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산화스트레스와 자가포식
산화스트레스와 자가포식 저자 이혜미 (충남대학교 )
등록일 2017.03.02
자료번호 BRIC VIEW 2017-R07
조회 2721  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
자가포식(Autophagy)은 영양 결핍, 바이러스 감염 및 유전 독성(genotoxic) 스트레스와 같은 다양한 스트레스 조건에 반응하여 세포 성분 및 손상된 세포 기관을 재활용함을 목표하는 이화작용 과정(catabolic process)이다. 자극의 수렴 지점(converging point)으로 작용하는 산화 스트레스와 활성 산소종(ROS; reactive oxygen species) 및 반응성 질소종(RNS; reactive nitrogen species)은 자가포식을 유지하는 주요 세포 내 신호 변환기(intracellular signal transducers) 중 하나로 알려져 있다. 자가포식에서 산화 및 질산화적(nitrosative) 스트레스는 티올(thiol)을 포함한 단백질의 가역적 전사 후 수정(reversible posttranslational modifications)을 통해 세포 생체 분자 및 신호 중재자에 해로운 역할을 담당할 것으로 논의되고 있다. 최근에는 p62/Keap1/Nrf2 경로를 통해 발생하는 자가포식과 항산화 반응의 관계는 자가포식과 산화 스트레스 사이의 상호 연관성이 높을 것으로 언급되고 있다. 본 리뷰에서는 자가포식의 다양한 조절 경로와 대사 네트워크와 산화 환원 항상성 간의 관계 및 ROS 및 RNS의 과잉 생산 시 활성화되는 자가포식과 DNA 손상 반응(DNA damage response, DDR) 사이의 복잡한 상호작용에 대해 제시하고자 한다.
키워드: Autophagy, Oxidative Stress, Reactive oxygen species, Reactive nitrogen species, DNA Damage
분야: Cell_Biology
본 자료는 Oxidative stress and autophagy: the clash between damage and metabolic needs. Cell Death and Differentiation, 2015; 22(3): Pages 377-388의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 자가포식의 다양한 신호 경로
  2.1 아미노산 신호
  2.2 글루코스 신호
3. 산화 스트레스
  3.1 산화 손상
  3.2 산화 환원 신호
4. 자가포식과 산화 스트레스
  4.1 미토콘드리아 자가포식 신호에 ROS의 주요 근원
  4.2 ROS와 미토파지
  4.3 자가포식의 산화 환원 신호
  4.4 자가포식에서 NO와 질산화적 스트레스의 충돌 역할
  4.5 p62/Keap/Nrf2 시스템에서의 자가포식과 산화 환원반응
5. 자가포식과 산화 스트레스
6. 산화스트레스와 DNA
7. DNA 손상과 자가포식의 복잡한 상호작용
  7.1 DDR에서의 자가포식의 직·간접 역할
  7.2 자가포식 경로로의 센서 단백질의 DNA 손상 신호 전달
8. 결론

1. 서론

1974년 노벨 생리의학상을 받은 Christian de Duve은 글루카곤(glucagon)을 발견하였으며 탄수화물 대사와 인슐린 작용에 관한 연구에서 리소좀은 glucose-6-phosphatase 효소와 acid phos-phatase가 함유된 세포 내 과립임을 밝혔다. 이는 소화 작용을 나타내는 가수분해 효소 외에 세포 내 물질을 재활용 혹은 제거하는 자가포식(Autophagy)이라 불리는 과정을 통해 낡거나 손상된 세포 기관 및 병원체 감염에 따른 질병을 치료할 수 있음을 보고한 것이다. 또한 아미노산(amino acid), 퓨린(purine) 및 지방산 대사(fatty acid metabolism)에 관여하는 많은 산화 효소에 의해 과산화수소 촉매 작용의 부작용으로서 내재적으로 많이 생성되는 세포 소기관을 퍼옥시좀(peroxisomes)으로 명명하였다. 이는 지질, 단백질 및 DNA에 대한 반응성이 매우 높고, 고농도로 존재할 경우 세포 생존에 심각한 해를 끼침으로써 모든 생물계에서 발생하는 산소종(oxidants species)과 항산화제(antioxidant) 방어 사이의 불균형으로 인해 생기는 유해한 상태라는 산화 스트레스의 개념으로 이어졌다. 그는 퍼옥시좀을 특성화하고 항산화 효소 카탈라아제(antioxidant enzyme cata-lase)가 존재하는 세포 소기관임을 발견하였음에도 불구하고 일차적인 자극이 생체 분자 무결성의 유지에 다르게 영향을 주는 미세하게 체계화된 신호 시스템에 의해 기본적으로 상호 연결될 수 있다는 것을 알지 못했다.

