 지속에 필요한 최소 수준보다 높은 수준으로 존재하며, 전반적인 또는 무 이벤트의 안전을 보장하는 역할을 한다. 이 진입 농도는 불완전한 DNA 복제의 경우 더욱 증가하여 G2/M 전환 지점에서 또 다른 조절 메커니즘을 추가한다.[20] 히스테리시스의 존재는 사이클린 B-Cdk1 활성의 함수로 M 단계 진입을 고도로 조절할 수 있게 한다.
DNA 손상에 대한 반응으로 유사분열 진입이 방지되는 메커니즘은 G1/S 검문 지점의 메커니즘과 유사하다. DNA 손상은 앞서 언급한 ATM/ATR 경로의 활성화를 유발하며, 여기서 ATM/ATR은 Chk1/Chk2 검문 지점 키나아제를 인산화하고 활성화한다. Chk1/2는 cdc25를 인산화하는데, 억제될 뿐만 아니라 14-3-3 단백질에 의해 세포질에 격리된다. 14-3-3은 p53에 의해 상향 조절되며, p53은 앞서 언급했듯이 Chk1 및 ATM/ATR에 의해 활성화된다. p53은 또한 p21을 전사 활성화하고, p21과 14-3-3은 cdc2의 인산화 및 세포질 격리를 통해 사이클린 B-cdc2 복합체를 억제한다. 또한, cdc25의 비활성화는 cdc2를 탈인산화하고 활성화할 수 없게 한다.[21][22] 마지막으로, 손상 반응의 또 다른 메커니즘은 ATM/ATR에 의한 Plk1의 음성 조절을 통해 이루어지며, 이는 다시 Wee1 및 Myt1의 안정화를 초래하고, 이들은 cdc2를 인산화하고 억제하여 손상이 해결될 때까지 세포를 G2에 정지시킬 수 있다.[23]
G2기에서 M기로 전환될 때의 체크포인트이다. 이 제어가 DNA 손상 등으로 활성화되면 M기 시작이 저해되어 세포는 G2기에 머무른다. DNA 손상 반응에서 ATR(ataxia-telangiectasia mutated related)이 스스로 또는 다른 인자에 의해 손상을 인식한 후 인산화를 받아 활성화되면, ATR은 Chk1을 인산화하여 활성화시킨다. 활성형 Chk1은 Cdc25A의 인산화를 촉진하고[37], Cdc25A에 의한 Cdc2의 탈인산화를 억제하므로, Cdc2는 고인산화된 비활성 상태로 유지되어 M기로 진행하지 못하고 세포 주기가 정지한다. 또한, 활성화된 p53(유전자 전사 인자)은 14-3-3s (샤페론)을 전사하고, 이것이 인산화된 Cdc25와 결합하여 핵 밖으로 배출되므로, Cdc2가 비활성 상태로 유지된다. 따라서 M기 진행이 억제된다. DNA 손상 인식 후 ATR의 인산화에 관여하는 인자는 현 시점에서는 명확하지 않지만, 인간 암 억제 유전자 산물 BRCA1이 그 역할을 담당하며, DNA 손상에 반응하는 G2/M 체크포인트의 제어를 담당하고 있다고도 한다.
DNA 복제 종료를 기다리지 않고, M기가 시작되는 효모 변이주를 고려하면, 감시(체크) 기간은 S기에서 G2기에 걸친 비교적 긴 기간으로 생각된다.
#### G2/M 전환의 조절 메커니즘 (''Xenopus'' 난모세포 모델)
개구리 난모세포에서 신호 전달 연쇄는 프로게스테론이 막 결합 수용체에 결합할 때 유도된다. 하류에서 Mos가 활성화된다. Mos는 MEK1을 인산화시키고, MEK1은 MAPK를 인산화시킨다. MAPK는 두 가지 역할을 한다. 즉, 사이클린 B-Cdk1 복합체를 활성화하여 유사 분열 진입을 시작하고 Mos를 활성화한다. Mos의 활성화는 양성 피드백 루프로 이어지므로, 유사분열에 대한 전부 아니면 전무 스위치 역할을 한다.[24]
이 피드백 루프는 MAPK-P(인산화된 MAPK) 농도가 프로게스테론의 증가에 반응하여 증가한다는 것을 보여줌으로써 처음 발견되었다. 단일 세포 수준에서, 각 세포는 완전히 인산화된 MAPK를 갖거나 인산화된 MAPK를 전혀 갖지 않았으며, 이는 각 세포에서 스위치와 같은 메커니즘으로 작용함을 확인했다. 또한 Mos 단백질 합성을 차단하면 MAPK-P 반응이 더 점진적으로 나타나며, Mos 단백질 합성이 MAPK 활성화의 전부 아니면 전무 특성에 필수적임을 보여주었다.[25]
이 과정은 불안정성을 사용하여 이해할 수 있다. 프로게스테론이 더 많이 추가됨에 따라 Mos 합성 속도가 변화한다. 각 곡선에는 안정적인 고정점과 불안정한 고정점이 있다. 불안정한 고정점에서 시스템은 안정적인 고정점 중 하나로 밀려난다. 따라서 시스템은 "켜짐" 상태 또는 "꺼짐" 상태 중 하나일 수 있으며 그 사이는 없다. 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 Mos 곡선이 더 높게 이동하여 궁극적으로 분해선과 한 점에서만 교차하므로 안정적인 "켜짐" 상태가 하나만 존재하며 이는 세포 분열 진입을 나타낸다.
세포 분열 전환 지점에서 보이는 비가역성은 세포 내 프로게스테론 수치가 충분히 높기 때문에 발생한다. 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 시스템은 Mapk와 Mos 사이의 양성 피드백 루프의 결과로 단일 안정 상태가 된다. 시스템이 이중 안정 상태에서 단일 안정 상태로 전환되는 지점을 안장점 분기라고 한다.
따라서 우리는 분열 전환의 전부 또는 전무, 비가역적 반응을 양성 피드백의 존재에 의존하는 이중 안정 시스템으로서 분자 조절기의 수학적 모델을 사용하여 이해할 수 있다. "꺼짐 상태"는 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 소멸되고 세포가 꺼짐 상태를 지나면 켜짐 상태에 갇히게 된다.
