심근세포 손상에 대한 Autosis의 역할
2020-09-24
org.kosen.entty.User@29f69ae3
나지훈(moogun81)
1. 개요
자가포식작용 (Macroautophagy)은 세포가 세포 내 소기관 및 세포질 물질을 분해하는 필수과정으로 자가포식체 (autophagosome)라 불리는 이중 막 구조가 리소좀과 융합하는 과정을 특징으로 한다. 전통적으로 자가포식작용은 세포를 보호하기 위한 기작으로 여겨지는데, 잘못 접히거나 기능 장애가 있는 단백질 또는 세포 기관을 제거하고 아미노산을 재활용하여 세포 내 에너지를 공급하는 역할을 하기 때문이다. 그러나 특정 조건에서는 자가포식작용이 세포의 사멸 (apoptosis)에 관여한다고 알려져 있다. 자가포식작용에 의한 세포사멸은 제2형 프로그램된 세포 사멸로 분류되었는데, 이는 죽어가는 세포에서 대량의 세포질 공표화 (vacuolization)가 관찰된다. 자가포식에 의한 세포사멸 (Autophagic cell death)은 허혈 및 재관류 (I/R), 압력 과부하, doxorubicin에 의한 심근 병증이 나타나는 심근세포에서 관찰된다. 그러나 기술적인 한계 때문에 자가포식에 의한 세포사멸을 단순히 자가포식작용이 동반한 다른 형태의 세포사멸과 구별하기가 어렵다. 특히 심근 세포의 세포사멸에서의 자가포식작용의 역할을 잘 알려져 있지 않다. 최근에는 독특한 형태의 세포사멸이 관찰되었는데, 이는 자가포식작용에 의해서 활성화되며 autosis라 불리게 되었다 [1]. Autosis는 necrosis, apoptosis와 같은 다른 세포사멸과는 구별되는 독특한 형태학적 및 생화학적인 특징을 보인다. Autosis를 통한 세포사멸이 일부 스트레서에 반응하여 다양한 세포 및 조직에서 나타난다고 보고되고 있다. 최근 발표된 연구결과들을 살펴보면, 심근세포는 심장에 단기간의 허혈이 발생한 후 재관류에 의해 autosis를 통해서 죽는다고 알려져 있다. 따라서 본 보고서에서는 자가포식작용에 의한 세포사멸을 autosis에 초점을 맞추어 알아보고자 한다. 심근세포에서 autosis가 심근 손상에 어떤 영향을 주는지 정리하고 그동안 밝혀진 결과들을 토대로 근본적인 분자 메커니즘을 논하고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 심장에서의 자가포식작용 및 자가포식 세포사멸
자가포식작용이 특정 조건에서 세포를 사멸시킬 수 있는 방법을 설명하기 위해 먼저 자가포식작용의 생리적 기능 및 기작에 대해 간단히 살펴보고자 한다. 자가포식작용은 진핵 생물에서 고도로 보존된 필수 이화 작용 과정이다. 자가 포식 경로는 주로 진화적으로 보존된 자가포식 관련 단백질 (ATG)로 구성된다. ATG 단백질은 일반적으로 분해하고자 하는 세포물질을 감싸는 형태의 자가포식체라 하는 이중 막 소포를 생성한다. 자가포식작용은 Unc-51-like kinase 1/Atg1 복합체의 활성화에 의해 시작된다. Unc-51-like kinase 1/Atg1는 PI3K 복합체를 활성화하여 자가포식체의 핵 형성을 시작한다. Scaffold 단백질인 beclin1은 Atg14l, UVRAG, rubicon과 같은 여러 단백질을 핵 형성 부위로 모집하여 PI3K 복합체의 지질 kinase 활성을 조절한다. 대부분의 beclin1 결합 단백질이 becin1을 활성화시키지만, rubicon은 RAS 종양 유전자 계열의 구성원인 Rab7 또는 beclin1과 상호 작용하여 자가포식 및 세포 내 이입 기작 (endocytosis)을 저해한다. 핵 형성이 시작된 후에는 이중 막 형성을 위해 소포체 (ER), 미토콘드리아, ER-미토콘드리아 접촉부위, ER-골지 중간 구획, 골지 장치 및 원형질막으로부터 막의 구성성분을 공급받는다. 후속 단계에서 자가포식체의 신장 및 완성은 유비퀴틴 유사 접합 시스템에 의해 조절된다. E1 유사 효소 Atg7은 유비퀴틴 유사 단백질인 Atg12에 결합하여 Atg10과 함께 Atg12와 Atg5의 접합을 촉진한다. 최종적으로 형성된 Atg5-Atg12/Atg16 복합체는 자가포식체 확장 부위에 위치하여 E3 유사 ligase로 작용하여 LC3를 형성한다. LC3는 리소좀이 자가포식체를 인지할 수 있는 표식이 된다. 마지막으로 자가포식체는 리소좀과 융합하여 격리된 표적물질을 분해한다. 리소좀 구획 내에서 막 성분과 단백질은 각각 phospholipase와 단백질 분해 효소에 의해 분해되고 분해 후 인지질과 아미노산은 재활용된다. 일련의 자가포식작용 단계 중 어느 단계라도 조절 장애가 발생하게 되면 자가포식작용으로 인한 표적물질의 분해가 불가능해지고, 이는 세포의 항상성 유지를 방해하여 결국 세포를 손상시킨다.
