바이오인

출처 : 한국분자 · 세포생물학회

양성 되먹임 고리(positive feedback loop)의 생물학적 기능

하상훈 / 전북대학교 생명공학부

sanghoon@jbnu.ac.kr

서론

세포 신호 전달과정에서 관찰되는 생화학적 반응들은 거의 대부분 가역적이다. 단백질은 인산화 및 탈 인산화과정을 반복하고, GTP-결합 단백질인 G-단백질은 GTP가 결합한 상태와 GDP가 결합한 상태를 순환하게 된다. 이차 신호전달 물질들은 합성되고 분해되면, 세포질로 방출된 후 다시 재 흡수된다. 핵으로 이동된 단백질은 다시 핵 밖으로 이동하게 된다. 분해된 단백질은 새로운 단백질 합성을 통해 대체되기 때문에 단백질 분해 조차도 결국에는 가역적이라 표현할 수 있다. 이와 같이 세포 내의 많은 반응들이 가역적임을 알 수 있다.

하지만, 세포 수준에서 관찰되는 많은 생물학적 전이들은 본질적으로 비가역적 성질을 보인다. 예를 들어, 세포의 분화를 살펴보자. 분화를 야기한 신호가 사라진 이후에도 세포는 분화된 상태를 수년 이상 유지하고 있다. 대부분의 세포 주기도 비가역적이다. G2기에서 M기로 전이될 수 있으나 반대로는 직접 회귀할 수 없다. 단백질의 인산화는 분 단위로, 단백질의 분해는 시간 단위로 순환하는데 이와 같이 신호전달과정 중 관찰되는 많은 가역적인 반응들이 세포 운명 결정에서 관찰되는 비가역적 현상을 어떻게 야기 하는 것일까?

이 문제에 대한 이론적 해답은 Monod와 Jacob에 의해 처음 제시 되었다. 일시적인 분화 유도 신호가 사라진 이후에도 그 분화 유도 신호를 '기억'하기 위해 이중-음성 되먹임 고리가 포함된 유전자 조절 네트워크가 필요하다고 제시했다. 흥미롭게도 생물학적 되먹임 고리에 대한 개념은 실험적으로 발견되고 증명되기 이전에 이론적으로 제시 되었다. 1948년 기계와 생명체에 존재하는 제어 시스템이 되먹임 고리를 통해 시스템의 반응을 조절할 수 있다는 cybernetics개념을 소개하며 되먹임 고리라는 용어가 최초로 사용되었다. 또한 다양한 분자들의 상호자용으로 형성된 양성 되먹임 고리가 복잡한 생명 현상에 필요하다는 것이 1949년에 이론적으로 제시된 바 있다. 이후, 1956년에 Isoleucine의 생합성 경로 중 초기 단계의 효소인 threonine deaminase가 isoleucine에 의해 억제되는 현상이 발견되고, 유사하게 pyrimidine 생합성 경로에서도 최종 산물에 의한 음성 되먹임 조절 현상이 최초로 실험적으로 증명되었다. 양성 되먹임 고리는 E.coli의 lac operon 시스템과 bacteriophage lambda의 lysis-lysogenic cycle에서 발견되고 현재까지도 활발히 연구되고 있다. 또한 세균과 진핵세포의 많은 전사인자들이 자기 스스로의 발현을 증가시키는 자가 양성 되먹임 고리로 조절 받는다. 구성하는 분자들이 다르고 되먹임 고리를 형성하는 전체적인 구조는 모두 다르지만, 이러한 되먹임 고리는 원핵 생물 및 진핵 생물에서 공히 발견되고 있다. 본 기고문에서는 Ferrell에 의해 논의된 내용을 기반으로 이후 발견된 다양한 내용들을 추가함으로써 양성 되먹임 고리의 생물학적 기능에 대해 살펴보고자 한다.

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