세포자살
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1. 개요
세포자살은 세포의 자발적인 죽음을 의미하며, 1842년 처음 원리가 설명된 이후 연구가 진행되어 2002년에는 관련 유전자 발견으로 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 세포자살은 세포 내외의 다양한 원인에 의해 활성화되며, 미토콘드리아 경로와 외부 신호 경로를 통해 카스파제 연쇄 반응을 유도하여 세포를 분해한다. 세포자살은 생명체의 발생과 면역 반응에 중요한 역할을 하며, 조절 이상은 알츠하이머병, 파킨슨병, 암, HIV 감염 등 다양한 질병의 원인이 된다. 세포자살 조절을 통한 치료법은 세포자살을 촉진하거나 억제하는 방식으로 이루어지며, 식물에서도 유사한 과정이 나타난다. 카스파제 비의존적 세포자살 경로도 존재한다.
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세포자살 | |
---|---|
정의 | |
유형 | 프로그래밍된 세포 사멸의 한 형태 |
설명 | 세포가 능동적으로 죽는 과정. 세포의 생애 주기에서 중요한 역할 수행. |
개요 | |
어원 | 그리스어 ἀπόπτωσις(apóptōsis, "떨어져 나감")에서 유래 나뭇잎이 떨어지는 모습에 비유 |
특징 | 세포 수축 염색질 응축 세포막의 변화 apoptotic body 형성 |
과정 | |
활성화 경로 | 내인성 경로 (미토콘드리아 경로) 외인성 경로 (수용체 경로) |
실행 단계 | caspase 활성화 및 세포 구성 요소 분해 |
역할 | |
생리학적 역할 | 배아 발달 과정에서 불필요한 세포 제거 면역 세포 발달 및 기능 유지 조직 항상성 유지 |
병리학적 역할 | 암 자가면역 질환 신경 퇴행성 질환 바이러스 감염 |
관련 용어 | |
관련 용어 | 괴사(necrosis) |
추가 정보 | |
참고 문헌 | Green D, Means to an End: Apoptosis and other Cell Death Mechanisms (2011) |
2. 역사
카를 보크트는 1842년에 세포자멸사의 원리를 처음으로 설명했다. 1885년 발터 플레밍은 프로그램된 세포 사멸 과정을 더욱 정확하게 묘사했다. 존 커는 퀸즐랜드 대학교에서 전자 현미경을 사용하여 조직을 연구하던 중 외상성 세포 사멸과 세포자멸사를 구별하였다.[7] 1972년, 존 커, 앨러스테어 커리, 앤드루 와일리는 《영국 암 저널》에 세포자살(Apoptosis)이라는 용어를 처음 사용한 논문을 발표했다.[9] 커는 세포자멸사에 대한 설명을 인정받아 2000년 3월 14일에 파울 에를리히 및 루드비히 다르름슈테터 상을 수상했다. 그는 보스턴 생물학자 H. 로버트 호비츠와 상을 공동 수상했다.[10]
세포자살은 세포 안팎의 다양한 요인에 의해 일어날 수 있다.
1988년에는 여포 림프종의 원인 유전자인 BCL2가 세포자살을 억제하는 단백질을 암호화한다는 것이 밝혀지면서 세포자살이 주요 연구 분야로 부상하게 되었다.[11]
시드니 브레너, H. 로버트 호비츠, 존 설스턴은 세포자살을 제어하는 유전자를 확인하는 연구를 통해 2002년 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 이 유전자는 선충 ''예쁜꼬마선충''에 대한 연구를 통해 확인되었으며, 이 유전자의 상동체는 인간에서 세포자멸사를 조절하는 기능을 한다.