2. 자가포식의 다양한 신호 경로

자가포식의 세 가지 주요 유형으로 (1) 손상된 세포 소기관과 생체 분자를 격리하는 이중 막 소포의 형성 포함하는 거대자가포식(macrophage), (2) 세포질 물질이 리소좀(lysosome)에 의해 직접 빨아들여질 때의 미세자가포식(microautophagy) 및 (3) 샤페론 매개자가포식(chaperone-mediated autophagy)이 있다. 자가포식은 세포 항상성에 영향을 미치는 거의 모든 스트레스 조건에 의해 유도되는 세포 반응의 기초가 되는 매우 민감한 과정임이 알려졌다. 자가포식을 통해 세포는 아미노산 및 포도당과 같은 세포 외 자극 및 탄소원 이용을 통해 중요한 과정에 필요한 에너지를 조정한다. 단백질 합성 불충분 혹은 대사 반응을 유지하는데 필요한 ATP의 양을 제공하기 위해 세포가 자가포식을 활성화하면 오래되거나 소모된 성분을 빠르게 분해하고 생성된 생체 분자를 재사용한다.

글루코오스(glucose)와 아미노산 신호는 세포 내 분자 변환기(transducer)인 mTORC1 (mammalian target of rapamycin complex 1)에 수렴한다. 활성 mTORC1은 eIF2, -3 및 -4 및 eEF2와 같은 eIFs (translation eukaryotic initiation factors)와 eEFs (eukariotic elongation factors)의 활성을 조절하며, EIF4E 결합 단백질 1 (EIF4E-binding protein 1, 4E-BP1)과 단백질 S6 키나아제(protein S6 kinase, p70S6K)의 두 가지 주요 단백질 표적의 직접 인산화에 의해 결정된다. 활성 mTORC1은 UNC51-like kinase 1 (ULK1) Ser 757의 인산화를 억제하고 자가포식 관련 유전자 Atg13은 FIP200 (FAK-family interacting protein of 200 kDa)와 함께 ULK1 복합체를 형성한다. 이에 따라 mTORC1은 억제되고 ULK1이 활성화된다. 활성화된 ULK1은 Ambra1 (activating molecule in Beclin1-regulated autophagy 1)을 통해 PI3K (class III phosphoinositide 3-kinase) 복합체의 다음 활성화를 유도하는 Atg13 및 FIP200을 인산화시킨다(그림 1).

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그림 1. 자가포식에서의 다양한 신호전달 경로



2.1 아미노산 신호

세포에 신호할 수 있는 아미노산 중에서 자가포식 과정 중 류신(leucine)과 글루타민(glutamine)은 필수적이며 긴밀한 상호 의존성으로 중요한 역할을 담당한다. 류신은 카르복실산(carboxylates)의 아미노산 전환 및 TCA (tricarboxylic acid) 사이클과 같은 다른 경로를 통해 새롭게 합성할 수 없기 때문에 세포 생존에 없어서는 안 될 필수 아미노산이다. 이에 반해 글루타민은 필수적이지는 않지만 인체에서 가장 풍부한 아미노산과 TCA 사이클을 촉진시키는 연쇄 반응의 주된 기질 중 하나이다. 과이화상태(hypercatabolism) 또는 감염 혹은 중상 등 스트레스 조건은 골격근 세포에서 글루타민의 현저한 감소를 수반함에 따라 아미노산과 활력 있는 상태 모두의 신뢰성 있는 마커라고 주장된다.

분자 수준에서 적당한 양의 아미노산의 존재는 small GTPases의 RAG (RAS-related GTP) 결합 단백질 family가 구아닌 뉴클레오타이드(GTP 또는 GDP와 결합)와 결합하여 이를 활성화시킨 후 리소좀 막에서 mTORC1을 모집을 유도한다. mTORC1은 RHEB (RAS homologue enriched in brain)의 표적이 될 수 있으며, GTP에 결합하면 mTORC1의 양성 조절자 역할을 한다. RAG는 적어도 두 개의 별개의 기작에 의해 mTORC1에 아미노산 유효성을 알리고 활성화 상태를 조절하는 주요 센서이다. 하나의 메커니즘은 RAG가 v-ATPase (vacuolar H+-ATPase)에 의한 리소좀 루멘 내 존재하는 아미노산 풀과 조절자라고 불리는 분자 복합체를 감지한다는 것을 암시한다(그림 1). 이 메커니즘은 일단 아미노산 수준이 성공적으로 회복되면 자가포식에 작용하는 부정적인 피드백의 원인이 될 수 있다. 또는, RAG는 글루타민에 의해, 특히 글루탐산 분해 경로 과정 중 탈아민시에 생성되는 α-케토글루타레이트(α-ketoglutarate)에 의해 활성화됨이 알려져 왔다. 이러한 메커니즘을 통한 mTOR 활성화가 실질적으로 α-케토글루타레이트에 의해 조절되는 PHD (prolyl hydroxylase) 활성을 필요로 하는 것으로 보인다. 이 메커니즘은 α-케토글루타레이트 생산을 유도하는 마지막 탈아민 단계를 촉매하는 효소인 글루타메이트 탈수소 효소에 결합하여 활성화 시킴에 따라 루신에도 반응하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 리소좀 레벨에서의 mTORC1의 구획화는 자가포식에 대한 mTOR 음성 조절에 관한 근거를 제시한 것이다.

2.2 글루코스 신호

포도당은 해당 분해 과정 및 TCA 주기 동안 일어나는 순차적인 산화 단계에서 ATP 생산에 필요한 화학 결합의 분해로 인한 전자(에너지)를 제공하는 주요 탄소원이다. 자유에너지 과정(endergonic processes)의 유지는 엄격하게 ATP 수준의 유지해야 함으로 세포는 활발히 ATP를 합성하고 역동적인 스트레스에 직면하기 위해 정교한 메커니즘을 발전시켰다.