자가포식 세포 사멸은 자가포식작용 활성화를 통한 대량의 세포질 공포화에 의해 확인되었다 [2]. 그러나 죽어가는 세포에 자가포식 액포가 존재한다고 해서 반드시 자가포식에 세포사멸을 촉진한다는 것을 의미하지는 않는다. 자가포식작용은 스트레스에 반응하여 활성화되기 때문에 죽어가는 세포에서 자가포식작용의 존재는 세포 사멸을 방지하기 위한 최후의 수단이 실패했음을 나타내는 것이다. 아직 자가포식작용을 100 % 특이적으로 저해할 수 있는 저해제가 없기 때문에 자가포식작용에 의한 세포사멸을 증명하기 위해서 보통 최소 2개의 독립된 세포사멸 기작을 억제하여도 억제되지 않는 사멸을 자가포식 세포사멸로 정의한다. 자가포식에 의한 세포사멸의 발생할 때 자가포식작용은 매우 강하게 활성화되며, 관련 단백질들은 발현양이 증가한다. 심근세포에서는 허혈 및 재관류, 급성 혈압의 과부화 등에 의해 발생할 수 있다고 알려져 있다. 자가포식 세포 사멸이 발생할 때 다른 종류의 세포사멸은 억제될 수 있다. 첫번째는 세포의 생존을 위해서 필수단백질을 선택적으로 분해하는 경우이며, 두번째는 비선택적인 포괄적 자가포식작용이 미토파지를 억제하여 미토콘드리아의 기능 장애 및 사멸을 유도하는 경우이다.
2.2. 자가포식 세포사멸의 새로운 형태, Autosis
비록 자가포식작용이 여러 형태의 세포 사멸과 관련이 있으며, 자가포식작용에 의존적인 세포 사멸이 다른 형태의 세포 사멸과 구별될 수 있는 독특한 특징이 있는지는 중요한 관심사였다. 최근 연구에 따르면 자가포식작용을 과하게 활성화시킬 수 있는 높은 농도의 자가포식작용 유도 펩타이드, 영양적 기아상태, 영구적인 뇌 허혈 상태에 의해 발생하는 자가포식작용 의존성 세포 사멸이 발견되었다 [1]. 이 형태의 세포 사멸을 autosis라 칭하였으며, 다른 세포사멸과 구별되는 독특한 형태적, 화학적 특징을 보인다. Apoptosis 및 necrosis 저해체로는 억제되지 않으며, 자가포식작용 억제제로만 억제되는 세포사멸 형태로, 자가포식작용 의존적인 세포살멸로서의 조건을 충족하였다. Autosis는 자가포식 관련 세포사멸의 유일한 형태는 아니지만, 이 범주에서 가장 잘 정의된 형태의 세포 사멸이다.
Autosis의 독특한 형태학적인 특징은 시간의 흐름에 따라 단계를 나눌 수 있다. 초기에는 확장되고 단편화된 소포체와 자가포식체의 증가, 자가 리소좀 및 빈 액포가 관찰된다. 두번째 단계에서는 핵 주위 공간 (PNS)의 팽창된 형태를 관찰할 수 있다. 마지막 단계에서는 세포질 소기관이 급격히 감소하고 PNS의 초점 핵 오목현상 및 초점의 팽창이 관찰된다 [3]. Autosis에 의해 죽은 세포는 일반적으로 죽은 세포보다 배양접시에 더 단단히 부착되며, 증가한 부착력은 또 다른 autosis의 특징으로 보인다. 현재까지 autosis를 구별할 수 있는 가장 좋은 방법은 현미경 분석이다. 이 외에도 면역 형광 분석법을 통해 분열된 소포체 또는 핵 오목한 미토콘드리아를 감지하여 구별할 수 있다.
Autosis는 자가포식작용 관련 억제제 및 beclin1이나 Atg7과 같은 하위기작의 조절에 의해 억제될 수 있지만, apoptosis나 necrosis와 같은 다른 형태의 세포사멸 억제제로는 조절되지 않는다. 또한 심근세포에서의 연구결과를 살펴보면, 리소좀의 억제를 통해 autosis가 조절되지 않는다는 것을 알 수 있다. 이는 과도한 분해로는 autosis가 유발되지 않으며, 자가포식체의 과한 형성, 즉 자가포식작용의 과활성화가 autosis를 유발할 수 있음을 보여준다. 또한 autosis는 심장 배당체 (cardiac glycosides)에 대해 민감하게 작용한다.