이 쌍안정 모델에서 유래하여, 우리는 유사분열 이행이 히스테리시스에 의존하여 진행된다고 이해할 수 있다. 히스테리시스는 시스템의 상태가 그 역사에 의존하는 것으로 정의된다. 노박-타이슨 모델은 세포 주기의 진행을 수학적으로 모델링한 것으로, 유사분열 진입과 탈출의 비가역적 전환이 히스테리시스에 의해 구동된다고 예측한다. 이 모델은 히스테리시스에 의존하는 세포 주기 진행을 보이는 순환 난모세포 추출물에서 다음 세 가지 기본 예측이 성립해야 한다고 제시한다:[26]
샤(Sha) 등은 2003년 ''아프리카 발톱개구리(Xenopus laevis)''의 난 추출물을 사용하여 이러한 히스테리시스적 특성을 입증하는 실험을 수행했다.[27] 순환 추출물을 사용하여, 그들은 Δ사이클린 B의 활성화 임계값이 32~42 nM 사이이고, 비활성화 임계값이 16~24 nM Δ사이클린 B 사이임을 관찰했다. 따라서, 이 실험은 이 시스템의 쌍안정성과 이 세포 주기 전환에서 히스테리시스의 중요성을 확인했다. 중간 사이클린 B 농도에서는 세포의 간기 또는 유사분열 상태가 모두 가능하다.
### 방추사 검문 지점 (Spindle assembly checkpoint, SAC)
유사분열 방추 점검 지점은 모든 염색체가 유사분열판에 정렬되어 양극성 장력을 받을 때 중기에서 발생한다. 이러한 양극성 부착에 의해 생성된 장력이 감지되어 후기 진입을 시작한다. 이를 위해 감지 메커니즘은 후기 촉진 복합체(APC/C)가 더 이상 억제되지 않도록 보장하며, 이제 D-box(파괴 상자)를 포함하는 사이클린 B를 분해하고 세큐린을 분해할 수 있다.[29] 후자는 분리 효소를 억제하는 단백질이며, 분리 효소는 다시 자매 염색체의 응집을 담당하는 단백질 복합체인 코헤신을 절단한다.[30] 일단 이 억제 단백질이 유비퀴틴화 및 후속 단백질 분해를 통해 분해되면, 분리 효소는 자매 염색체의 분리를 유발한다.[31]
M기(유사분열기) 도중에 있는 체크포인트로, 스핀들 체크가 수행된다. M기 세포에서는 G2기까지의 단계에서 복제된 한 쌍을 이루는 염색 분체가 서로 센트로미어 부근에서 코히신 복합체에 의해 가교 결합하고, 또한 이 코히신을 절단하는 단백질 분해 효소인 세파라아제가 세큐린과 결합함으로써 불활성화된 상태로 존재한다.
유사분열 과정의 다음 단계로서, 세포의 양극에서 뻗어 나오는 방추사 (미세소관)가 각각의 염색 분체의 키네토코어(센트로미어의 일부)에 결합한다. 한 쌍의 염색 분체가 대칭이 되도록, 정확하고 동시에 방추사를 통해 세포의 양극에 결합하고 있는지 여부가 체크된다.
후기 염색 분체의 이동에 있어서는, 유비퀴틴 리가아제인 APC/C가 Cdc20과 결합하여 활성화되는 것이 필요하다. 방추사가 정확하게 형성되면, Cdc20의 억제 단백질인 Mad2가 Cdc20과의 결합에서 벗어나, APC/C와 결합한다. 활성화된 APC/C에 의해, 세큐린 단백질이 유비퀴틴화되고, 프로테아좀 의존적으로 분해됨으로써 세파라아제가 활성화되어, 염색 분체 간을 가교하는 코히신 단백질이 절단된다. 이에 따라, 염색 분체는 방추체 극으로 이동이 가능하게 된다. 염색 분체가 양극에서 뻗어 나온 미세소관과 동등하게 결합하지 않은 동안에는, 오로라 키나아제 등의 스핀들 체크포인트 단백질의 감시에 의해 APC/C의 활성화가 억제되어, 염색 분체의 분리를 억제한다. 세포가 두 개의 딸 세포로 분열된 후, 세포는 G1기에 진입한다.
3. 1. G1/S 검문 지점 (Restriction checkpoint)
G1 검문 지점은 포유류 세포에서는 제한점, 효모에서는 시작점으로 알려져 있으며, 세포가 세포 주기로 진입하기로 결정하는 지점이다. 세포가 G1기를 진행하면서 내부 및 외부 조건에 따라 G1기를 지연시키거나, G0라고 알려진 정지 상태로 들어가거나, 제한점을 지나갈 수 있다.[5] DNA 손상은 세포가 세포 주기에 "제한"을 걸어 들어가지 않도록 하는 주요 지표이다. 세포 분열의 새로운 단계를 시작할 결정은 세포가 사이클린-CDK 의존적 전사를 활성화하여 S기로의 진입을 촉진할 때 발생한다. 이 검문 지점은 추가적인 과정을 보장한다.[10]
초기 G1기 동안에는 E2F 전사 인자에 결합하는 세 가지 전사 억제 단백질, 즉 포켓 단백질이 존재한다. E2F 유전자군은 사이클린, CDK, 검문 지점 조절 인자, DNA 복구 단백질을 포함하여 세포 주기를 제어하는 데 중요한 많은 유전자를 표적으로 하는 전사 인자 그룹이다. E2F 계열의 오조절은 암에서 자주 발견되며, E2F 계열이 DNA 복제와 분열을 엄격하게 조절하는 데 필수적이라는 증거를 제공한다.[10] 세 가지 포켓 단백질은 망막모세포종(Rb), p107 및 p130이며, 이는 E2F 전사 인자에 결합하여 G1 검문 지점을 통과하는 것을 방지한다.