AMPK (AMP-dependent protein kinase)는 세포의 에너지 센서로 AMP에 의한 활성화 작용은 ATP와 길항작용을 이루며 아데닐레이트(adenylate) 에너지 전하에 직접 반응한다. 올바른 아데닐레이트 에너지 전하를 복원하기 위해 AMPK 인산화 활성은 대사 경로를 촉진하고 단백 동화 반응(단백질 및 지방산 합성) 속도를 억제하고 자가포식을 활성화시킨다. 분자 수준에서 활성 AMPK 활성은 적어도 세가지 메커니즘을 통해 자가포식을 자극한다. (1) RHEB GTPase 활성을 유도하는 Ser1387에서의 mTORC1 억제제인 TSC2 (tuberous sclerosis 2)의 인산화, (2) mTORC1 성분 Raptor의 Ser722 및 Ser792에서의 인산화 및 (3) Ser317 및 Ser777에서의 ULK1의 인산화가 포함된다. 메커니즘 관점에서 볼 때, AMPK에 의해 촉매 작용을 받는 최초의 두 가지 인산화는 mTORC1을 억제하고 ULK1에 대한 억제 효과를 감소시킨다. 따라서 ULK1은 자유롭게 AMPK와 상호 작용을 한다(그림 1).

또한 최근에 세포에 의한 글루코오스 감지가 세포 내 에너지 상태의 간접적인 변환기인 AMPK에 의존할 뿐만 아니라 직접적인 메커니즘에 의존한다는 것이 보고되고 있다. Roberts 등은 해당 과정의 첫 번째 단계에 관여하는 미토콘드리아에 위치한 효소인 헥소키나아제 II (HKII; hexokinase II)가 mTORC1에 결합 후 억제하는 상호 작용은 글루코오스 결핍이 일으나며 글루코스-6-인산염(glucose-6-phosphate) 수준의 감소됨을 확인하였다. 이 새로운 메커니즘은 글루코오스 결핍 환경에서 세포 대사의 조절에 기여할 수 있지만 산화 환원 항상성에 깊은 관련이 있음을 제시한 것이다. 이외에도 미토콘드리아로부터 ROS 생성을 막는 HKII의 직접적인 역할은 탄당인산(pentose phosphate) 경로를 통해 glucose-6-phosphate이 NADP+의 NADPH 전자 감소의 주요 공급원이기도 하다. NADPH는 전구(bioreductive) 합성에 직접 참여하고 티올 산화 환원 항상성에 필요한 전자를 제공한다. 특히, NADPH는 글루타티온(glutathione) 환원 효소 및 설프히드릴(sulphhydryl) 재생에 깊이 관여하는 많은 다른 환원 효소의 공동 기질로서 작용하며 산화 스트레스에 대항하여 방어에 관여한다.

3. 산화 스트레스

살아있는 세포는 항상 외인성 또는 내인적으로 생성된 매우 반응성이 강한 산화 분자의 위험한 영향을 받는다. 이는 라디칼과 비라디칼일 수 있지만 공통적으로 모든 세포 생체 분자와 같이 접촉 상태에 있는 분자로부터 쉽게 전자를 받아 체인 반응을 일으켜 궁극적으로 세포 구조 손상을 일으킨다. 이러한 종류의 분자들 중 ROS 및 반응성 질소종(RNS)으로부터 유래된 것들은 가장 높은 농도로 내생적으로 생산되기 때문에 주요 생물학적 영향을 가지며, 이러한 이유로 산화 스트레스의 개념은 질산화적 스트레스만큼 확대될 수 있다.

3.1 산화 손상

일반적으로 세포에서 ROS의 주요 원인은 미토콘드리아 호흡기 체인의 변화로 인해 일어나는 것으로 알고 있다. 실제로 미토콘드리아 복합체(복합체 I 및 III)는 전자를 누출하여 자발적으로 산소를 부분 환원시키거나 SOD (superoxide dismutase) 매개 촉매 작용에 의해 H2O2로 매우 빠르고 불균등하게 된다. 미토콘드리아가 생산하는 ROS는 총 산소 소비량의 1~2% 정도로 추정된다. 이는 매우 낮은 수준이라 생각할 수 있으나 인체의 각 단일 세포에서 평균 산소 이용률이 ~2.5 x 10-18 mol/s라고 생각하면 세포 내에서 매일 생성되는 ROS의 양은 약 10억 분자에 이른다. 인체의 세포 수(~50조)에 이 값을 곱하면 ROS flux 강도가 생리학적으로 드러난다. 특정 상황에서는 에너지 요구 증가 시 미토콘드리아 호흡 사슬을 통한 electron flux가 강화되고 노화 시 미토콘드리아 효율이 감소되며 외인성 물질(UV 방사선) 및 내인성 ROS(산화 효소 및 산소 분해 효소)의 원천으로 작용할 수 있다. 이는 세포 구성 요소를 보호/보존하기 위한 진화로 인해 매우 효과적인 항산화 반응이 선택되었을 가능성이 있다.