2.3. Autosis가 유발되는 조건
Autosis가 발견된 연구에서는 HeLa 세포에 Tat-beclin1을 이용하여 과도한 자가포식작용을 유도한 후 관찰되었으며, 그 이후 다양한 조건에서 실제 동물 모델에서도 관찰되고 있다. 허혈 및 재관류는 자가포식작용을 강하게 활성화시키는 가장 일반적인 조건이며, 다양한 조질에서 autosis가 관찰되는 조건이기도 하다. 허혈 및 재관류 조건에서 autosis는 뇌, 신장, 심장, 심근세포 등 다양한 곳에서 관찰되었다 [4].
HIV에 감염된 세포는 대부분 죽는 것에 반해, HIV에 감염된 대식세포는 세포사멸을 피할 수 있는 것으로 알려져 있다. 흥미롭게도 Tat-Beclin1과 같은 자가포식작용을 유도하는 펩타이드는 만성적으로 HIV에 감염된 대식세포를 죽일 수 있으며, 이러한 효과는 ATG관련 유전자의 발현이 억제될 경우 사멸효과도 감소한다. HIV에 감염된 CD4+T 세포 역시 autosis에 의해 사멸될 수 있다. 이러한 현상은 HIV가 복제를 위해 자가포식 관련 단백질을 사용하지만, 활성화된 CD4+T 세포에서 단백질 분해를 피하기 위해 자가포식작용을 억제한다는 점에서 흥미로운 부분이다. 아직 HIV 감염 세포에서 autosis가 발생하는 자세한 기작에 대해서는 잘 알려져 있지 않은 상황이다.
저산소증에 의한 자가포식작용의 활성화는 암세포에서 이분법적인 기능을 수행한다 [5]. 자가포식작용은 저산소증 4시간 후에는 암세포 사멸을 억제하지만, 72시간 후에는 세포사멸을 촉진한다. 저산소증의 후기 시점에서 자가포식 세포사멸은 autosis의 특징을 보였으며, cardiac glycoside에 의해 억제되었다 [3]. 저산소증 초기단계에서는 EGF 수용체가 활성화되었으며, beclin1과 상호작용하여 생리적 수준의 자가포식작용을 촉진하고 암세포의 생존에 기여하였다. 그러나 저산소증이 지속되면서 caveolin1이 자가포식작용에 의해 분해되면서 EGFR는 비활성화되고 결과적으로 생리적 수준 이상의 과도한 자가포식작용을 유도하여 autosis가 발생하였다. 아직 beclin1과 EGFR 사이의 조절 기작에 대해서는 자세히 알려져 있지 않다.
Autosis는 실제 사람의 몸에서도 보고되었다. 중증 거식증 환자의 손상된 간세포를 살펴보면, 뒤얽힌 핵, 밀도가 높은 미토콘드리아, 확장된 소포체 및 다량의 자가포식 액포 또는 빈 액포가 발견되며, 이는 간세포에서 autosis가 발생하고 있다는 것을 보여준다.
2.4. 심장에서 autosis의 유도
심장에서 허혈 및 재관류는 자가포식작용을 유도하기 때문에, 심장에서도 autosis 역시 허혈 및 재관류에 의해 발생할 수 있다는 추측이 가능하다. 최근 연구에 따르면 실제로 심근세포에서 autosis가 발생하는 것을 관찰하였는데, 허혈 및 재관류에 의해 유도된 것을 알 수 있다. 자가포식작용은 단기간의 허혈에 의해 활성화되며 재관류 상황에서도 여전히 활성화되어 있다. 그러나 beclin1의 억제와 같은 자가포식작용의 억제를 통해 심근 손상이 약화되는 것으로 알려져 있다. 재관류 시간이 지속됨에 따라서 허혈 영향을 받은 심근세포에서는 자가포식체가 축적되며, 소포체의 절단, 미토콘드리아의 밀도증가 등이 발견된다. 재관류가 후반 단계까지 진행되면 (6시간 후) PNS의 특징을 보이기 시작하며, 이때부터 autosis가 시작된다.
흥미로운 점은 재관류 후반에 가서야 autosis가 유도된다는 점이다. 재관류 후 1-2시간 이내에 허혈 지역의 세포사멸은 이미 진행되는 것으로 알려져 있기 때문에, 종합해보면 재관류 후반부에는 심근세포가 지속적으로 사멸하여 손상되는 일반적인 apoptosis나 necrosis와는 다른 양상을 보인다는 것을 알 수 있다.
2.5. Autosis의 분자적 메커니즘
강한 자가포식작용의 활성화가 어떻게 autosis를 유발시키는지 그 기작에 대해 알아보고자 한다. 앞에서도 논했듯이 리소좀 억제제에 의해 autosis는 조절되지 않기 때문에 자가포식체의 과도한 축적이 autosis를 매개할 것이라도 많은 논문에서 추측하고 있다. 자가포식체의 과도한 축적은 자가포식체의 생성 및 분해의 균형이 무너지면서 발생할 수 있다.