E2F 유전자군은 활성화 메커니즘을 가진 일부 단백질과 억제 메커니즘을 가진 일부 단백질을 포함한다. P107 및 p130은 G1에서 S기로의 촉진 인자의 전사를 억제하는 E2F 4 및 E2F 5에 대한 공동 억제제로 작용한다. 세 번째 포켓 단백질인 Rb는 활성화 능력을 가진 E2F 단백질인 E2F 1, E2F 2 및 E2F 3에 결합하여 억제한다.[10]
양성 피드백은 특히 사이클린/CDK 단백질 복합체에 의한 Rb의 인산화를 포함하여 G1에서 S기로의 진행을 조절하는 데 필수적인 역할을 한다. 인산기가 없는 Rb, 즉 비인산화된 Rb는 G0 세포 주기 탈출 및 분화를 조절한다. G1기 초반 동안 성장 인자와 DNA 손상은 사이클린 D 수치의 증가를 신호하며, 이는 Cdk4 및 Cdk6에 결합하여 CyclinD:Cdk4/6 복합체를 형성한다.[11] 이 복합체는 인산화를 통해 Rb를 비활성화하는 것으로 알려져 있다. CyclinD:Cdk4/6는 14개의 접근 가능하고 고유한 인산화 부위 중 하나에서 Rb를 단일 인산화 또는 모노인산화한다. 14개의 특정 모노인산화된 각 이소형은 E2F 계열 구성원에 대한 차별적인 결합 선호도를 가지며, 이는 포유류 신체 내의 세포 과정의 다양성을 증가시킬 가능성이 있다.[11]
E2F 4와 E2F 5는 핵 위치를 유지하기 위해 p107과 p130에 의존한다. 그러나 Cyclin D:Cdk 4/6은 또한 p107과 p130을 인산화하며, 이 과정은 E2F 4와 5에서 결합을 해제하고 (이후 세포질로 탈출), E2F 1–3이 DNA에 결합하여 사이클린 E의 전사를 시작할 수 있도록 한다.[10] Rb 단백질은 사이클린 E가 축적되어 Cdk2에 결합하는 동안 초기 G1기 동안 모노인산화 상태를 유지한다.
CyclinE:Cdk2는 G1에서 S기로의 전환에서 추가적인 중요한 인산화 역할을 한다. 특히 CyclinE:Cdk2는 "전부 아니면 전무" 스위치를 만드는 양성 피드백 루프를 촉진한다. 많은 유전자 제어 네트워크에서 양성 피드백은 세포가 세포 주기 단계를 앞뒤로 미끄러지지 않도록 한다.[12] Cyclin E:Cdk2는 Rb의 모든 인산화 부위에서 Rb를 인산화하여 "과인산화"라고도 하며, 이는 Rb의 완전한 비활성화를 보장한다. Rb의 과인산화는 늦은 G1 제한점으로 간주되며, 이 지점 이후 세포는 세포 주기에서 되돌아갈 수 없다. 이 시점에서 E2F 1-3 단백질은 DNA에 결합하여 사이클린 A와 Cdc 6을 전사한다.[11]
사이클린 의존성 키나아제 억제제 1B (CDKN1B), 즉 p27은 억제를 통해 CyclinE:Cdk2의 활성화를 결합하고 방지한다. 그러나 사이클린 A가 축적되어 Cdk2에 결합하면 복합체를 형성하고 p27을 억제한다. G1기 사이클린 의존성 키나아제는 S기 사이클린 의존성 키나아제와 함께 작용하여 p27을 분해한다. 결과적으로, 이는 E2F 1-3을 DNA 프로모터 부위에서 분리하기 시작하는 사이클린 A:Cdk2의 완전한 활성화를 허용하는 복합체를 허용한다. 이는 E2F 6–8이 DNA에 결합하여 전사를 억제할 수 있도록 한다.[10] 억제제인 p27을 성공적으로 억제하는 데 사용되는 음성 피드백 루프는 세포가 세포 주기를 통해 단일 방향으로 이동하고 되돌아가지 않도록 하기 위해 세포가 사용하는 또 다른 필수적인 과정이다.
DNA 손상이 발생하거나 세포가 G1기에서 세포 주기를 지연하거나 중단해야 하는 결함을 감지하면 여러 메커니즘을 통해 정지가 발생한다. 빠른 반응은 손상 유형에 따라 센서로 작용하는 키나아제 ATM (Ataxia telangiectasia mutated) 또는 ATR (Ataxia Telangiectasia and Rad3 관련)으로 시작하는 인산화 이벤트와 관련이 있다. 이러한 키나아제는 각각 이펙터 키나아제 Chk2 및 Chk1을 인산화하고 활성화하며, 이는 차례로 포스파타아제 Cdc25A를 인산화하여 유비퀴틴화 및 분해를 유도한다. Cdc25A는 CDK2에서 억제 인산기를 제거하여 이전에 언급한 사이클린 E-CDK2 복합체를 활성화하므로, Cdc25A가 없으면 사이클린 E-CDK2는 비활성 상태로 유지되고 세포는 G1기에 남아 있게 된다.
정지를 유지하기 위해 Chk2 또는 Chk1이 종양 억제 인자인 p53을 인산화하는 또 다른 반응이 시작되며, 이는 분해를 위해 표적으로 하는 유비퀴틴 리가아제인 Mdm2에 결합하는 것을 방지하여 p53을 안정화한다. 안정된 p53은 p21을 포함한 여러 표적 유전자의 전사 활성화제로 작용하며, 이는 G1에서 S기로의 촉진 복합체인 사이클린 E-CDK2의 억제제이다. 또한 p21이 활성화되는 또 다른 메커니즘은 DNA 손상에 대한 반응으로 p16이 축적되는 것이다. p16은 사이클린 D-CDK4 복합체를 파괴하여 p21을 복합체에서 방출시켜 Rb의 탈인산화 및 활성화를 유발하며, Rb가 E2F 1–3에 결합하고 억제하여 세포가 S기로 전환하는 것을 막는다.[13]
G1기에서 S기로 이행할 때의 검문 지점에서는 G1기 DNA에 손상이 없는지, 앞으로의 DNA 복제를 위한 뉴클레오티드 등이 충분한지, 세포의 크기가 체크된다. 다세포 생물에서는 증식이 허용되는지 (예: 사이토카인이 있는지), 증식이 필요한 세포인지 등도 체크된다. 암 억제 유전자 산물인 p53와 Rb 및 Rb의 상동체는 이 제어를 담당한다고 알려져 있다.
이 제어가 DNA 손상 등으로 활성화되면 S기 시작, 즉 DNA 복제가 저해되어 세포는 G1기에 머무르게 된다. 효모 등에서 환경 조건이 좋지 않은 경우, 또는 다세포 생물에서 세포 분열이 적절하지 않은 경우, G1 정지가 길어지면 G0기라는 휴면 상태에 들어가는 경우도 있다. G0기에서는 단백질 합성이 억제되고, 세포 주기의 진행과 관련된 단백질이 부분적으로 분해된다.