항산화 효소(antioxidant enzymes)인 SOD, 카탈라아제(catalase) 및 글루타티온 퍼옥시다아제(GSH-Px 또는 GPx; glutathione peroxidases)는 O2-, H2O2 및 과산화물을 제거하는 역할을 한다. 그들은 모든 세포구에 존재하며 peroxiredoxins, Trx (thioredoxins), Grx (glutaredoxins), 저분자량 항산화제(GSH, 토코페롤 및 아스코르베이트)와 같은 다른 단백질과 함께 작용하여 ROS를 완전히 제거하고 감소된 단백질 및 지질 pool을 복원한다. 항산화 방어의 효율성은 산소와 산화질소(NO) 사이의 반응으로 생성되는 매우 위험한 화합물인 퍼옥시니트라이트(peroxynitrite, ONOO-)에서 유래하는 분자의 종류인 RNS의 수준을 조절하는데 중요하다. 산화질소는 반응성이 좋은 기체 라디칼로써 물에 용해되고 세포막을 통해 확산된다. 이는 다른 조직 분포를 갖는 구성적 또는 유도성 효소의 계열이며, 반응을 위한 기질로써 아르기닌(arginine) 및 NADPH를 사용하는 NO 합성효소(NOS1-3)에 의해 내생적으로 생성된다. ROS에 대해 NO- 유도된 산화제 종은 산화 조건을 설정하는데 기여하며 항산화 반응을 극복할 만큼 높은 수준에서 생체 분자에 돌이킬 수 없는 손상을 초래한다.

3.2 산화 환원 신호

1990년대 후반 자유 라디칼에 대한 새로운 개념 정립 후 ROS 및 RNS에 대한 새로운 신호 역할에 대한 관심이 나타났다. ROS와 RNS가 황 함유 잔류물인 시스테인(cysteine)과 메티오닌(methionine)의 수준에서 가역적으로 단백질을 변형시킬 수 있으며 산화 환원 신호를 기반한다는 증거들이 제시되었다. 특히, 증가하는 단백질의 반응성 시스테인 티올 그룹(SH)은 생물학적 시스템에서 H2O2 및 NO와의 반응을 신속하게 거쳐서 S-하이드록실화된(S-hydroxylated, S-OH) 및 S-니트로실화된(S-nitrosylated, S -NO) 유도체이다. 다른 시스테인과의 반응 시, 이들 부가물은 일반적으로 디설파이드(S-S)로 전환되고, Trx/Trx 환원효소(또는 Grx/Grx 환원효소) 시스템을 통해 NADPH에 의해 제공되는 환원 등가물을 희생시키면서 결국 술후히드릴(sulphhydryl)로 환원된다. 반응성 시스테인의 산화 변형은 단백질 구조 및 기능의 변화를 일으킨다. 이들은 국소화 및 물리적 상호 작용뿐만 아니라 추가 번역 후 변형을 수행할 수 있는 능력에 영향을 미친다. 이것은 반응성 시스테인이 산화 환원 신호를 전달할 수 있는 1차 분자 스위치로 간주되는 이유이다.

4. 자가포식과 산화 스트레스

ROS는 영양 결핍 시 자가포식의 조기 유도제로 보고되었다. 그러나 현재까지 어떤 종이 그 과정을 진행하는지에 대해서는 아직까지 명확하지 않다. 현재까지 연구에 의하면 글루코스, 글루타민, 피루베이트(pyruvate) 또는 혈청 박탈(serum deprivation)에 의해 유발된 자가포식과 관련된 주요 ROS임을 제안한다. 많은 연구자들은 산화 방지제를 사용한 치료가 부분적으로 자가포식 기전활성에 중요하다고 가설을 세웠다.

4.1 미토콘드리아 자가포식 신호에 ROS의 주요 근원

고려해야 할 두 가지 문제로 첫 번째는 ROS는 매우 빠르게 생산된다. NADPH 산화 효소(NOX) 복합체와 같은 원형질막에 또는 근처에 위치한 ROS 생성 시스템에 의해 세포 외부에서 오는 자극이 전달된다. 세균이 감염된 대식세포에서는 NOX2에 의해 생성된 ROS가 세균이 빠져 나가는 것을 막기 위해 자가포식에 의해 분해된 식균에서 LC3 (microtubule-associated protein light chain 3)의 모집에 필수적이다. 미토콘드리아가 원형막에 아주 근접해있지는 않지만 자가포식 유도에 필요한 ROS의 주원인임을 나타난다. 이러한 영양 결핍이 갑자기 에너지 스트레스를 초래하여 ATP 요구를 증가시키고 미토콘드리아의 과부하로 인해 세포 내 문제가 발생한다는 것이다. 결과적으로 전자 누출 및 ROS 생성이 증가한다. 또 다른 가설은 아직 특징이 없는 인자가 변환기로 작용하여 상위 자가포식 신호를 미토콘드리아와 연결시킬 수 있다는 것이다. 후보 인자로는 mTORC1를 격리하는 HKII 일 수 있으며, 투과 전이 기공(PTP)에 대한 억제 및 ROS를 감소시키는 능력을 완화시킬 수 있다. HKII 활성, Akt 및 근력 영양성 영양소 단백질 키나아제(myotonic dystrophy pro-tein kinase, DMPK)를 적극적으로 조절하는 2가지 단백질 키나아제는 자가포식의 음성 조절 인자로 보고되었다.