그리스어로 세포자멸사는 나무에서 잎이 "떨어져 나가는" 것을 의미한다. 그리스어 교수인 코맥은 2천 년 전에 그리스인들에게 의학적 의미가 있었던 용어를 의학적 용도로 다시 도입했다. 히포크라테스는 이 용어를 "뼈가 떨어져 나가는 것"을 의미하는 데 사용했다. 갈레노스는 그 의미를 "딱지가 떨어지는 것"으로 확장했다.
3. 원인
세포 내부 요인으로는 미토콘드리아의 시토크롬 c 방출이 있다. 헬리코박터균의 독소 vacA는 미토콘드리아 막의 투과성을 높여 시토크롬 c가 세포질로 나오게 한다. 이는 DNA 분해 효소인 CAD를 활성화시켜 세포의 DNA를 분해하고 세포자살을 유발한다. Bcl 패밀리는 미토콘드리아 막의 투과성을 낮춰 시토크롬 c 유출을 막아 세포자살을 억제하는 단백질군이다. 이 외에도 DNA 손상, 소포체 스트레스 등이 세포 내부 요인으로 작용한다.
세포 외부 요인으로는 종양 괴사 인자(TNF), Fas 리간드 등과 같은 사이토카인에 의한 신호가 있다. TNF-α는 활성화된 대식세포에서 생성되는 사이토카인으로, 세포자살의 주요 외부 매개체이다. TNF-α는 세포막의 TNFR1, TNFR2 수용체와 결합하여 세포자살을 유도한다.
3. 1. 미토콘드리아 경로 (내부 요인)
세포가 스트레스를 받으면 세포 내부 신호가 방출되고, 미토콘드리아 막 사이 공간에서 단백질이 방출되어 세포자살이 활성화된다. 미토콘드리아는 세포 호흡에 필수적인 세포소기관으로, 미토콘드리아가 없으면 세포는 빠르게 죽는다. 세포자살 단백질은 미토콘드리아 막에 통로를 만들거나 막 투과성을 높여 세포자살을 유도한다.[16][24] 일산화 질소(NO)는 미토콘드리아의 막 전위를 소모시켜 투과성을 높임으로써 세포자살을 유도한다.[25]
미토콘드리아 막 투과성이 증가하면 SMAC (Second mitochondria-derived activator of caspases) 단백질이 방출된다. SMAC은 세포자살 억제 단백질(IAP)에 결합하여 그 활성을 억제함으로써 세포자살을 촉진한다. IAP는 카스파제의 활성을 억제하는 역할을 하는데, SMAC에 의해 간접적으로 카스파제가 활성화되어 세포자살이 일어난다.[28]
시토크롬 c는 미토콘드리아 외막에 형성된 채널을 통해 세포질로 방출된다. 방출된 시토크롬 c는 Apaf-1 (Apoptotic protease activating Factor-1)와 ATP와 결합하여 아폽토솜을 형성한다. 아폽토솜은 pro-caspase-9을 caspase-9으로 활성화시켜 세포자살 신호전달을 일으킨다.
미토콘드리아 외막 투과성을 조절하는 MOMP (Mitochondrial Outer Membrane Permeabilization Pore)는 Bcl-2 단백질에 의해 통제되므로, Bcl-2 단백질 역시 세포자살에 중요한 역할을 한다.
3. 2. 외부 신호 경로 (외부 요인)
TNF-α는 주로 활성화된 대식세포에서 생성되는 사이토카인이며, 세포 자멸사의 주요 외부 매개체이다. 인체 내 대부분의 세포는 TNF-α에 대한 두 개의 수용체, TNFR1과 TNFR2를 가지고 있다. TNF-α가 TNFR1에 결합하면 중간 막 단백질인 TNF 수용체 연관 사멸 도메인(TRADD) 및 Fas 연관 사멸 도메인 단백질(FADD)을 통해 카스파제 활성화를 유도하는 경로가 시작되는 것으로 나타났다.[30] cIAP1/2는 TRAF2에 결합하여 TNF-α 신호를 억제할 수 있다. FLIP은 카스파제-8의 활성화를 억제한다.[30] 이 수용체의 결합은 또한 세포 생존 및 염증 반응과 관련된 전사 인자의 활성화를 간접적으로 유도할 수 있다.[31] 그러나 TNFR1을 통한 신호 전달은 카스파제와 무관한 방식으로 세포 자멸사를 유도할 수도 있다.[32] TNF-α와 세포 자멸사 간의 연관성은 TNF-α의 비정상적인 생성이 특히 자가면역 질환을 포함한 여러 인간 질병에서 근본적인 역할을 하는 이유를 보여준다.