재관류 초기에는 autophagic flux가 증가하여 있지만, 점차 줄어들게 된다 [4]. Autosis는 재관류가 시작되고 6시간 후 촉진되는데, 이 때 autophagic flux는 감소한다. 이러한 사실은 Autosis가 자가포식작요에 의해 촉진되기 때문에 모순적으로 보이기도 한다. 그러나 실제로 재관류 후반기에는 자가포식체가 눈에 띄게 축적이 되며, 이는 리소좀에 의한 분해가 감소하여 자가포식체가 다량 축적되기 때문인 것으로 보인다. 자가포식체와 리소좀 사이의 융합을 저해하는 것으로 알려진 rubicon은 재관류 후반에 발현양이 증가되어 있다. Rubicon에 의해서 flux가 증가하게 되면 세포는 이를 제거하기 위해서 더 많은 자가포식체를 생성시킨다. 따라서 rubicon의 증가는 기하급수적으로 자가포식체의 축적을 야기하게 된다. Rubicon의 기능장애는 autosis를 감소시키며, 심근 경색의 크기를 감소시킨다. 이러한 결과들을 볼 때 rubicon은 심근 재관류 동안 autosis를 매개하는 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다. Rubicon의 저해는 심근 손상을 감소시키긴 하지만, 과한 자가포식체의 축적을 막는 것 또한 중요한 부분이다. 재관류 동안 Tat-beclin1을 처리하면 자가포식작용이 활성화되어 autosis를 더 촉진하기 때문이다.
자가포식체의 과도한 축적은 세포에 해로울 수 있다. 세포 내 막들은 자가포식체의 막 공급원으로 사용되기 때문에, 자가포식체가 과도하게 형성되면 소포체, 미토콘드리아, 원형질막의 손실을 가져올 수 있다 [6]. 실제로 심근세포에서의 autosis의 활성화는 세포 내 막의 감소를 동반하여, 세포 소긴관의 기능을 감소시키고, 미토콘드리아 막의 탈분극을 초래한다. 세포 내 막 공급원의 감소가 autosis에 관여하는지에 대해서는 조금 더 연구가 필요하다.
Autosis에서 가장 독특한 특징은 PNS의 팽창이다. 핵 주위 비정상적인 형태를 보이는 비슷한 사례가 라민 B 수용체가 돌연변이화 된 인간 골육종 U2OS 세포에서 발견된 적이 있다. 라민 B 수용체는 스테롤 환원 효소 활성을 가지고 있어서 콜레스테롤 생합성에 중요하다고 알려져 있다. 라민 B 수용체의 돌연변이는 autosis에서 관찰되는 것과 비슷하게 ER 및 PNS의 확장을 일으킨다. 이는 막 유동성 또는 투과성을 변화시켜서 삼투압 및 신호전달에 영향을 주는 것이라 현재 추측하고 있다.
최근에는 심장 배당체에 대한 민감도가 autosis의 기작을 설명할 수 있는 가장 중요한 단서가 될 것이라고 주장되고 있다. Na+, K+-ATPase는 물리적으로 beclin1과 결합하여 autosis를 유발한다. 이러한 결과는 둘 간의 결합이 이온 펌프의 활성을 변화시키기 때문에 가능하다. Na+, K+-ATPase는 칼슘 신호를 변형시키지만 실질적으로 autosis의 활성과는 관련이 없다고 알려져 있다. Na+, K+-ATPase와 Beclin1의 결합은 다양한 세포 내 막에서 이루어지는데, 소포체, 미토콘드리아, 엔도좀 등이 포함된다.
3. 결론
심근세포가 autosis를 통해서 사멸된다는 것이 많은 연구에서 밝혀져 왔다. 따라서 autosis를 표적으로 한다면 심근조직의 손상을 줄일 수 있는 가능성이 있을지도 모른다. 심근세포는 자가포식작용의 활성화 이후, 서서히 autosis로 전환되기 때문에 autosis를 표적으로 한 치료법을 개발하기 위해서는 세포 내 반응이 세포를 보호하기 위한 자가포식작용인지 이미 autosis로 넘어간 것인지 정확하게 구별할 수 있어야 할 것이다. 현재까지 다양한 조건에서 강한 자가포식작용이 관찰되어 왔으며, 자가포식작용의 저해가 특정 조건에서 심장을 보호할 수 있는 사례도 관찰되었다. 아직까지 심근세포가 autosis가 어떠한 목적으로 발동시키는지는 완벽히 이해되지 않았으며, autosis에 관련된 조절자들이 관여하는 자세한 기작의 연구가 더 많이 이루어져야 한다고 생각한다. 그러나 자가포식작용을 통한 새로운 형태의 세포사멸이며 독특한 특징을 지닌 점으로 미루어 보아 더 많은 기작이 밝혀지고 정립된다면 심근경색과 같은 심혈관 질환 환자에서 충분히 활용이 가능할 것이라고 기대한다.