4.2 ROS와 미토파지

ROS 생산의 핵심 사이트인 미토콘드리아는 자가포식을 조정할 수 있는 세포 기관이다. 만성적인 미토콘드리아 기능 장애는 ROS가 대량으로 생성될 수 있으며, 이로 인해 bulk 자가포식 유도제에서 미토파지라고 하는 선택적 과정을 통해 미토콘드리아의 역할을 전환한다. 이것은 자가포식이 산화 스트레스의 원인을 제거하고 세포를 산화적 손상으로부터 보호하는 부정적인 피드백을 조절하는 메커니즘이다.

미토파지 현상이 일어나는 첫 번째 이유는 미토콘드리아가 탄소원 제한에 기초한 ATP 생산과 관련이 있으며 두 번째는 미토콘드리아가 오토파고솜(autophagosome) 내에서 제대로 인식되고 빨아 들이기 위해 미리 단편화되어야 하는 비교적 큰 세포 소기관이라는 이유였다. 이 두 가지 문제는 심하게 손상되지 않은 미토콘드리아가 일반적으로 무력화되어 미토파지 현상이 일어나는 이유를 설명하는데 일반적이다. 최근에는 영양 결핍 상태에서 미토콘드리아가 융합을 촉진하고 핵분열 현상을 억제함으로써 자가포식 제거로부터 자신을 보호함을 확인하였다. 이와 같은 현상으로 오토파고솜 내에서 세포 소기관을 더욱 저해하고 동시에 ATP 생산을 최대화할 수 있는 mitochondrial elongation을 초래한다.

미토파지를 구성하는 두 가지 다른 분자 기작의 첫 번째 메커니즘은 GABARAP (autopha-gosomesited GABA receptor-associated protein)을 직접 인식할 수 있는 비정형 BH3 단백질인 NIX/Bnip3L (Bcl-2/adenovirus E1B 19-kDa-interacting protein 3)가 LC3의 기능상 동체이며 미토콘드리아가 제거되도록 한다. 두 번째 메커니즘은 손상되거나 기능 장애가 있는 미토콘드리아의 선택적 해산을 위해 활성화된다. 이것은 미토콘드리아의 탈분극에 반응하며 PINK1 (PTEN-induced putative kinase 1)과 파킨슨 병의 가족형과 관련된 돌연변이인 Parkin에 의해 조절된다. PINK1은 Ser/Thr 키나아제로 외부 미토콘드리아 막에서 전위되어 낮은 미토콘드리아 막 전위에 의해 안정화되어 미토콘드리아 탈분극의 센서 역할을 한다. 여기서, PINK1은 Parkin을 모집하여 외부 미토콘드리아 막 위치 단백질과 같은 VDAC1 (voltagedependent anion channel 1)과 같은 다수의 유비퀴틴화 한다. 일단 유비퀴틴화되면 p62 (p62/sequestosome 1)에 의해 인식되며, 유비퀴틴 결합 단백질은 여러 단백질 집합체의 발판으로 작용하여 프로테아좀(proteasome)을 통한 분해를 유발하거나 자가포식을 통한 리소좀 경로를 유발한다. p62는 미토파지를 중재하는데 필수적인 것으로 밝혀진 LIR (LC3 interacting region)을 포함한다. 이 모티프에 의해 p62는 autophagosme 표적 미토콘드리아를 오토파고솜 표면에 위치한 LC3에 연결시켜서 그 분해를 유도할 수 있다. 최근 보고에 의하면, Ambra1이 LC3와의 선택적 상호 작용과 Parkin과 p62의 독립적인 작용에 의해 유도된 미토파지에서 역할을 확인한 바 있다.

4.3 자가포식의 산화 환원 신호

앞서 언급한 바와 같이 항산화제 처리는 자가포식을 방지하여 산화 환원 불균형이 과정을 추진하는데 중추적인 역할을 한다. 미토콘드리아에서 ROS 생산 시 자가포식을 유도하는 속도에 따라 산화 환원 민감 단백질에 의해 매개되는 빠른 ON/OFF 반응이 필요하며 이 때 AMPK가 좋은 후보가 될 수 있다. 실제로 AMPK는 H2O2 노출, 특히 α-서브유닛(Cys299 및 Cys304) 혹은 β-서브유닛에 위치한 반응성 시스테인(cysteines)의 S-글루타치닐화 (glutathionylation)를 통해 활성화되는 것으로 알려져 있다. 이 때 AMPK 활성화에서 산화 환원 조절의 역할은 여전히 논쟁 거리이나 일단 영양소가 없으면 세포 내 환경을 더 산화 조건으로 전환시키고 산화 환원 민감성 단백질을 산화적으로 변형시키기 위해 drug efflux pump인 MRP1 (multidrug resistance protein 1)에 의해 GSH를 활발히 압출한다는 최근의 연구보고가 있다. GSH의 화학적으로 유도된 산화는 autophagic 자극이 없는 경우에도 자가포식을 유도할 수 있다는 증거로는 자가포식 투입에서 티올 산화 환원 항상성의 중요성을 강조한다. 이는 자가포식의 유도와 실행에 관련된 많은 단백질이 Cys 잔기에 의해 작용한다는 증거와 일치하는 것이다. 그 중에서도 두 개의 유비퀴틴 유사체(ubiquitin-like) 시스템인 Atg7-Atg3, Atg7-Atg10, Rab GTPase의 일부 구성원(Rab33b) 및 PTEN이 포함된다. p62가 metal 결합에 필요한 시스테인 잔기가 풍부하고 산화 환원 조절될 수 있는 zinc-finger motif (ZZ)를 함유하고 있음을 주목할 필요가 있다. p62의 가능한 산화 환원 민감성에 대한 증거는 아직 없지만, 다른 ZZ 함유 단백질과 마찬가지로 p62는 산화와 구조 변화를 거쳐 자가포식에서의 역할을 완화/조절할 수 있다고 예상할 수 있다. 지금까지 autophagic 단백질을 조절할 수 있는 산화 환원 기반 메커니즘은 Cys에서 Atg4의 H2O2 매개 산화가 LC3에서 가수 분해 활성을 불활성화하기 위해 요구되어 오토파고솜이 연장될 수 있음을 입증했다(그림 2).