TNF-α 수용체 슈퍼패밀리에는 DR4 및 DR5와 같은 사멸 수용체(DR)도 포함된다. 이러한 수용체는 단백질 TRAIL에 결합하여 세포 자멸사를 매개한다. 세포 자멸사는 표적 항암 치료의 주요 기전 중 하나로 알려져 있다.[33] 최근에는 TRAIL을 모방하고 암세포의 사멸 수용체에 결합하여 세포 자멸사를 유도하는 발광 이리듐 복합체-펩타이드 하이브리드(IPH)가 설계되었다.[34]
4. 활성화 메커니즘
세포자살의 시작은 활성화 메커니즘에 의해 매우 엄격하게 통제된다. 세포자살이 일단 시작되면 비가역적으로 세포가 죽기 때문이다. 따라서 세포자살이 필요할 때까지 엄격하게 규제되는 것은 놀랄 일이 아니다. 두 가지 주요 활성화 메커니즘은 내부 요인에 의한 세포자살 (미토콘드리아성, intrinsic pathway)과 외부 요인에 의한 세포자살(extrinsic pathway)이다.[2]
- '''내인성 경로'''(또는 미토콘드리아 경로): 세포가 스트레스를 받을 때 생성되는 세포 내 신호에 의해 활성화되며, 미토콘드리아 내막 공간으로부터 단백질 방출에 의존한다.[15][16][17][18][19][20]
- '''외인성 경로''': 세포 표면의 사멸 수용체에 세포 외부 리간드가 결합하여 사멸 유도 신호 복합체(DISC)가 형성되면서 활성화된다.[29][30][31][32]
포유류에서 세포자멸사 기전의 직접적인 개시와 관련하여 두 가지 이론이 제시되었다. 바로 ''TNF 유도'' (종양 괴사 인자) 모델과 ''Fas-Fas 리간드 매개'' 모델이며, 둘 다 외인성 신호에 연결된 ''TNF 수용체'' (TNFR) 계열의 수용체를 포함한다.
- '''TNF 유도 모델''': TNF-α는 주로 활성화된 대식세포에 의해 생성되는 사이토카인이며, 세포 자멸사의 주요 외부 매개체이다. 인체 내 대부분의 세포는 TNF-α에 대한 두 개의 수용체, TNFR1과 TNFR2를 가지고 있다. TNF-α가 TNFR1에 결합하면 중간 막 단백질인 TNF 수용체 연관 사멸 도메인(TRADD) 및 Fas 연관 사멸 도메인 단백질(FADD)을 통해 카스파제 활성화를 유도하는 경로가 시작된다.
- '''Fas-Fas 리간드 매개 모델''': TNF-α 수용체 슈퍼패밀리에는 DR4 및 DR5와 같은 사멸 수용체(DR)도 포함된다. 이러한 수용체는 단백질 TRAIL에 결합하여 세포 자멸사를 매개한다.
세포 자멸사는 표적 항암 치료의 주요 기전 중 하나로 알려져 있다.[33] 최근에는 TRAIL을 모방하고 암세포의 사멸 수용체에 결합하여 세포 자멸사를 유도하는 발광 이리듐 복합체-펩타이드 하이브리드(IPH)가 설계되었다.[34]
다세포 생물의 생체 내에서는 암화된 세포(그 외 내부에 이상을 일으킨 세포)의 대부분은 아폽토시스에 의해 제거되어 왔으며, 이로 인해 대부분의 종양 성장이 미연에 방지되고 있다.