자가포식작용 (Macroautophagy)은 세포가 세포 내 소기관 및 세포질 물질을 분해하는 필수과정으로 자가포식체 (autophagosome)라 불리는 이중 막 구조가 리소좀과 융합하는 과정을 특징으로 한다. 전통적으로 자가포식작용은 세포를 보호하기 위한 기작으로 여겨지는데, 잘못 접히거나 기능 장애가 있는 단백질 또는 세포 기관을 제거하고 아미노산을 재활용하여 세포 내 에너지를 공급하는 역할을 하기 때문이다. 그러나 특정 조건에서는 자가포식작용이 세포의 사멸 (apoptosis)에 관여한다고 알려져 있다. 자가포식작용에 의한 세포사멸은 제2형 프로그램된 세포 사멸로 분류되었는데, 이는 죽어가는 세포에서 대량의 세포질 공표화 (vacuolization)가 관찰된다. 자가포식에 의한 세포사멸 (Autophagic cell death)은 허혈 및 재관류 (I/R), 압력 과부하, doxorubicin에 의한 심근 병증이 나타나는 심근세포에서 관찰된다. 그러나 기술적인 한계 때문에 자가포식에 의한 세포사멸을 단순히 자가포식작용이 동반한 다른 형태의 세포사멸과 구별하기가 어렵다. 특히 심근 세포의 세포사멸에서의 자가포식작용의 역할을 잘 알려져 있지 않다. 최근에는 독특한 형태의 세포사멸이 관찰되었는데, 이는 자가포식작용에 의해서 활성화되며 autosis라 불리게 되었다 [1]. Autosis는 necrosis, apoptosis와 같은 다른 세포사멸과는 구별되는 독특한 형태학적 및 생화학적인 특징을 보인다. Autosis를 통한 세포사멸이 일부 스트레서에 반응하여 다양한 세포 및 조직에서 나타난다고 보고되고 있다. 최근 발표된 연구결과들을 살펴보면, 심근세포는 심장에 단기간의 허혈이 발생한 후 재관류에 의해 autosis를 통해서 죽는다고 알려져 있다. 따라서 본 보고서에서는 자가포식작용에 의한 세포사멸을 autosis에 초점을 맞추어 알아보고자 한다. 심근세포에서 autosis가 심근 손상에 어떤 영향을 주는지 정리하고 그동안 밝혀진 결과들을 토대로 근본적인 분자 메커니즘을 논하고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 심장에서의 자가포식작용 및 자가포식 세포사멸
자가포식작용이 특정 조건에서 세포를 사멸시킬 수 있는 방법을 설명하기 위해 먼저 자가포식작용의 생리적 기능 및 기작에 대해 간단히 살펴보고자 한다. 자가포식작용은 진핵 생물에서 고도로 보존된 필수 이화 작용 과정이다. 자가 포식 경로는 주로 진화적으로 보존된 자가포식 관련 단백질 (ATG)로 구성된다. ATG 단백질은 일반적으로 분해하고자 하는 세포물질을 감싸는 형태의 자가포식체라 하는 이중 막 소포를 생성한다. 자가포식작용은 Unc-51-like kinase 1/Atg1 복합체의 활성화에 의해 시작된다. Unc-51-like kinase 1/Atg1는 PI3K 복합체를 활성화하여 자가포식체의 핵 형성을 시작한다. Scaffold 단백질인 beclin1은 Atg14l, UVRAG, rubicon과 같은 여러 단백질을 핵 형성 부위로 모집하여 PI3K 복합체의 지질 kinase 활성을 조절한다. 대부분의 beclin1 결합 단백질이 becin1을 활성화시키지만, rubicon은 RAS 종양 유전자 계열의 구성원인 Rab7 또는 beclin1과 상호 작용하여 자가포식 및 세포 내 이입 기작 (endocytosis)을 저해한다. 핵 형성이 시작된 후에는 이중 막 형성을 위해 소포체 (ER), 미토콘드리아, ER-미토콘드리아 접촉부위, ER-골지 중간 구획, 골지 장치 및 원형질막으로부터 막의 구성성분을 공급받는다. 후속 단계에서 자가포식체의 신장 및 완성은 유비퀴틴 유사 접합 시스템에 의해 조절된다. E1 유사 효소 Atg7은 유비퀴틴 유사 단백질인 Atg12에 결합하여 Atg10과 함께 Atg12와 Atg5의 접합을 촉진한다. 최종적으로 형성된 Atg5-Atg12/Atg16 복합체는 자가포식체 확장 부위에 위치하여 E3 유사 ligase로 작용하여 LC3를 형성한다. LC3는 리소좀이 자가포식체를 인지할 수 있는 표식이 된다. 마지막으로 자가포식체는 리소좀과 융합하여 격리된 표적물질을 분해한다. 리소좀 구획 내에서 막 성분과 단백질은 각각 phospholipase와 단백질 분해 효소에 의해 분해되고 분해 후 인지질과 아미노산은 재활용된다. 일련의 자가포식작용 단계 중 어느 단계라도 조절 장애가 발생하게 되면 자가포식작용으로 인한 표적물질의 분해가 불가능해지고, 이는 세포의 항상성 유지를 방해하여 결국 세포를 손상시킨다.