4.4 자가포식에서 NO와 질산화적 스트레스의 충돌 역할

기존 연구결과에 의하면 NO가 S-니트로실화(nitrosylation) 메커니즘을 이용하여 자가포식을 조절하는 역할을 확인하였다. 그러나 이 과정은 저해 분자로 작용하여 산화 스트레스와 자가포식 사이의 기능적 관계를 훨씬 더 복잡하게 만드는 데 기여한다. Sarkar 등은 NO donors로 치료하거나 HeLa 세포에서 NOS 활성을 증가시킴으로써 S-니트로실화로 인해 자가포식 예방을 초래하고 Bcl2와 AMPK 활성화로부터 각각 Beclin1 분리를 조절하는 JNK1 (c-Jun-N-terminal kinase 1)과 IKKβ (IκB kinase β)의 억제를 입증했다(그림2). 이것은 TSC2의 S-니트로실화가 mTOR에 대한 억제 활성을 방지하여 자가포식을 예방하고 흑색종 세포의 증식을 유도한다는 결과와 일치한다. 그러나 이러한 결과는 DNA 손상에 대한 ATM (Ataxia telangiectasia mutated)의 AMPK-TSC2 경로 활성화에 대한 NO 및 질산화적 스트레스의 역할과는 대조적이다. 최근에 주요 denitrosylating 효소, GSNOR의 유전은 자가포식에 영향을 미치지 않음을 보고하였으나 골격근 모델에서 단독 미토파지의 손상을 독점적으로 초래함을 확인하였다. 하지만 자가포식에서 산화 스트레스의 작용 방법과 역할에 대한 연구는 아직 미흡하다.

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그림 2. 자가포식과 ROS/RNS 생성에서의 신호전달



4.5 p62/Keap/Nrf2 시스템에서의 자가포식과 산화 환원반응

자가포식과 산화 스트레스는 단순한 ON/OFF 신호보다는 더욱 긴밀한 방식으로 연결되어 있다. 특히 2010년에는 p62가 'non-canonical' 경로를 통해 항산화 물질 전사 인자인 Nrf2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2)를 활성화시키는 것으로 밝혀졌다. p62는 유비퀴틴화 단백질의 응집체에 결합하고 Ser351에서 인산화된 후 자가포식 과정을 통해 Keap1의 분해를 유도하고 Nrf2가 핵에서 누적되어 전위할 수 있게 만든다. 이 과정에서 Nrf2는 항산화제 및 해독 유전자의 프로모터 부위뿐만 아니라 OGG187 (8-oxoguanine glycosylase) 및 53BP1 (p53 binding protein 1)과 같은 DNA 손상 반응에 관여하는 유전자와 결합하여 전사를 유도한다. 이 경로에 의한 Nrf2 활성화는 스트레스 조건 하에서 p53에 의해 전사에 의해 유도되는 매우 보존된 작은 항산화 물질인 세스트린(Sestrins)에 의해 지속되며 AMPK 활성제 및 mTORC1 억제제로서의 기능하기 때문에 자가포식에 관여하는 것으로 알 수 있다.

5. 자가포식에서의 항산화 역할

지금까지 보고된 항산화 반응과 자가포식은 ROS와 RNS 농도를 감소시키고 생체 분자와 세포 소기관의 산화 손상을 줄이기 위해 산화 스트레스 조건에 의해 동시에 유도되는 메커니즘이다. 자가포식은 산화 스트레스에 매우 신속하게 반응하고 선택적 제거를 통해 산화된 분자와 세포 기관의 독성을 감소시키는 항산화 과정에 포함될 수 있다. 예외로 PMN (piecemeal microautopha-gy)을 통해 매우 선택적이며 비정상적인 핵 DNA 분해이다. 진균 및 선충에서 발생하는 nucleophagy와 유사한 방식으로 포유류 세포는 손상된 DNA를 함유한 핵의 일부를 특이적으로 제거할 수 있다. 특히 이러한 현상은 nuclear envelopathies에서 관찰되었으며, 핵이 포함된 오토파고솜 또는 DNA를 포함하는 autophagolysosomes 면역체가 명확하게 자가포식을 나타냈다. 따라서 이 과정은 핵에서 손상된 성분을 제거하는데 직접적인 역할을 하며 게놈 안정성을 유지하는데 도움이 된다. 그러나 PMN 외에도 DNA의 직접적 분해 활성이 없이도 자가포식은 DNA 손상 수리에 관여한다는 사실이 관찰되었다. 이 현상은 주로 ROS와 RNS가 매개하는 DNA 손상에 의해 발생하며, 자가포식이 유전 독성 스트레스에 대한 예방 및 치료 과정으로서 어떻게 작용하는지에 대한 메커니즘 이해가 필요하다.