아폽토시스를 개시시키는 세포 내 신호 전달 경로는 주로 선충의 유전학적 연구로부터 밝혀졌다. 이후 선충이나 곤충으로부터 포유류까지 다세포 동물의 아폽토시스 경로에는 공통점이 많다는 것이 밝혀졌다. 이것은 매우 복잡하게 조절되는 네트워크이지만, 카스파제라고 총칭되는 일련의 프로테아제가 중심적인 역할을 하며, 하류의 카스파제를 차례로 절단·활성화해 가는 것, 또한 "아폽토시스의 사령탑"인 미토콘드리아도 중요한 역할을 한다.
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- TNF나 Fas 리간드 등의 사이토카인(데스 리간드)에 의한 세포 외부로부터의 신호 ⇒ 수용체(데스 수용체) ⇒ 카스파제-8, -10 ⇒ 카스파제-3
- DNA 손상 등 ⇒ p53 ⇒ 미토콘드리아 상의 Bax, Bak 등의 단백질로 구성된 신호 계에 의한 제어(또는 미토콘드리아 자체의 이상) ⇒ 미토콘드리아로부터 시토크롬 c의 누출 ⇒ 카스파제-9 ⇒ 카스파제-3
- 소포체 스트레스 (소포체에서 이상한 단백질이 생성되는 등) ⇒ 카스파제-12 ⇒ 카스파제-3
카스파제-3이 그 외의 단백질을 분해하는 등 아폽토시스를 실행한다.
5. 카스파제 연쇄 반응
Caspase는 세포자살 신호 전달에 핵심적인 역할을 하는 고도로 보존된 시스테인 의존성 아스파트산 특이적 단백질 분해 효소이다. Caspase에는 개시 caspase (caspase 2, 8, 9, 10, 11, 12)와 실행 caspase (caspase 3, 6, 7)의 두 가지 유형이 있다.[37] 개시 caspase의 활성화에는 특정 올리고머 활성 단백질에 결합하는 것이 필요하다. 실행 caspase는 이후 이러한 활성 개시 caspase에 의해 단백질 분해 절단을 통해 활성화된다. 활성 실행 caspase는 세포 사멸 프로그램을 수행하기 위해 일련의 세포 내 단백질을 단백질 분해적으로 분해한다.[37]
Fas 수용체와 Fas 리간드의 상호작용은 FADD, caspase-8 및 caspase-10을 포함하는 ''사멸 유도 신호 복합체'' (DISC)를 형성한다. 일부 세포 유형(I형)에서 처리된 caspase-8은 다른 caspase 계열 구성원을 직접 활성화하여 세포의 세포자멸사를 실행한다. 다른 유형의 세포(II형)에서는 ''Fas''-DISC가 미토콘드리아에서 세포자멸사 유도 인자의 방출을 증가시키고 caspase-8의 활성화를 증폭시키는 피드백 루프를 시작한다.[35]
포유류 세포에서 세포자멸사 촉진 (BAX,[36] BID, BAK, 또는 BAD)과 세포자멸사 억제 (''Bcl-Xl'' 및 ''Bcl-2'') ''Bcl-2'' 계열 구성원 간의 균형이 확립된다. 이 균형은 미토콘드리아 외막에서 형성되는 세포자멸사 촉진 동종이량체의 비율이다. 세포자멸사 촉진 동종이량체는 시토크롬 c 및 SMAC과 같은 카스파제 활성제의 방출을 위해 미토콘드리아 막을 투과성으로 만드는 데 필요하다.[37]
세포 외부로부터의 신호, DNA 손상, 소포체 스트레스 등 다양한 경로를 통해 아폽토시스가 개시될 수 있다.[37]
- TNF나 Fas 리간드 등의 사이토카인(데스 리간드)에 의한 세포 외부로부터의 신호 ⇒ 수용체(데스 수용체) ⇒ 카스파제-8, -10 ⇒ 카스파제-3
- DNA 손상 등 ⇒ p53 ⇒ 미토콘드리아 상의 Bax, Bak 등의 단백질로 구성된 신호 계에 의한 제어(또는 미토콘드리아 자체의 이상) ⇒ 미토콘드리아로부터 시토크롬 c의 누출 ⇒ 카스파제-9 ⇒ 카스파제-3
- 소포체 스트레스 (소포체에서 이상한 단백질이 생성되는 등) ⇒ 카스파제-12 ⇒ 카스파제-3
카스파제-3이 그 외의 단백질을 분해하는 등 아폽토시스를 실행한다.