3. 1. 1. G1/S 검문 지점의 작동 메커니즘
G1 검문 지점은 포유류 세포에서는 제한점, 효모에서는 시작점으로 알려져 있으며, 세포가 세포 주기로 진입하기로 결정하는 지점이다. 세포가 G1기를 진행하면서 내부 및 외부 조건에 따라 G1기를 지연시키거나, G0라고 알려진 정지 상태로 들어가거나, 제한점을 지나갈 수 있다.[5] DNA 손상은 세포가 세포 주기에 "제한"을 걸어 들어가지 않도록 하는 주요 지표이다. 세포 분열의 새로운 단계를 시작할 결정은 세포가 사이클린-CDK 의존적 전사를 활성화하여 S기로의 진입을 촉진할 때 발생한다. 이 검문 지점은 추가적인 과정을 보장한다.[10]
초기 G1기 동안에는 E2F 전사 인자에 결합하는 세 가지 전사 억제 단백질, 즉 포켓 단백질이 존재한다. E2F 유전자군은 사이클린, CDK, 검문 지점 조절 인자, DNA 복구 단백질을 포함하여 세포 주기를 제어하는 데 중요한 많은 유전자를 표적으로 하는 전사 인자 그룹이다. E2F 계열의 오조절은 암에서 자주 발견되며, E2F 계열이 DNA 복제와 분열을 엄격하게 조절하는 데 필수적이라는 증거를 제공한다.[10] 세 가지 포켓 단백질은 망막모세포종(Rb), p107 및 p130이며, 이는 E2F 전사 인자에 결합하여 G1 검문 지점을 통과하는 것을 방지한다.
E2F 유전자군은 활성화 메커니즘을 가진 일부 단백질과 억제 메커니즘을 가진 일부 단백질을 포함한다. P107 및 p130은 G1에서 S기로의 촉진 인자의 전사를 억제하는 E2F 4 및 E2F 5에 대한 공동 억제제로 작용한다. 세 번째 포켓 단백질인 Rb는 활성화 능력을 가진 E2F 단백질인 E2F 1, E2F 2 및 E2F 3에 결합하여 억제한다.[10]
양성 피드백은 특히 사이클린/CDK 단백질 복합체에 의한 Rb의 인산화를 포함하여 G1에서 S기로의 진행을 조절하는 데 필수적인 역할을 한다. 인산기가 없는 Rb, 즉 비인산화된 Rb는 G0 세포 주기 탈출 및 분화를 조절한다. G1기 초반 동안 성장 인자와 DNA 손상은 사이클린 D 수치의 증가를 신호하며, 이는 Cdk4 및 Cdk6에 결합하여 CyclinD:Cdk4/6 복합체를 형성한다.[11] 이 복합체는 인산화를 통해 Rb를 비활성화하는 것으로 알려져 있다. CyclinD:Cdk4/6는 14개의 접근 가능하고 고유한 인산화 부위 중 하나에서 Rb를 단일 인산화 또는 모노인산화한다. 14개의 특정 모노인산화된 각 이소형은 E2F 계열 구성원에 대한 차별적인 결합 선호도를 가지며, 이는 포유류 신체 내의 세포 과정의 다양성을 증가시킬 가능성이 있다.[11]
E2F 4와 E2F 5는 핵 위치를 유지하기 위해 p107과 p130에 의존한다. 그러나 Cyclin D:Cdk 4/6은 또한 p107과 p130을 인산화하며, 이 과정은 E2F 4와 5에서 결합을 해제하고 (이후 세포질로 탈출), E2F 1–3이 DNA에 결합하여 사이클린 E의 전사를 시작할 수 있도록 한다.[10] Rb 단백질은 사이클린 E가 축적되어 Cdk2에 결합하는 동안 초기 G1기 동안 모노인산화 상태를 유지한다.
CyclinE:Cdk2는 G1에서 S기로의 전환에서 추가적인 중요한 인산화 역할을 한다. 특히 CyclinE:Cdk2는 "전부 아니면 전무" 스위치를 만드는 양성 피드백 루프를 촉진한다. 많은 유전자 제어 네트워크에서 양성 피드백은 세포가 세포 주기 단계를 앞뒤로 미끄러지지 않도록 한다.[12] Cyclin E:Cdk2는 Rb의 모든 인산화 부위에서 Rb를 인산화하여 "과인산화"라고도 하며, 이는 Rb의 완전한 비활성화를 보장한다. Rb의 과인산화는 늦은 G1 제한점으로 간주되며, 이 지점 이후 세포는 세포 주기에서 되돌아갈 수 없다. 이 시점에서 E2F 1-3 단백질은 DNA에 결합하여 사이클린 A와 Cdc 6을 전사한다.[11]
사이클린 의존성 키나아제 억제제 1B (CDKN1B), 즉 p27은 억제를 통해 CyclinE:Cdk2의 활성화를 결합하고 방지한다. 그러나 사이클린 A가 축적되어 Cdk2에 결합하면 복합체를 형성하고 p27을 억제한다. G1기 사이클린 의존성 키나아제는 S기 사이클린 의존성 키나아제와 함께 작용하여 p27을 분해한다. 결과적으로, 이는 E2F 1-3을 DNA 프로모터 부위에서 분리하기 시작하는 사이클린 A:Cdk2의 완전한 활성화를 허용하는 복합체를 허용한다. 이는 E2F 6–8이 DNA에 결합하여 전사를 억제할 수 있도록 한다.[10] 억제제인 p27을 성공적으로 억제하는 데 사용되는 음성 피드백 루프는 세포가 세포 주기를 통해 단일 방향으로 이동하고 되돌아가지 않도록 하기 위해 세포가 사용하는 또 다른 필수적인 과정이다.