6. 산화 스트레스와 DNA 손상

ROS와 RNS는 DNA를 직접적으로 변형시키거나 간접적으로 세포의 생존력에 영향을 미칠 수 있음으로 DNA 손상의 주요 원인 중 하나이다. ROS 중 ·OH는 5가지 종류의 산화적 손상을 생성하여 직접 DNA backbone을 공격할 수 있다. 뉴클레오 염기 중 구아닌은 낮은 산화 환원 전위 때문에 ROS에 가장 취약하며 산화의 주요 생성물은 8-hydroxyguanine와 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHG 및 8-OHdG)이다. 둘 다 사이토신(cytosine)과 아데닌(adenine) 모두 일치함으로써 돌연변이 유발성과 발암성이 뛰어나 GC-to-AT 전환을 유도한다. 8-OHG와 8-OHdG는 쉽게 축적되어 DNA에 대한 산화적 병변을 확인할 수 있는 지표이다. 일산화질소 및 RNS는 DNA 손상을 유발할 수 있으며, DNA 염기의 니트로화(nitration), 니트로실화 및 탈아민을 유도할 수 있으므로 잠재적으로 돌연변이 유발 물질로 간주된다. 또한 ROS와 RNS는 mitochondrial DNA (mtDNA) 무결성에 유해하다. 이 특징은 미토콘드리아 호흡 사슬(Complex II 제외)의 복합체에 속하는 다수의 서브 유닛의 합성의 기초가 되는 mtDNA 코딩 단백질 및 RNA의 전사에 깊이 영향을 미칠 수 있다. 산화된 mtDNA와 함께 미토콘드리아가 기능을 상실하게 되고 ROS의 높은 비율을 생산하여 미토콘드리아 손상을 초래하는 악순환이 발생한다. 최종적으로 심각한 핵 DNA 손상 및 세포 죽음을 초래할 수 있다.

7. DNA 손상과 자가포식의 복잡한 상호작용

DNA가 ROS 및 RNS에 의해 손상되면 세포는 게놈 무결성을 유지하기 위해 DDR (DNA damage response)과 관련된 여러 경로를 활성화한다. 다양한 종류의 단백질이 DDR에 관여되어 있고 센서는 DNA에 대한 병변을 특이적으로 인식하나 매개체와 효과기는 신호를 핵에서 세포질로 전달 후 여러 가지 과정이 활성화되어 불리한 조건에 직면하게 된다. 예를 들어 병변이 수리될 때까지 세포 주기 check point가 활성화되어 증식을 막는다. 그러나 DNA가 심하게 손상되거나 복구되지 않으면 세포는 정지 상태이거나 세포가 죽게 된다. 자가포식은 프로 생존 메커니즘과 세포 죽음의 한 유형으로 간주된다. 따라서 일단 DNA 손상의 유도는 세포의 운명을 조절하는데 결정적인 기여를 한다. 이는 자가포식이 DNA 복구 과정을 지원하는데 필요한 에너지 요구를 유지함으로써 DNA 손상 시 세포 사멸을 지연시킬 수 있다는 많은 증거들이 암세포의 화학 저항 메커니즘과 일치하는 현상이라고 주장한다. 반대로, DNA가 복구되지 않고 세포 사멸이 결함이 있는 세포에서 DNA 손상 유발자가 세포를 사멸시킴으로써 종양 억제 인자 과정으로 작용한다고 보고되었다. 또한 자가포식 손상이 DNA 손상을 초래하는 사례가 보고되어 이 상호 작용이 많은 분자들이 두 가지 과정을 생물학적으로 연결시킬 수 있다고 제안하고 있다. 특히, Beclin 1, UVRAG (UV irradiation resistance-associated gene), Atg5 및 Atg7과 같은 자가포식 유전자의 결핍이 DNA 손상 축적을 유도하고 종양 발생을 촉진한다는 것이 입증되었다. 이와 함께 ULK1 상호 작용 단백질인 FIP200의 억제는 DDR을 손상시켜 방사선에 의한 산화 스트레스를 이온화할 때 세포 사멸을 유발함이 보고되었다.