6. 세포자살 과정
세포가 자극을 받으면 활성화된 단백질 분해 효소인 카스파제에 의해 세포 내 소기관이 조직적으로 분해된다. 세포 내 소기관의 파괴 외에도, mRNA(메신저 RNA)가 빠르고 광범위하게 분해된다.[45]
세포자살을 겪는 세포는 일련의 특징적인 형태학적 변화를 보인다. 초기 변화는 다음과 같다.
# 라멜리포디아의 수축과 카스파제에 의한 단백질성 세포 골격의 붕괴로 인해 세포가 수축하고 둥글게 된다.[46]
# 세포질은 밀도가 높아 보이며, 소기관은 빽빽하게 보인다.
# 핵막에 대해 염색질이 뭉쳐지는 핵농축이 일어난다.[47][48]
# 핵막이 불연속해지고 그 안의 DNA가 단편화되어 핵파편화라는 과정이 일어난다. DNA의 분해로 인해 핵이 여러 개의 개별적인 ''염색질 덩어리'' 또는 ''뉴클레오솜 단위''로 쪼개진다.[49]
세포자멸사는 빠르게 진행되고 그 산물은 신속하게 제거되므로, 일반적인 조직학적 절편에서는 검출하거나 시각화하기가 어렵다. 핵파편화 동안 엔도뉴클레이스 활성화는 크기가 규칙적으로 배열된 짧은 DNA 단편을 남긴다. 이들은 전기 영동 후 한천 겔에서 특징적인 "래더" 모양을 나타낸다.[50] DNA 래더링 검사는 세포자멸사를 허혈 또는 독성 세포 사멸과 구별한다.[51]
세포 자살 세포가 처리되기 전에 분해 과정이 진행된다. 세포 자살 세포 분해에는 세 가지 단계가 있다.[53]
# 막 블레빙: 세포막은 블레브라고 알려진 불규칙한 싹을 보인다. 초기에는 표면에 작은 블레브가 형성된다. 이후 이들은 더 커져서 동적 막 블레브라고 불린다.[53] 세포 자살 세포 막 블레빙의 중요한 조절 인자는 ROCK1 (로 연관 코일 코일 함유 단백질 키나아제 1)이다.[54][55]
# 막 돌출부 형성: 특정 조건에서 일부 세포 유형은 막 돌출부라고 불리는 길고 얇은 세포막 확장의 다양한 유형을 개발할 수 있다. 세 가지 유형이 설명되어 있다: 미세 소관 스파이크, '''아포토포디아''' (''죽음의 발''), 그리고 '''비드 아포토포디아''' (후자는 구슬 꿰기 모양을 가짐).[56][57][58] 패넥신 1은 아포토포디아 및 비드 아포토포디아 형성에 관여하는 막 채널의 중요한 구성 요소이다.[57]