자가포식 세포 사멸은 자가포식작용 활성화를 통한 대량의 세포질 공포화에 의해 확인되었다 [2]. 그러나 죽어가는 세포에 자가포식 액포가 존재한다고 해서 반드시 자가포식에 세포사멸을 촉진한다는 것을 의미하지는 않는다. 자가포식작용은 스트레스에 반응하여 활성화되기 때문에 죽어가는 세포에서 자가포식작용의 존재는 세포 사멸을 방지하기 위한 최후의 수단이 실패했음을 나타내는 것이다. 아직 자가포식작용을 100 % 특이적으로 저해할 수 있는 저해제가 없기 때문에 자가포식작용에 의한 세포사멸을 증명하기 위해서 보통 최소 2개의 독립된 세포사멸 기작을 억제하여도 억제되지 않는 사멸을 자가포식 세포사멸로 정의한다. 자가포식에 의한 세포사멸의 발생할 때 자가포식작용은 매우 강하게 활성화되며, 관련 단백질들은 발현양이 증가한다. 심근세포에서는 허혈 및 재관류, 급성 혈압의 과부화 등에 의해 발생할 수 있다고 알려져 있다. 자가포식 세포 사멸이 발생할 때 다른 종류의 세포사멸은 억제될 수 있다. 첫번째는 세포의 생존을 위해서 필수단백질을 선택적으로 분해하는 경우이며, 두번째는 비선택적인 포괄적 자가포식작용이 미토파지를 억제하여 미토콘드리아의 기능 장애 및 사멸을 유도하는 경우이다.
2.2. 자가포식 세포사멸의 새로운 형태, Autosis
비록 자가포식작용이 여러 형태의 세포 사멸과 관련이 있으며, 자가포식작용에 의존적인 세포 사멸이 다른 형태의 세포 사멸과 구별될 수 있는 독특한 특징이 있는지는 중요한 관심사였다. 최근 연구에 따르면 자가포식작용을 과하게 활성화시킬 수 있는 높은 농도의 자가포식작용 유도 펩타이드, 영양적 기아상태, 영구적인 뇌 허혈 상태에 의해 발생하는 자가포식작용 의존성 세포 사멸이 발견되었다 [1]. 이 형태의 세포 사멸을 autosis라 칭하였으며, 다른 세포사멸과 구별되는 독특한 형태적, 화학적 특징을 보인다. Apoptosis 및 necrosis 저해체로는 억제되지 않으며, 자가포식작용 억제제로만 억제되는 세포사멸 형태로, 자가포식작용 의존적인 세포살멸로서의 조건을 충족하였다. Autosis는 자가포식 관련 세포사멸의 유일한 형태는 아니지만, 이 범주에서 가장 잘 정의된 형태의 세포 사멸이다.
Autosis의 독특한 형태학적인 특징은 시간의 흐름에 따라 단계를 나눌 수 있다. 초기에는 확장되고 단편화된 소포체와 자가포식체의 증가, 자가 리소좀 및 빈 액포가 관찰된다. 두번째 단계에서는 핵 주위 공간 (PNS)의 팽창된 형태를 관찰할 수 있다. 마지막 단계에서는 세포질 소기관이 급격히 감소하고 PNS의 초점 핵 오목현상 및 초점의 팽창이 관찰된다 [3]. Autosis에 의해 죽은 세포는 일반적으로 죽은 세포보다 배양접시에 더 단단히 부착되며, 증가한 부착력은 또 다른 autosis의 특징으로 보인다. 현재까지 autosis를 구별할 수 있는 가장 좋은 방법은 현미경 분석이다. 이 외에도 면역 형광 분석법을 통해 분열된 소포체 또는 핵 오목한 미토콘드리아를 감지하여 구별할 수 있다.
Autosis는 자가포식작용 관련 억제제 및 beclin1이나 Atg7과 같은 하위기작의 조절에 의해 억제될 수 있지만, apoptosis나 necrosis와 같은 다른 형태의 세포사멸 억제제로는 조절되지 않는다. 또한 심근세포에서의 연구결과를 살펴보면, 리소좀의 억제를 통해 autosis가 조절되지 않는다는 것을 알 수 있다. 이는 과도한 분해로는 autosis가 유발되지 않으며, 자가포식체의 과한 형성, 즉 자가포식작용의 과활성화가 autosis를 유발할 수 있음을 보여준다. 또한 autosis는 심장 배당체 (cardiac glycosides)에 대해 민감하게 작용한다.