DNA 손상이 발생하거나 세포가 G1기에서 세포 주기를 지연하거나 중단해야 하는 결함을 감지하면 여러 메커니즘을 통해 정지가 발생한다. 빠른 반응은 손상 유형에 따라 센서로 작용하는 키나아제 ATM (Ataxia telangiectasia mutated) 또는 ATR (Ataxia Telangiectasia and Rad3 관련)으로 시작하는 인산화 이벤트와 관련이 있다. 이러한 키나아제는 각각 이펙터 키나아제 Chk2 및 Chk1을 인산화하고 활성화하며, 이는 차례로 포스파타아제 Cdc25A를 인산화하여 유비퀴틴화 및 분해를 유도한다. Cdc25A는 CDK2에서 억제 인산기를 제거하여 이전에 언급한 사이클린 E-CDK2 복합체를 활성화하므로, Cdc25A가 없으면 사이클린 E-CDK2는 비활성 상태로 유지되고 세포는 G1기에 남아 있게 된다.
정지를 유지하기 위해 Chk2 또는 Chk1이 종양 억제 인자인 p53을 인산화하는 또 다른 반응이 시작되며, 이는 분해를 위해 표적으로 하는 유비퀴틴 리가아제인 Mdm2에 결합하는 것을 방지하여 p53을 안정화한다. 안정된 p53은 p21을 포함한 여러 표적 유전자의 전사 활성화제로 작용하며, 이는 G1에서 S기로의 촉진 복합체인 사이클린 E-CDK2의 억제제이다. 또한 p21이 활성화되는 또 다른 메커니즘은 DNA 손상에 대한 반응으로 p16이 축적되는 것이다. p16은 사이클린 D-CDK4 복합체를 파괴하여 p21을 복합체에서 방출시켜 Rb의 탈인산화 및 활성화를 유발하며, Rb가 E2F 1–3에 결합하고 억제하여 세포가 S기로 전환하는 것을 막는다.[13]
G1기에서 S기로 이행할 때의 검문 지점. G1기 DNA에 손상이 없는지, 앞으로의 DNA 복제를 위한 뉴클레오티드 등이 충분한지, 세포의 크기가 체크된다. 다세포 생물에서는 증식이 허용되는지 (예: 사이토카인이 있는지), 증식이 필요한 세포인지 등도 체크된다. 암 억제 유전자 산물인 p53와 Rb 및 Rb의 상동체는 이 제어를 담당한다고 알려져 있다.
이 제어가 DNA 손상 등으로 활성화되면 S기 시작, 즉 DNA 복제가 저해되어 세포는 G1기에 머무르게 된다. 효모 등에서 환경 조건이 좋지 않은 경우, 또는 다세포 생물에서 세포 분열이 적절하지 않은 경우, G1 정지가 길어지면 G0기라는 휴면 상태에 들어가는 경우도 있다. G0기에서는 단백질 합성이 억제되고, 세포 주기의 진행과 관련된 단백질이 부분적으로 분해된다.
3. 2. S기 검문 지점
S기 DNA 복제 속도를 제어하고, DNA 복제에 이상이 감지된 경우 복제를 늦추는 기작이 있다. DNA 손상에서는 인간의 ATM 단백질이 이 제어에 관여한다고 알려져 있다.
3. 3. G2/M 검문 지점
S기에서 DNA 복제가 완료된 후, 세포는 G2기라는 성장 단계를 거친다. 이 기간 동안 필요한 유사분열 단백질이 생성되고 세포는 증식하는 유사분열(M) 단계로의 진입을 위해 적절한 상태를 보장하기 위해 조절 메커니즘을 거친다. 여러 기작적 검문 지점이 G2에서 M으로의 전환에 관여하며, 사이클린-Cdk 활성이 공통적인 통합 요소이다.
유기체 간에 필요한 사이클린-Cdk 복합체의 변동이 존재하지만, 키나아제 활성의 필요성은 보존되며 일반적으로 단일 쌍에 초점을 맞춘다. 분열 효모에는 세 가지 다른 형태의 유사분열 사이클린이 존재하고, 출아 효모에는 여섯 가지가 있지만, 사용되는 주요 사이클린은 사이클린 B이다.[15] 사이클린 B는 G2/M 검문 지점 전환에 대한 논의의 기준으로 사용될 것이다.
S기와 유사하게, G2는 DNA 손상 검문 지점을 경험한다. 세포는 다시 DNA 손상 또는 불완전한 복제 부위를 검사하고, 키나아제 ATR과 ATM이 손상 부위로 모집된다. Chk1 및 Chk2의 활성화뿐만 아니라 p53 활성화도 일어나 세포 주기 정지를 유도하고 유사분열 진입을 중단시킨다. S기의 추가 구성 요소인 Pre-Replicative Complex는 사이클린 B-Cdk1 인산화를 통해 비활성화되어야 한다.[16]
이전 검문 지점이 평가됨에 따라, G2 단백질 축적은 여러 메커니즘을 통해 사이클린 B-Cdk1 활성을 활성화하는 역할을 한다. 사이클린 A-Cdk2는 사이클린 B-Cdk1의 활성제인 Cdc25를 활성화하고, 이는 다시 사이클린 B-Cdk1 억제제인 Wee1을 비활성화한다. 이로 인해 양성 피드백 루프가 발생하여 사이클린 B 발현과 Cdk1 활성이 크게 증가한다. 세포가 G2를 거쳐 G2/M 전환에 도달하면 키나아제 Plk1이 Wee1을 인산화시켜 SCF 유비퀴틴 연결 효소 복합체를 통해 Wee1을 분해한다.[17] Plk1의 추가 기능은 인산화를 통해 Cdc25를 활성화하는 것이다. Wee1 분해 및 Cdc25 활성화의 복합적인 효과는 cdc2에서 억제 인산화의 순 제거를 초래하여 cdc2를 활성화한다. Plk1은 G2 동안 축적되어 활성화 복합체를 형성하는 오로라 A와 보라에 의해 G2/M 전환에서 활성화된다. Plk1-Cdc2-cdc25 복합체는 cdc2를 추가로 활성화하는 양성 피드백 루프를 시작하고, G2 동안 사이클린 B 수준의 증가와 함께, 결과적인 cdc2-사이클린 B 복합체는 유사분열 진입을 촉진하는 하위 표적을 활성화한다.[18] 결과적인 Cdk1 활성은 또한 G2/M 전환 유전자 Mem1-Fkh의 발현을 활성화한다.[19]
사이클린 B-Cdk1 활성의 급증은 필수적이며, M 단계 개시는 히스테리시스를 유발하는 전반적인 또는 무(all-or-nothing) 이벤트이다. 사이클린 B를 통한 Cdk1 활성의 히스테리시스는 사이클린 B 농도의 최소 임계값을 설정하여 M 단계 진입을 유도한다. 이는 진입 후 M 단계의 지속에 필요한 최소 수준보다 높은 수준으로 존재하며, 전반적인 또는 무 이벤트의 안전을 보장하는 역할을 한다. 이 진입 농도는 불완전한 DNA 복제의 경우 더욱 증가하여 G2/M 전환 지점에서 또 다른 조절 메커니즘을 추가한다.[20] 히스테리시스의 존재는 사이클린 B-Cdk1 활성의 함수로 M 단계 진입을 고도로 조절할 수 있게 한다.