# 분열: 세포는 ''세포 자살 소체''라고 불리는 여러 개의 소포로 분해되어 식작용을 겪는다.
이웃한 식세포에 의한 죽은 세포의 제거는 에페로시토시스라고 불린다.[59] 최종 세포자멸사 단계를 겪는 죽어가는 세포는 세포 표면에 포스파티딜세린과 같은 식세포 작용 분자를 나타낸다.[60] 포스파티딜세린은 일반적으로 세포막의 내부 리플릿 표면에서 발견되지만, 세포자멸사 동안 스크램블라제라고 알려진 단백질에 의해 세포 외 표면으로 재분배된다.[61] 이러한 분자는 대식세포와 같이 적절한 수용체를 가진 세포에 의한 식작용을 위해 세포를 표시한다.[62] 식세포에 의한 죽어가는 세포의 제거는 염증 반응을 유발하지 않고 질서 정연하게 일어난다.[63] 세포자멸사 동안 세포 RNA와 DNA는 서로 분리되어 다른 세포자멸사 소체로 분류된다; RNA 분리는 핵소체 분리를 통해 시작된다.[64]
특징을 순서대로 정리하면 다음과 같다.
# 세포막 구조 변화 (세포가 둥글게 되고, 급속히 축소됨), 인접 세포로부터 떨어짐
# 핵 크로마틴 응축
# 핵 응축 (핵농축)
# DNA 단편화 (DNA가 짧은 단위, 뉴클레오솜으로 절단됨)
# 세포가 작은 "아폽토시스 소포"로 분해됨
# 대식세포 등의 조직구와 주변 세포가 아폽토시스 소포를 탐식[115]
7. 방어 기제
세포자살은 병원균에 대한 면역 반응에도 중요하다. 세포독성 T세포는 감염된 세포를 인지하여, 퍼포린과 그랜자임이라는 효소를 방출한다. 퍼포린은 감염된 세포에 구멍을 만들고, 그랜자임은 그 구멍을 통해 침투하여 해당 세포의 카스페이스를 활성화한다. 이 과정은 감염된 세포를 사멸시키고 정상 세포로 대체하기 위한 첫 번째 과정이다.
8. 질병에서의 세포자살
세포자살 조절 이상은 다양한 질병의 원인이 될 수 있다. 세포자살 억제는 암세포의 생존과 증식을 촉진하며, 과도한 세포자살은 신경 세포 사멸을 유발하여 알츠하이머병, 파킨슨병 등의 신경퇴행성 질환을 일으킬 수 있다. 또한, 인간 면역 결핍 바이러스(HIV)는 CD4+ T 세포의 세포자살을 촉진하여 후천성 면역 결핍 증후군(AIDS)을 유발한다.
암세포자살의 음성 조절은 세포 사멸 신호 전달 경로를 억제하여 종양이 세포 사멸을 피하고 약물 내성을 갖도록 돕는다. 항세포자멸 단백질(Bcl-2)과 세포자멸 촉진 단백질(Bax)의 비율은 세포의 생존 여부를 결정한다.[85][43] IAP, Bcl-2 단백질과 같은 항세포자멸 인자, 또는 cFLIP, BNIP3, FADD, Akt, 및 NF-κB와 같은 생존 촉진 인자들이 음성 조절에 관여한다.[44]
APAF1, FADD, 종양 괴사 인자(TNF), 그리고 여러 카스파제 유전자를 제거(녹아웃)한 실험을 통해 각 단백질의 기능을 확인했다. TNF-/- 마우스는 정상적으로 발달했지만, 특정 항원에 대한 항체 반응에 결함을 보였다.[66] APAF-1 -/- 마우스는 배아 치사적이었으며, 척추 이분증, 지간 웹의 지속, 열린 뇌와 같은 형태적 변화를 보였다.[68] BAX-1 녹아웃 마우스는 일부 신경 세포 집단에서 프로그램된 세포사가 감소하여 운동 신경 세포가 증가했다.[68]
카스파제 단백질은 세포자살 경로의 필수적인 부분이며, 카스파제 9 녹아웃은 심각한 뇌 기형을 초래하고, 카스파제 8 녹아웃은 심부전 및 배아 치사성을 유발한다. 카스파제 3 녹아웃은 뇌의 이소성 세포 덩어리와 같은 비정상적인 세포자살 특징을 보였다. Casp3, 9, APAF-1 KO 마우스는 신경 조직 변형을, FADD 및 Casp 8 KO는 심장 발달 결함을 보였지만, 다른 장기는 정상적으로 발달했고 일부 세포 유형은 여전히 세포자살 자극에 민감하여 알려지지 않은 세포자멸사 경로가 존재함을 시사한다.
