세포외 신호가 세포내 반응으로 바뀌는 과정 — 신호전달의 세 단계

세균도 서로 대화를 합니다. 효모(빵을 부풀릴 때 쓰는 그 미생물)조차 짝짓기 상대를 찾을 때 신호 분자를 주고받아요 — a형 효모가 α인자(α factor)라는 펩타이드를 분비하면, 근처에 있는 α형 효모의 막수용체가 이걸 감지하고 세포 모양을 바꿔 상대 쪽으로 돌기를 뻗습니다. 단세포 생물한테까지 이런 정교한 신호전달 체계가 있다는 건, 세포끼리 정보를 주고받는 능력이 다세포 생물이 등장하기 훨씬 전부터 진화해 온 아주 오래된 도구라는 뜻이에요. 우리 몸속 수십조 개 세포가 지금 이 순간에도 서로 신호를 주고받으며 조율되고 있는 것도, 결국 이 오래된 도구를 훨씬 정교하게 다듬어 쓰고 있는 셈입니다.

가까이 있는 세포에게, 아니면 온몸에 대고 — 신호가 퍼지는 범위

세포가 신호를 보내는 방식은 "얼마나 멀리 보내는가"로 크게 나눌 수 있습니다. 상처 부위 세포들이 주변 세포에게만 국소 신호(local signaling)를 보내는 경우가 있고, 뇌하수체가 분비한 호르몬이 혈류를 타고 온몸의 표적 세포에 도달하는 장거리 신호(long-distance signaling)도 있어요.

국소 신호 안에서도 결이 다른 몇 가지 방식이 있습니다. 주변분비 신호(paracrine signaling)는 성장인자 같은 물질을 세포외액으로 분비해서 근처 세포에게 전달하는 방식이고, 시냅스 신호전달(synaptic signaling)은 신경세포가 신경전달물질을 시냅스 틈으로 분비해 바로 이웃한 다음 뉴런(또는 근육세포)에 전달하는 훨씬 더 정밀하고 빠른 버전이에요. 자기 자신이 분비한 신호에 자기가 다시 반응하는 자가분비 신호(autocrine signaling)도 있는데, 이건 면역세포나 암세포가 스스로를 증식시키는 신호를 계속 만들어내는 상황에서 특히 중요하게 다뤄집니다. 반면 장거리 신호의 대표 격인 내분비 신호(endocrine signaling, 호르몬)는 확산이 아니라 순환계를 타고 이동하기 때문에, 분비되는 곳과 반응하는 곳이 몸의 완전히 반대편일 수도 있어요.

세포 안에서 실제로 벌어지는 신호전달 경로는 수십 개 단백질이 동시에 얽혀 있어서 그림으로 그리면 상당히 복잡합니다. 하지만 다행히도 이 모든 경로는 공통적으로 딱 세 단계를 거쳐요. 이번 챕터에서는 이 복잡함을 한 번에 이해하려 하지 말고, 개념 9.2부터 9.4까지 이 세 단계를 하나씩 따로 뜯어볼 거예요.

신호전달의 세 단계 — 수용, 전달, 반응

미국 생화학자 얼 서덜랜드(Earl Sutherland)가 1950년대에 간세포를 연구하면서 이 세 단계 모델의 토대를 놓았습니다. 그는 에피네프린(아드레날린)이 간세포에 직접 닿지 않고도 글리코겐이 포도당으로 분해되는 반응을 촉발한다는 사실에 주목했어요. 에피네프린이 세포막을 통과해서 들어가는 것도 아닌데 어떻게 세포 안의 효소 반응까지 바꿀 수 있는지가 당시엔 수수께끼였습니다. 서덜랜드는 결국 에피네프린이 막 표면의 수용체에만 결합하고, 그 신호가 세포 안에서 cAMP(고리형 AMP)라는 완전히 다른 분자로 "중계"되어 전달된다는 걸 밝혀냈습니다 — 이 발견으로 1971년 노벨 생리의학상을 받았어요.

이 연구에서 정리된 게 바로 신호전달의 세 단계입니다.

• 수용(reception) — 신호 분자(리간드)가 세포의 수용체 단백질에 결합해서 수용체의 입체구조를 바꾸는 단계.
• 전달(transduction) — 그 구조 변화가 세포 안에서 일련의 단계를 거치며 다른 신호로 바뀌어 가는 단계. 보통 여러 단계로 이어진 릴레이 형태를 띱니다.
• 반응(response) — 최종적으로 특정 세포 활동(효소 활성화, 유전자 발현, 세포골격 재배열 등)이 실제로 일어나는 단계.

송쌤생명과학 자체 제작

제가 수업하면서 보면 이 세 단계를 그냥 "받고, 전달하고, 반응한다"로 순서만 외우고 넘어가는 경우가 많은데, 정작 중요한 포인트는 전달 단계가 신호를 그대로 복사해서 나르는 게 아니라 완전히 다른 종류의 신호로 "번역"한다는 사실이에요. 에피네프린이라는 단백질성 신호가 세포 안에서는 cAMP라는 작은 유기분자 신호로 바뀌고, 이게 다시 효소를 활성화하는 인산화 신호로 바뀌는 식으로요. 다음 글(개념 9.2)에서는 이 중 첫 단계, 즉 리간드를 맨 처음 알아채는 수용체들이 구체적으로 어떤 종류가 있는지부터 살펴보겠습니다.

쌤 한마디 — 서덜랜드가 cAMP를 발견하면서 처음 제안한 "1차 전달자(호르몬 등 세포 밖 신호)"와 "2차 전달자(cAMP처럼 세포 안에서 빠르게 퍼지는 신호)"라는 구분은 지금도 신호전달을 설명하는 기본 틀로 쓰입니다. 어찌 보면 세포생물학에서 가장 성공적으로 오래 살아남은 비유 중 하나예요.