DNA 손상에 대한 반응으로 유사분열 진입이 방지되는 메커니즘은 G1/S 검문 지점의 메커니즘과 유사하다. DNA 손상은 앞서 언급한 ATM/ATR 경로의 활성화를 유발하며, 여기서 ATM/ATR은 Chk1/Chk2 검문 지점 키나아제를 인산화하고 활성화한다. Chk1/2는 cdc25를 인산화하는데, 억제될 뿐만 아니라 14-3-3 단백질에 의해 세포질에 격리된다. 14-3-3은 p53에 의해 상향 조절되며, p53은 앞서 언급했듯이 Chk1 및 ATM/ATR에 의해 활성화된다. p53은 또한 p21을 전사 활성화하고, p21과 14-3-3은 cdc2의 인산화 및 세포질 격리를 통해 사이클린 B-cdc2 복합체를 억제한다. 또한, cdc25의 비활성화는 cdc2를 탈인산화하고 활성화할 수 없게 한다.[21][22] 마지막으로, 손상 반응의 또 다른 메커니즘은 ATM/ATR에 의한 Plk1의 음성 조절을 통해 이루어지며, 이는 다시 Wee1 및 Myt1의 안정화를 초래하고, 이들은 cdc2를 인산화하고 억제하여 손상이 해결될 때까지 세포를 G2에 정지시킬 수 있다.[23]
개구리 난모세포에서 신호 전달 연쇄는 프로게스테론이 막 결합 수용체에 결합할 때 유도된다. 하류에서 Mos가 활성화된다. Mos는 MEK1을 인산화시키고, MEK1은 MAPK를 인산화시킨다. MAPK는 두 가지 역할을 한다. 즉, 사이클린 B-Cdk1 복합체를 활성화하여 세포 분열 진입을 시작하고 Mos를 활성화한다. Mos의 활성화는 양성 피드백 루프로 이어지므로, 유사분열에 대한 전부 아니면 전무 스위치 역할을 한다.[24]
이 피드백 루프는 MAPK-P(인산화된 MAPK) 농도가 프로게스테론의 증가에 반응하여 증가한다는 것을 보여줌으로써 처음 발견되었다. 단일 세포 수준에서, 각 세포는 완전히 인산화된 MAPK를 갖거나 인산화된 MAPK를 전혀 갖지 않았으며, 이는 각 세포에서 스위치와 같은 메커니즘으로 작용함을 확인했다. 또한 Mos 단백질 합성을 차단하면 MAPK-P 반응이 더 점진적으로 나타나며, Mos 단백질 합성이 MAPK 활성화의 전부 아니면 전무 특성에 필수적임을 보여주었다.[25]
이 과정은 불안정성을 사용하여 이해할 수 있다. 프로게스테론이 더 많이 추가됨에 따라 Mos 합성 속도가 변화한다. 각 곡선에는 안정적인 고정점과 불안정한 고정점이 있다. 불안정한 고정점에서 시스템은 안정적인 고정점 중 하나로 밀려난다. 따라서 시스템은 "켜짐" 상태 또는 "꺼짐" 상태 중 하나일 수 있으며 그 사이는 없다. 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 Mos 곡선이 더 높게 이동하여 궁극적으로 분해선과 한 점에서만 교차하므로 안정적인 "켜짐" 상태가 하나만 존재하며 이는 세포 분열 진입을 나타낸다.
세포 분열 전환 지점에서 보이는 비가역성은 세포 내 프로게스테론 수치가 충분히 높기 때문에 발생한다. 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 시스템은 Mapk와 Mos 사이의 양성 피드백 루프의 결과로 단일 안정 상태가 된다. 시스템이 이중 안정 상태에서 단일 안정 상태로 전환되는 지점을 안장점 분기라고 한다.
따라서 우리는 분열 전환의 전부 또는 전무, 비가역적 반응을 양성 피드백의 존재에 의존하는 이중 안정 시스템으로서 분자 조절기의 수학적 모델을 사용하여 이해할 수 있다. "꺼짐 상태"는 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 소멸되고 세포가 꺼짐 상태를 지나면 켜짐 상태에 갇히게 된다.
이 쌍안정 모델에서 유래하여, 우리는 유사분열 이행이 히스테리시스에 의존하여 진행된다고 이해할 수 있다. 히스테리시스는 시스템의 상태가 그 역사에 의존하는 것으로 정의된다. 노박-타이슨 모델은 세포 주기의 진행을 수학적으로 모델링한 것으로, 유사분열 진입과 탈출의 비가역적 전환이 히스테리시스에 의해 구동된다고 예측한다. 이 모델은 히스테리시스에 의존하는 세포 주기 진행을 보이는 순환 난모세포 추출물에서 다음 세 가지 기본 예측이 성립해야 한다고 제시한다:[26]
# 유사분열에 진입하는 데 필요한 사이클린 B의 농도는, 유사분열 추출물을 유사분열 상태로 유지하는 데 필요한 농도보다 높다.
# 복제되지 않은 DNA는 Cdc2 활성화에 필요한 사이클린의 수준을 높여, 유사분열 진입을 유발한다.
# 활성화 임계값 바로 위의 사이클린 B 농도에서 Cdc2 활성화 속도가 감소한다.
샤(Sha) 등은 2003년 ''아프리카 발톱개구리(Xenopus laevis)''의 난 추출물을 사용하여 이러한 히스테리시스적 특성을 입증하는 실험을 수행했다.[27] 순환 추출물을 사용하여, 그들은 Δ사이클린 B의 활성화 임계값이 32~42 nM 사이이고, 비활성화 임계값이 16~24 nM Δ사이클린 B 사이임을 관찰했다. 따라서, 이 실험은 이 시스템의 쌍안정성과 이 세포 주기 전환에서 히스테리시스의 중요성을 확인했다. 중간 사이클린 B 농도에서는 세포의 간기 또는 유사분열 상태가 모두 가능하다.