NCI-H460 폐암 세포주에서는 ''X-연관 세포자살 억제 단백질''(XIAP)이 과발현되어 세포자살이 억제된다.[76] 암세포에서 전사 인자 NF-κB 조절 결함은 세포자살 신호에 대한 반응을 변경하여 암 전이를 유발할 수 있다.[77]
종양 억제 단백질 p53은 DNA 손상 시 축적되어 세포자살을 촉진한다.[78][79] ''p53'' 또는 인터페론 유전자 조절에 문제가 생기면 세포자살이 손상되고 종양이 형성될 수 있다.
HeLa 세포의 세포자멸사는 망막모세포종 종양 억제 단백질을 표적으로 하는 억제 단백질에 의해 억제된다.[99] 사람 유두종 바이러스(HPV)의 E6 및 E7 단백질은 각각 p53과 망막모세포종 단백질을 비활성화시켜 HeLa 세포의 불멸성에 기여한다.[82][83][84]
신경퇴행성 질환세포 자멸사의 조절 상실(과도한 세포 자멸사)은 알츠하이머병[87] 및 파킨슨병[88]과 같은 신경 퇴행성 질환을 유발할 수 있다.
HIV 감염인간 면역 결핍 바이러스(HIV) 감염이 후천성 면역 결핍 증후군(AIDS)로 진행되는 것은 CD4+ T-도우미 림프구의 고갈 때문이며, 이는 조절되지 않는 세포자살로 인해 가속화된다.[92] HIV 효소는 항세포자살 ''Bcl-2''를 비활성화시키고, 세포자살 촉진성 ''procaspase-8''을 활성화시킨다.[92] 또한, HIV는 Fas 매개 세포자살을 유도하는 단백질 수준을 증가시키고, 세포막의 CD4 당단백질 마커 양을 감소시킨다.[92] 방출된 바이러스 입자와 단백질은 주변 T-도우미 세포에서 세포자살을 유도하며, HIV는 세포자살을 위한 세포 표시 분자 생산을 감소시킨다.[92] 감염된 CD4+ 세포는 세포독성 T 세포로부터 죽음 신호를 받을 수 있다.[92] HIV-1 발현은 세뇨관 세포 G2/M 정지 및 세포자살을 유도한다.[93]
일본 구마모토 대학 연구팀은 바이러스 저장소 세포에서 HIV를 제거하는 "Lock-in and apoptosis" 방법을 개발했다. 합성 화합물 L-Hippo는 HIV 단백질 PR55Gag에 결합하여 바이러스 출아를 억제하고, 세포자살을 유도한다.[95]
바이러스 감염바이러스 감염은 다음과 같은 다양한 메커니즘을 통해 세포자살을 유발할 수 있다.[97]
- 수용체 결합
- 단백질 키나아제 R (PKR) 활성화
- p53과의 상호 작용
- 감염된 세포 표면의 MHC 단백질에 결합된 바이러스 단백질 발현 (면역계 세포가 인식하여 세포자살 유도)
개 디스템퍼 바이러스(CDV)는 외인성 경로를 통해 세포자살을 유도하며, 카스파제를 활성화한다.[99] CDV에 의한 HeLa 세포의 세포자멸사는 카스파제-8을 포함하지 않고, 내인성 경로를 통해 유도된다.[99]
오로푸체 바이러스(OROV)는 HeLa 세포에서 DNA 단편화를 유발하고, 시토크롬 C 방출을 통해 내인성 경로를 활성화한다.[100]