2.3. Autosis가 유발되는 조건
Autosis가 발견된 연구에서는 HeLa 세포에 Tat-beclin1을 이용하여 과도한 자가포식작용을 유도한 후 관찰되었으며, 그 이후 다양한 조건에서 실제 동물 모델에서도 관찰되고 있다. 허혈 및 재관류는 자가포식작용을 강하게 활성화시키는 가장 일반적인 조건이며, 다양한 조질에서 autosis가 관찰되는 조건이기도 하다. 허혈 및 재관류 조건에서 autosis는 뇌, 신장, 심장, 심근세포 등 다양한 곳에서 관찰되었다 [4].
HIV에 감염된 세포는 대부분 죽는 것에 반해, HIV에 감염된 대식세포는 세포사멸을 피할 수 있는 것으로 알려져 있다. 흥미롭게도 Tat-Beclin1과 같은 자가포식작용을 유도하는 펩타이드는 만성적으로 HIV에 감염된 대식세포를 죽일 수 있으며, 이러한 효과는 ATG관련 유전자의 발현이 억제될 경우 사멸효과도 감소한다. HIV에 감염된 CD4+T 세포 역시 autosis에 의해 사멸될 수 있다. 이러한 현상은 HIV가 복제를 위해 자가포식 관련 단백질을 사용하지만, 활성화된 CD4+T 세포에서 단백질 분해를 피하기 위해 자가포식작용을 억제한다는 점에서 흥미로운 부분이다. 아직 HIV 감염 세포에서 autosis가 발생하는 자세한 기작에 대해서는 잘 알려져 있지 않은 상황이다.
저산소증에 의한 자가포식작용의 활성화는 암세포에서 이분법적인 기능을 수행한다 [5]. 자가포식작용은 저산소증 4시간 후에는 암세포 사멸을 억제하지만, 72시간 후에는 세포사멸을 촉진한다. 저산소증의 후기 시점에서 자가포식 세포사멸은 autosis의 특징을 보였으며, cardiac glycoside에 의해 억제되었다 [3]. 저산소증 초기단계에서는 EGF 수용체가 활성화되었으며, beclin1과 상호작용하여 생리적 수준의 자가포식작용을 촉진하고 암세포의 생존에 기여하였다. 그러나 저산소증이 지속되면서 caveolin1이 자가포식작용에 의해 분해되면서 EGFR는 비활성화되고 결과적으로 생리적 수준 이상의 과도한 자가포식작용을 유도하여 autosis가 발생하였다. 아직 beclin1과 EGFR 사이의 조절 기작에 대해서는 자세히 알려져 있지 않다.
Autosis는 실제 사람의 몸에서도 보고되었다. 중증 거식증 환자의 손상된 간세포를 살펴보면, 뒤얽힌 핵, 밀도가 높은 미토콘드리아, 확장된 소포체 및 다량의 자가포식 액포 또는 빈 액포가 발견되며, 이는 간세포에서 autosis가 발생하고 있다는 것을 보여준다.
2.4. 심장에서 autosis의 유도
심장에서 허혈 및 재관류는 자가포식작용을 유도하기 때문에, 심장에서도 autosis 역시 허혈 및 재관류에 의해 발생할 수 있다는 추측이 가능하다. 최근 연구에 따르면 실제로 심근세포에서 autosis가 발생하는 것을 관찰하였는데, 허혈 및 재관류에 의해 유도된 것을 알 수 있다. 자가포식작용은 단기간의 허혈에 의해 활성화되며 재관류 상황에서도 여전히 활성화되어 있다. 그러나 beclin1의 억제와 같은 자가포식작용의 억제를 통해 심근 손상이 약화되는 것으로 알려져 있다. 재관류 시간이 지속됨에 따라서 허혈 영향을 받은 심근세포에서는 자가포식체가 축적되며, 소포체의 절단, 미토콘드리아의 밀도증가 등이 발견된다. 재관류가 후반 단계까지 진행되면 (6시간 후) PNS의 특징을 보이기 시작하며, 이때부터 autosis가 시작된다.
흥미로운 점은 재관류 후반에 가서야 autosis가 유도된다는 점이다. 재관류 후 1-2시간 이내에 허혈 지역의 세포사멸은 이미 진행되는 것으로 알려져 있기 때문에, 종합해보면 재관류 후반부에는 심근세포가 지속적으로 사멸하여 손상되는 일반적인 apoptosis나 necrosis와는 다른 양상을 보인다는 것을 알 수 있다.
2.5. Autosis의 분자적 메커니즘
강한 자가포식작용의 활성화가 어떻게 autosis를 유발시키는지 그 기작에 대해 알아보고자 한다. 앞에서도 논했듯이 리소좀 억제제에 의해 autosis는 조절되지 않기 때문에 자가포식체의 과도한 축적이 autosis를 매개할 것이라도 많은 논문에서 추측하고 있다. 자가포식체의 과도한 축적은 자가포식체의 생성 및 분해의 균형이 무너지면서 발생할 수 있다.