세포가 유사분열에 들어가는 것은 세포에게 크고 비용이 많이 드는 일이기 때문에, 이 단계로의 조기 진입을 막는 시스템이 갖춰져 있는 것은 논리적이다. DNA의 복제되지 않은 부분이 있는 것과 같이 이전 단계에서의 실수가 세포 주기의 진행을 막는 것으로 나타났다.[28] 노박-타이슨 모델은 이것이 유사분열 진입에 필요한 사이클린 B의 수준을 높임으로써 발생한다고 예측한다.[26]
Sha 등은 이것이 ''제노푸스'' 난자 추출물에서 사실인지 조사했다. 그들은 아피디콜린(APH)을 사용하여 DNA 중합효소를 억제하고 DNA 복제를 방지했다. 간기에 사이클린 B로 처리했을 때 활성화 임계값이 노박-타이슨 모델이 예측한 대로 80~100 nM 사이로 증가했다.[27] 따라서 이러한 실험은 세포 내 복제되지 않은 DNA의 스트레스가 히스테리시스 루프에 영향을 미치고 유사분열에 진입하기 위한 사이클린 B 임계값을 훨씬 높이는 결과를 낳는다는 것을 확인한다.
G2기에서 M기로 전환될 때의 체크포인트이다. 이 제어가 DNA 손상 등으로 활성화되면 M기 시작이 저해되어 세포는 G2기에 머무른다. DNA 손상 반응에서 ATR(ataxia-telangiectasia mutated related)이 스스로 또는 다른 인자에 의해 손상을 인식한 후 인산화를 받아 활성화되면, ATR은 Chk1을 인산화하여 활성화시킨다. 활성형 Chk1은 Cdc25A의 인산화를 촉진하고[37], Cdc25A에 의한 Cdc2의 탈인산화를 억제하므로, Cdc2는 고인산화된 비활성 상태로 유지되어 M기로 진행하지 못하고 세포 주기가 정지한다. 또한, 활성화된 p53(유전자 전사 인자)은 14-3-3s (샤페론)을 전사하고, 이것이 인산화된 Cdc25와 결합하여 핵 밖으로 배출되므로, Cdc2가 비활성 상태로 유지된다. 따라서 M기 진행이 억제된다. DNA 손상 인식 후 ATR의 인산화에 관여하는 인자는 현 시점에서는 명확하지 않지만, 인간 암 억제 유전자 산물 BRCA1이 그 역할을 담당하며, DNA 손상에 반응하는 G2/M 체크포인트의 제어를 담당하고 있다고도 한다.
DNA 복제 종료를 기다리지 않고, M기가 시작되는 효모 변이주를 고려하면, 감시(체크) 기간은 S기에서 G2기에 걸친 비교적 긴 기간으로 생각된다.
3. 3. 1. G2/M 전환의 조절 메커니즘 (''Xenopus'' 난모세포 모델)
개구리 난모세포에서 신호 전달 연쇄는 프로게스테론이 막 결합 수용체에 결합할 때 유도된다. 하류에서 Mos가 활성화된다. Mos는 MEK1을 인산화시키고, MEK1은 MAPK를 인산화시킨다. MAPK는 두 가지 역할을 한다. 즉, 사이클린 B-Cdk1 복합체를 활성화하여 유사 분열 진입을 시작하고 Mos를 활성화한다. Mos의 활성화는 양성 피드백 루프로 이어지므로, 유사분열에 대한 전부 아니면 전무 스위치 역할을 한다.[24]
이 피드백 루프는 MAPK-P(인산화된 MAPK) 농도가 프로게스테론의 증가에 반응하여 증가한다는 것을 보여줌으로써 처음 발견되었다. 단일 세포 수준에서, 각 세포는 완전히 인산화된 MAPK를 갖거나 인산화된 MAPK를 전혀 갖지 않았으며, 이는 각 세포에서 스위치와 같은 메커니즘으로 작용함을 확인했다. 또한 Mos 단백질 합성을 차단하면 MAPK-P 반응이 더 점진적으로 나타나며, Mos 단백질 합성이 MAPK 활성화의 전부 아니면 전무 특성에 필수적임을 보여주었다.[25]
이 과정은 불안정성을 사용하여 이해할 수 있다. 프로게스테론이 더 많이 추가됨에 따라 Mos 합성 속도가 변화한다. 각 곡선에는 안정적인 고정점과 불안정한 고정점이 있다. 불안정한 고정점에서 시스템은 안정적인 고정점 중 하나로 밀려난다. 따라서 시스템은 "켜짐" 상태 또는 "꺼짐" 상태 중 하나일 수 있으며 그 사이는 없다. 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 Mos 곡선이 더 높게 이동하여 궁극적으로 분해선과 한 점에서만 교차하므로 안정적인 "켜짐" 상태가 하나만 존재하며 이는 세포 분열 진입을 나타낸다.
세포 분열 전환 지점에서 보이는 비가역성은 세포 내 프로게스테론 수치가 충분히 높기 때문에 발생한다. 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 시스템은 Mapk와 Mos 사이의 양성 피드백 루프의 결과로 단일 안정 상태가 된다. 시스템이 이중 안정 상태에서 단일 안정 상태로 전환되는 지점을 안장점 분기라고 한다.
따라서 우리는 분열 전환의 전부 또는 전무, 비가역적 반응을 양성 피드백의 존재에 의존하는 이중 안정 시스템으로서 분자 조절기의 수학적 모델을 사용하여 이해할 수 있다. "꺼짐 상태"는 프로게스테론 수치가 충분히 높으면 소멸되고 세포가 꺼짐 상태를 지나면 켜짐 상태에 갇히게 된다.
