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(2025 연세대 기출 변형 문제 및 해설-11)   

세포 신호전달 과정은 세포가 외부 자극에 반응하고 내부적으로 조절되는 중요한 메커니즘입니다. 다음 질문에 대해 논술하시오.

1. 성장인자(growth factor)에 의한 신호전달이 어떤 방식으로 이루어지는지 설명하고, 이를 endocrine signaling과 비교하여 설명하시오.

2. G protein이 신호전달 과정에서 어떻게 활성화되고 작용하는지 설명하시오. 특히, GPCR과의 상호작용 및 GDP/GTP 교환 과정을 논하시오.

3. Vibrio cholera toxin이 G protein에 미치는 영향과 이로 인해 발생하는 세포 내 변화에 대해 설명하시오.

4. Ca2+의 역할을 second messenger로서 설명하고, cytosol 내 Ca2+ 농도가 어떻게 조절되는지 논하시오. 특히 세포 내외의 Ca2+ 농도 차이와 그 중요성을 다루시오.

5. 예쁜 꼬마선충(C. elegans)에서 세포 죽음신호(death signal)가 전달될 때, ced-9의 역할이 무엇인지 설명하고, ced-9이 비활성화될 때 발생하는 세포사멸 과정에 대해 논하시오.

해설지

1. 성장인자(growth factor)에 의한 신호전달과 endocrine signaling

• 성장인자 신호전달:
  • 성장인자(growth factor)는 주로 국소적인 신호전달(paracrine signaling)에서 작용하며, 특정 세포나 조직에서 분비되어 인근 세포의 수용체에 결합하여 세포 분열, 성장, 분화 등을 촉진합니다. 성장인자는 세포막의 수용체에 결합한 후 신호전달 경로를 활성화하여 세포 내 특정 반응을 유도합니다. 이 과정에는 주로 단백질 인산화와 같은 신호전달 메커니즘이 포함됩니다.
• endocrine signaling:
  • Endocrine signaling은 호르몬이 혈류를 통해 신체의 먼 부분까지 운반되어 신호를 전달하는 방식입니다. 예를 들어, 인슐린이 췌장에서 분비되어 전신에 있는 다양한 세포에 작용하여 포도당 흡수를 촉진하는 것이 대표적인 사례입니다. 성장인자 신호전달과 달리, endocrine signaling은 전체적인 신체 조절 및 항상성 유지에 관여합니다.
• 비교:
• 성장인자 신호전달은 주로 국소적이며 신속한 반응을 유도하는 반면, endocrine signaling은 더 넓은 범위에서 작용하며, 시간이 오래 걸리지만 지속적인 영향을 미치는 것이 특징입니다. 첫 번째 진술에서 '성장인자 신호전달이 endocrine signaling의 한 예'라고 하는 것은 잘못된 설명입니다. 성장인자는 주로 국소적(paracrine) 또는 자가(autocrine) 신호전달에 관여합니다.

2. G protein의 활성화와 작용

• G protein 활성화 과정:
  • G protein은 세포막에 위치한 G 단백질 연결 수용체(GPCR)와 결합하여 신호를 전달합니다. 평소에는 GDP가 결합된 상태로 비활성화되어 있습니다. GPCR이 리간드(신호 분자)와 결합하면, GPCR의 구조가 변화하고 G protein의 α 서브유닛에 결합한 GDP가 GTP로 교환됩니다. 이때 G protein이 활성화되며 α 서브유닛이 분리되어 세포 내 다른 효소나 이온 채널 등을 활성화시킵니다.
• 활성화의 중요성:
• 이 과정은 신호 증폭과 전달에 필수적입니다. 두 번째 진술에서 'G protein이 GPCR에 의해 결합하여 활성화된다'는 설명은 정확하지 않습니다. GPCR은 G protein에 결합하지 않고, G protein의 GDP를 GTP로 교환시킴으로써 G protein을 활성화시킵니다.

3. Vibrio cholera toxin이 G protein에 미치는 영향

• 비활성화와 작용:
  • Vibrio cholera toxin은 G protein의 α 서브유닛(Gs)을 비활성화 상태로 고정하지 않고, 반대로 활성화 상태로 고정시킵니다. 이로 인해 G protein이 지속적으로 adenylate cyclase를 활성화시켜 세포 내 cAMP 수준이 비정상적으로 높아지게 됩니다. 이는 나트륨 및 염소 이온의 과다 배출을 초래하여 심한 설사와 탈수를 유발합니다.
• 잘못된 설명:
• 세 번째 진술에서 'Vibrio cholera toxin이 G protein을 비활성화 상태로 유지시킨다'는 설명은 잘못되었습니다. 실제로는 G protein을 지속적으로 활성화 상태로 유지시킵니다.

4. Ca2+의 역할과 세포 내 농도 조절

• Ca2+ as a second messenger:
  • Ca2+은 다양한 세포 신호전달 경로에서 중요한 역할을 하는 second messenger입니다. Ca2+은 평소 세포 내 농도가 매우 낮게 유지되며, 세포 밖 또는 소기관(예: 소포체) 내의 Ca2+ 농도가 훨씬 높습니다. 신호 자극에 의해 세포 내 Ca2+ 채널이 열리면 Ca2+이 cytosol로 유입되어 다양한 효소와 단백질을 활성화시켜 신호전달 경로를 진행시킵니다.
• 세포 내외 농도 차이:
• 세포는 Ca2+ 펌프와 Ca2+ 채널을 사용하여 cytosol 내의 Ca2+ 농도를 매우 낮게 유지합니다. 이는 Ca2+의 신호전달 기능을 정확하게 조절하는 데 필수적입니다. 네 번째 진술에서 'cytosol 내 Ca2+ 농도가 세포 바깥보다 높다'는 설명은 틀렸습니다. 실제로는 cytosol 내 Ca2+ 농도가 세포 외부보다 훨씬 낮습니다.

5. C. elegans에서 ced-9의 역할

• ced-9의 역할:
  • Ced-9는 C. elegans에서 세포사멸(apoptosis)을 억제하는 단백질입니다. 세포가 죽음신호(death signal)를 받지 않는 한, Ced-9는 Ced-4와 Ced-3의 활성화를 억제하여 세포가 살아있도록 유지합니다. 그러나 세포가 죽음신호를 받으면 Ced-9는 비활성화되며, Ced-4와 Ced-3이 활성화되어 세포사멸을 유도합니다. 이 과정은 세포가 특정 시점에서 사멸하도록 유도하는 필수적인 메커니즘입니다.
• 세포사멸 과정:
  • Ced-9이 비활성화되면 Ced-4가 Ced-3을 활성화하여 일련의 단백질 분해효소인 카스파제(caspase)를 활성화시킵니다. 이로 인해 세포 내 다양한 단백질이 분해되고, 결국 세포가 프로그램된 세포사멸 과정을 거쳐 제거됩니다. Ced-9의 비활성화는 이러한 세포사멸 경로의 시작 신호로 작용합니다.