재관류 초기에는 autophagic flux가 증가하여 있지만, 점차 줄어들게 된다 [4]. Autosis는 재관류가 시작되고 6시간 후 촉진되는데, 이 때 autophagic flux는 감소한다. 이러한 사실은 Autosis가 자가포식작요에 의해 촉진되기 때문에 모순적으로 보이기도 한다. 그러나 실제로 재관류 후반기에는 자가포식체가 눈에 띄게 축적이 되며, 이는 리소좀에 의한 분해가 감소하여 자가포식체가 다량 축적되기 때문인 것으로 보인다. 자가포식체와 리소좀 사이의 융합을 저해하는 것으로 알려진 rubicon은 재관류 후반에 발현양이 증가되어 있다. Rubicon에 의해서 flux가 증가하게 되면 세포는 이를 제거하기 위해서 더 많은 자가포식체를 생성시킨다. 따라서 rubicon의 증가는 기하급수적으로 자가포식체의 축적을 야기하게 된다. Rubicon의 기능장애는 autosis를 감소시키며, 심근 경색의 크기를 감소시킨다. 이러한 결과들을 볼 때 rubicon은 심근 재관류 동안 autosis를 매개하는 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있다. Rubicon의 저해는 심근 손상을 감소시키긴 하지만, 과한 자가포식체의 축적을 막는 것 또한 중요한 부분이다. 재관류 동안 Tat-beclin1을 처리하면 자가포식작용이 활성화되어 autosis를 더 촉진하기 때문이다.
자가포식체의 과도한 축적은 세포에 해로울 수 있다. 세포 내 막들은 자가포식체의 막 공급원으로 사용되기 때문에, 자가포식체가 과도하게 형성되면 소포체, 미토콘드리아, 원형질막의 손실을 가져올 수 있다 [6]. 실제로 심근세포에서의 autosis의 활성화는 세포 내 막의 감소를 동반하여, 세포 소긴관의 기능을 감소시키고, 미토콘드리아 막의 탈분극을 초래한다. 세포 내 막 공급원의 감소가 autosis에 관여하는지에 대해서는 조금 더 연구가 필요하다.
Autosis에서 가장 독특한 특징은 PNS의 팽창이다. 핵 주위 비정상적인 형태를 보이는 비슷한 사례가 라민 B 수용체가 돌연변이화 된 인간 골육종 U2OS 세포에서 발견된 적이 있다. 라민 B 수용체는 스테롤 환원 효소 활성을 가지고 있어서 콜레스테롤 생합성에 중요하다고 알려져 있다. 라민 B 수용체의 돌연변이는 autosis에서 관찰되는 것과 비슷하게 ER 및 PNS의 확장을 일으킨다. 이는 막 유동성 또는 투과성을 변화시켜서 삼투압 및 신호전달에 영향을 주는 것이라 현재 추측하고 있다.
최근에는 심장 배당체에 대한 민감도가 autosis의 기작을 설명할 수 있는 가장 중요한 단서가 될 것이라고 주장되고 있다. Na+, K+-ATPase는 물리적으로 beclin1과 결합하여 autosis를 유발한다. 이러한 결과는 둘 간의 결합이 이온 펌프의 활성을 변화시키기 때문에 가능하다. Na+, K+-ATPase는 칼슘 신호를 변형시키지만 실질적으로 autosis의 활성과는 관련이 없다고 알려져 있다. Na+, K+-ATPase와 Beclin1의 결합은 다양한 세포 내 막에서 이루어지는데, 소포체, 미토콘드리아, 엔도좀 등이 포함된다.
3. 결론
심근세포가 autosis를 통해서 사멸된다는 것이 많은 연구에서 밝혀져 왔다. 따라서 autosis를 표적으로 한다면 심근조직의 손상을 줄일 수 있는 가능성이 있을지도 모른다. 심근세포는 자가포식작용의 활성화 이후, 서서히 autosis로 전환되기 때문에 autosis를 표적으로 한 치료법을 개발하기 위해서는 세포 내 반응이 세포를 보호하기 위한 자가포식작용인지 이미 autosis로 넘어간 것인지 정확하게 구별할 수 있어야 할 것이다. 현재까지 다양한 조건에서 강한 자가포식작용이 관찰되어 왔으며, 자가포식작용의 저해가 특정 조건에서 심장을 보호할 수 있는 사례도 관찰되었다. 아직까지 심근세포가 autosis가 어떠한 목적으로 발동시키는지는 완벽히 이해되지 않았으며, autosis에 관련된 조절자들이 관여하는 자세한 기작의 연구가 더 많이 이루어져야 한다고 생각한다. 그러나 자가포식작용을 통한 새로운 형태의 세포사멸이며 독특한 특징을 지닌 점으로 미루어 보아 더 많은 기작이 밝혀지고 정립된다면 심근경색과 같은 심혈관 질환 환자에서 충분히 활용이 가능할 것이라고 기대한다.