이 쌍안정 모델에서 유래하여, 우리는 유사분열 이행이 히스테리시스에 의존하여 진행된다고 이해할 수 있다. 히스테리시스는 시스템의 상태가 그 역사에 의존하는 것으로 정의된다. 노박-타이슨 모델은 세포 주기의 진행을 수학적으로 모델링한 것으로, 유사분열 진입과 탈출의 비가역적 전환이 히스테리시스에 의해 구동된다고 예측한다. 이 모델은 히스테리시스에 의존하는 세포 주기 진행을 보이는 순환 난모세포 추출물에서 다음 세 가지 기본 예측이 성립해야 한다고 제시한다:[26]
# 유사분열에 진입하는 데 필요한 사이클린 B의 농도는, 유사분열 추출물을 유사분열 상태로 유지하는 데 필요한 농도보다 높다.
# 복제되지 않은 DNA는 Cdc2 활성화에 필요한 사이클린의 수준을 높여, 유사분열 진입을 유발한다.
# 활성화 임계값 바로 위의 사이클린 B 농도에서 Cdc2 활성화 속도가 감소한다.
샤(Sha) 등은 2003년 ''아프리카 발톱개구리(Xenopus laevis)''의 난 추출물을 사용하여 이러한 히스테리시스적 특성을 입증하는 실험을 수행했다.[27] 순환 추출물을 사용하여, 그들은 Δ사이클린 B의 활성화 임계값이 32~42 nM 사이이고, 비활성화 임계값이 16~24 nM Δ사이클린 B 사이임을 관찰했다. 따라서, 이 실험은 이 시스템의 쌍안정성과 이 세포 주기 전환에서 히스테리시스의 중요성을 확인했다. 중간 사이클린 B 농도에서는 세포의 간기 또는 유사분열 상태가 모두 가능하다.
3. 4. 방추사 검문 지점 (Spindle assembly checkpoint, SAC)
유사분열 방추 점검 지점은 모든 염색체가 유사분열판에 정렬되어 양극성 장력을 받을 때 중기에서 발생한다. 이러한 양극성 부착에 의해 생성된 장력이 감지되어 후기 진입을 시작한다. 이를 위해 감지 메커니즘은 후기 촉진 복합체(APC/C)가 더 이상 억제되지 않도록 보장하며, 이제 D-box(파괴 상자)를 포함하는 사이클린 B를 분해하고 세큐린을 분해할 수 있다.[29] 후자는 분리 효소를 억제하는 단백질이며, 분리 효소는 다시 자매 염색체의 응집을 담당하는 단백질 복합체인 코헤신을 절단한다.[30] 일단 이 억제 단백질이 유비퀴틴화 및 후속 단백질 분해를 통해 분해되면, 분리 효소는 자매 염색체의 분리를 유발한다.[31]
M기(유사분열기) 도중에 있는 체크포인트로, 스핀들 체크가 수행된다. M기 세포에서는 G2기까지의 단계에서 복제된 한 쌍을 이루는 염색 분체가 서로 센트로미어 부근에서 코히신 복합체에 의해 가교 결합하고, 또한 이 코히신을 절단하는 단백질 분해 효소인 세파라아제가 세큐린과 결합함으로써 불활성화된 상태로 존재한다.
유사분열 과정의 다음 단계로서, 세포의 양극에서 뻗어 나오는 방추사 (미세소관)가 각각의 염색 분체의 키네토코어(센트로미어의 일부)에 결합한다. 한 쌍의 염색 분체가 대칭이 되도록, 정확하고 동시에 방추사를 통해 세포의 양극에 결합하고 있는지 여부가 체크된다.
후기 염색 분체의 이동에 있어서는, 유비퀴틴 리가아제인 APC/C가 Cdc20과 결합하여 활성화되는 것이 필요하다. 방추사가 정확하게 형성되면, Cdc20의 억제 단백질인 Mad2가 Cdc20과의 결합에서 벗어나, APC/C와 결합한다. 활성화된 APC/C에 의해, 세큐린 단백질이 유비퀴틴화되고, 프로테아좀 의존적으로 분해됨으로써 세파라아제가 활성화되어, 염색 분체 간을 가교하는 코히신 단백질이 절단된다. 이에 따라, 염색 분체는 방추체 극으로 이동이 가능하게 된다. 염색 분체가 양극에서 뻗어 나온 미세소관과 동등하게 결합하지 않은 동안에는, 오로라 키나아제 등의 스핀들 체크포인트 단백질의 감시에 의해 APC/C의 활성화가 억제되어, 염색 분체의 분리를 억제한다. 세포가 두 개의 딸 세포로 분열된 후, 세포는 G1기에 진입한다.
4. 암과의 관련성
DNA 복구 과정과 세포 주기 검문 지점은 게놈 안정성과 세포 진행을 조절하는 기능 때문에 암과 밀접하게 연관되어 있다. 이러한 경로의 기능 장애가 특정 암의 발병과 연결되는 정확한 분자 메커니즘은 대부분의 경우 잘 알려져 있지 않다.[32]
ATM의 손실은 과도한 상동 재조합으로 인해 림프종 발병에 앞서 나타나는 것으로 밝혀졌으며, 이는 높은 게놈 불안정성을 초래한다.[33] 쥐에서 Chk1의 파괴는 세포 주기 검문 지점의 심각한 오작동, DNA 손상의 축적, 종양 발생률 증가로 이어졌다.[34] BRCA1 또는 BRCA2의 단일 돌연변이 유전은 여성에게 유방암과 난소암을 유발한다.[35] BRCA1은 S기와 G2/M기 전이에 필요하며, DNA 손상에 대한 세포 반응에 관여하는 것으로 알려져 있다. BRCA2는 상동 재조합 및 S기 검문 지점 조절에 관여하는 것으로 여겨지며, BRCA2의 돌연변이 및 결함은 종양 발생과 강하게 연관되어 있다.[36]
다음 사실들로부터, 세포 주기 검문 지점 제어의 부분적인 파괴는 암 발생과 진행(즉, 세포의 무제한적인 이상 증식)의 주요 원인 중 하나로 추측된다.
- 주요 종양 억제 유전자 산물인 p53, Rb, BRCA1은 세포 주기 검문 지점 제어에도 관여한다.
- 많은 종양 억제 유전자 산물은 인간 암에서 빈번하게 불활성화되어 있으며, 많은 암의 원인이 되는 경우가 많다.
- 세포 주기 검문 지점은 정확한 유전 정보 전달을 위한 기본적인 제어 기구이며, 그 이상은 유전적 불안정성을 초래한다.
- 유전적 불안정성은 많은 암세포의 주요 특징이다.
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