7.1 DDR에서의 자가포식의 직·간접 역할

자가포식은 DDR에서 ROS 및 RNS 매개 유전 독성 스트레스에 직·간접적으로 관여할 것으로 보고되나 발생과정에 대한 논란은 여전하다. 예를 들면 효모에서는 Cvt (cytoplasm to vacuole tar-geting)를 통해 특정 단백질의 선택적 분해가 입증되었다. (1) 세포주기 진행에 관여하는 단백질(Psd1 및 Esp1)을 분해함으로써 G2/M 단계에서 세포주기 정지를 유도하는 단계, (2) 리보뉴클레오타이드(ribonucleotide) 환원 효소 복합체의 서브유닛 1을 표적으로 하여 dNTP 생산 및 DNA 합성을 최적화하는 단계 및 (3) DNA 말단의 절제를 촉매 시 endonuclease Sae2를 분해함으로써 동종 재조합의 동역학을 조절한다. 고등 진핵세포에서는 Cvt가 확인되지 않았으며, 이 경로에 속하는 단백질의 어떤 orthologue도 밝혀지지 않았다. DDR 관여에 대해 있어 자가포식의 역할을 설명하는 가장 공신력 있는 가설 중 하나는 손상된 미토콘드리아 및 독성 응집체를 분해함으로써 ROS를 제거 및 조절하며 간접적으로 DNA 손상 축적을 감소시킨다는 것이다. 이 가설은 종양 억제 기능과 관련이 있는 게놈 안정성을 유지하는데 있어서 자가포식의 중요한 역할에 대한 일반적인 설명을 제공한다. 그러나 적어도 포유류에서의 DDR에서의 자가포식에 대한 직접적인 역할을 뒷받침하는 증거로는 여전히 부족하다.

7.2 자가포식 경로로의 센서 단백질의 DNA 손상 신호 전달

최근 연구에 따르면 ROS와 RNS가 DNA를 손상시키면 DDR을 활성화시키기 위해 상황을 전달하고 동시에 반응을 조율하기 위해 자가포식 경로로 신호가 전달된다. PARP1 (PolyADP-ribose polymerase 1)은 DDR과 자가포식을 직접 연결하는 단백질로 NAD+를 PAR (polyADP-ribose)의 고분자로 전환시켜 핵 단백질의 폴리리보실화(polyribosylation)를 촉매 후 SSB 수리에 관여하여 핵 항상성을 조절한다. PARP1은 ROS가 유도된 DNA 손상에 의해 과활성화되며 에너지 불균형은 ATP에 대한 대사 전구 물질을 재사용하고 DDR에 에너지를 제공하기 위해 AMPK 경로를 통한 자가포식 활성화를 초래한다. 또 다른 자가포식에 DDR를 연결하는 DNA 수선 단백질은 세포주기를 조종하는 DNA 손상 감지기 ATM이다. ROS에 의해 유도된 세포 손상 중 LKB1/AMPK 경로를 통한 세포질 기질의 ATM이 TSC2 종양 억제제를 활성화시켜 mTORC1을 억제하고 자가포식을 유도함이 증명되었다. 이러한 발견은 다른 세포 구획에서 발생하는 다른 스트레스 반응 경로를 통합한다. 그러나 DDR의 주요 규제 기관은 p53으로 그 구성원인 p63과 p73은 많은 자가포식관련 유전자를 조절하는 것으로 나타났다. 특히, p53은 DNA 손상이 발생하면 매우 빠르게 활성화되며, DNA 손상 및 DNA주기를 검사하여 DNA 손상을 복구할 수 있다. p53의 표적은 자가포식의 상위 조절자 (AMPK의 PTEN, TSC2, β1, β2 및 γ 소단위)와 오토파고솜 형성에 직접 관여하는 단백질(ULK1, UVRAG, ATG2, 4, 7, 10)이 있다. p63과 p73이 ATG 4, 7, 10, ULK1 및 UVRAG와 같은 전사를 목표로 일부 자가포식 유전자를 공유하므로 p53과 중복을 제안한다. 또한 자가포식과 아포토시스를 조절하는 역할을 하는 것으로 입증된 많은 다른 단백질뿐만 아니라 p53 관련 구성원의 이중 역할은 구체적인 연구가 필요하다.

8. 결론

ROS와 RNS가 자가포식의 상향 조절자라는 몇 가지 증거가 있다. ROS와 RNS는 자가포식 machinery에 그들의 존재를 알림으로써 세포 내 '경보 분자(alarm molecule)'로 작용할 것이다. 부정적인 피드백 조절을 통해 자가포식은 항상성을 복원하고 동시에 산화 손상을 제거하기 위해 에너지와 building block을 제공하도록 유도될 수 있다. 이러한 관점에서, 세포에는 영양결핍과 산화 스트레스 조건을 동시에 극복하기 위해 자가포식은 필수적이다. 따라서 자가포식 유전자의 유전적 결함은 ROS의 생산 증가와 손상된 세포 소기관 및 DNA의 축적으로 이어져 대사 재프로그램을 촉진하고 종양 형성을 유도한다. 비록 산화적 스트레스와 자가포식 사이의 밀접한 상호 작용의 메커니즘이 연구되고 있으나 현재까지는 몇몇은 자가포식을 조정하는 역할을 담당하는 것으로 나타났다. 신진 대사와 산화 환원 상태 사이의 밀접한 관계뿐만 아니라 ROS와 RNS에 의한 자가포식의 미세한 분자 조절을 이해하는 것이 미래에 항암 치료를 개선하고 새로운 선택 요법을 개발하는데 유용할 수 있는 귀중한 정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
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이혜미(2017). 산화스트레스와 자가포식. BRIC View 2017-R07. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2694 (Mar 02, 2017)
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