많은 바이러스는 세포자멸사를 억제하는 단백질을 암호화한다. 엡스타인-바 바이러스 BHRF1 단백질과 아데노바이러스 E1B 19K 단백질은 Bcl-2의 바이러스 동족체로, 세포자멸사 촉진 단백질을 억제한다.[104] 우두 바이러스의 CrmA 단백질은 카스파제 억제제이다. 믹소마 바이러스의 M-T2 단백질은 TNF에 결합하여 TNF 수용체 반응을 억제한다.[105] 아데노바이러스 E1B-55K 단백질과 B형 간염 바이러스 HBx 단백질은 p53 억제제이다.[106]
바이러스는 감염 후기 단계에서 세포자멸사로부터 온전하게 남아 ''세포자멸사체''로 방출되어 숙주 반응을 억제하고 확산을 촉진한다.[105]
9. 치료
세포자살 관련 질환 치료는 세포자살을 촉진하거나 억제하는 방식으로 이루어진다. 암 치료의 경우, 세포자살을 촉진하는 약물을 개발하여 암세포를 제거한다. 이러한 약물에는 사멸 수용체 리간드(예: TNF, TRAIL)를 증가시키거나, 항세포자살 Bcl-2 경로를 억제하거나, Smac 모방체를 통해 세포자살 억제 단백질(IAP)을 억제하는 방법이 있다.[85] 허셉틴, 이레사, 글리벡과 같은 약물은 세포 주기를 멈추게 하고 성장 및 생존 신호를 차단하여 세포자살을 활성화한다. p53-MDM2 복합체를 이용하면 p53 경로가 활성화되어 세포 주기 정지 및 세포자살이 일어난다.[86]
신경퇴행성 질환과 같이 세포자살이 과도하게 일어나는 질병은 세포자살을 억제하는 약물로 치료한다. 특정 카스파제를 차단하거나, Akt 단백질 키나아제를 조절하여 세포 생존을 촉진하는 방법이 사용된다. Akt는 Bcl-2 계열 구성원인 Bad를 인산화 및 억제하고, IKKα를 활성화하여 NF-κB를 활성화시켜 세포 생존을 유도한다. 활성화된 NF-κB는 Bcl-2와 같은 항세포자살 유전자의 발현을 유도하여 세포자살을 억제한다.[91]
10. 식물에서의 세포자살
식물에서의 세포자살은 동물 세포자멸사와 분자적 유사성을 보이기도 하지만, 세포벽의 존재, 그리고 죽은 세포 조각을 제거하는 면역 체계가 없다는 점에서 차이점을 보이기도 한다. 면역 반응 대신, 죽어가는 세포는 자신을 분해하는 물질을 합성하여 액포에 담고, 세포가 죽을 때 액포가 파열된다.[107] 또한, 식물은 세포자멸체(apoptotic bodies)를 분해하고 제거하는 과정에 필수적인 식세포를 포함하지 않는다.[107] 이러한 모든 과정이 동물 세포자멸사와 이름(더 일반적인 "프로그램 세포사멸"과는 대조적으로)을 사용할 만큼 충분히 유사한지는 불분명하다.[108][109]
11. 카스파제-비의존적 세포자살
카스파제 활성화 없이도 세포가 세포자멸사와 유사한 형태를 나타내며 죽을 수 있다는 것이 발견되었다.[110] 이후 연구에서 이 현상은 미토콘드리아에서 AIF (세포자멸사 유도 인자)가 방출되어 NLS에 의해 핵으로 이동하는 것과 관련이 있다는 것이 밝혀졌다. 미토콘드리아 내에서 AIF는 내막에 고정되어 있다. 방출되기 위해 단백질은 칼슘 의존적 칼파인 프로테아제에 의해 절단된다.
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