생물학 개론 — 4강: 세포생물학·발생학·면역학

세포 신호전달

세포 신호전달 (Cell Signaling):
→ 세포 간 정보 교환·외부 자극에 대한 반응 조절
→ 신호 전달 단계: 신호 → 수용체 → 중개체 → 반응

수용체 유형:
→ G 단백질 연결 수용체 (GPCR):
  세포막 7번 관통 단백질
  GDP → GTP 교환 → G 단백질 활성화
  아드레날린·히스타민·시각·후각 수용체
→ 수용체 티로신 키나아제 (RTK):
  리간드 결합 → 이량체화 → 자가 인산화
  인슐린 수용체·EGF 수용체·성장인자
→ 이온 채널 수용체 (Ionotropic):
  신경전달물질 결합 → 이온 채널 개방
  아세틸콜린·GABA 수용체
→ 핵 내 수용체 (Nuclear Receptor):
  스테로이드·갑상선 호르몬 결합 → 전사 직접 조절

2차 메신저:
→ cAMP (고리형 AMP):
  아데닐산고리화효소 → ATP → cAMP
  PKA (단백질 키나아제 A) 활성화
  포스포다이에스터라아제가 분해
→ IP3·DAG (이노시톨인산·다이아실글리세롤):
  포스포라이페이스 C → PIP2 분해
  IP3: 세포 내 Ca2+ 방출
  DAG: PKC 활성화
→ Ca2+ 신호:
  칼모듈린과 결합 → CaM 키나아제 활성화
  근육 수축·세포 분비 조절

MAPK 경로:
→ RTK → Ras → Raf → MEK → ERK
→ ERK: 핵 내 전사인자 인산화 → 유전자 발현
→ 세포 증식·분화·생존 조절
→ 암에서 Ras 돌연변이 (KRAS) 빈번

PI3K/Akt 경로:
→ RTK → PI3K → PIP3 → Akt (PKB)
→ mTOR 활성화 → 단백질 합성·세포 성장
→ PTEN: PIP3 분해 → 종양억제인자
→ 세포 생존·증식·포도당 대사

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세포 주기와 암

세포 주기 (Cell Cycle):
→ G1기 (합성 준비): RNA·단백질 합성·세포 성장
→ S기 (DNA 합성): DNA 복제
→ G2기 (분열 준비): 방추사 합성 준비·DNA 수선 점검
→ M기 (유사 분열): 전기→전중기→중기→후기→말기
→ G0기 (정지): 성숙 세포 (뉴런·근육세포 등)

사이클린-CDK 복합체:
→ 사이클린 (Cyclin): 농도 주기적 변화
→ CDK (사이클린 의존성 키나아제): 사이클린 결합 시 활성화
→ G1 진행: Cyclin D-CDK4/6
→ G1→S: Cyclin E-CDK2
→ S기 진행: Cyclin A-CDK2
→ M기 진행: Cyclin B-CDK1 (MPF)

세포 주기 체크포인트:
→ G1 체크포인트: DNA 손상·영양·성장인자 확인
  Rb 단백질이 E2F 전사인자 억제
  → Rb 인산화 → E2F 활성화 → S기 진행
→ G2 체크포인트: DNA 복제 완료·손상 확인
→ M기 (방추 어셈블리) 체크포인트: 모든 염색체 방추사 부착 확인
→ p53: DNA 손상 감지 → p21 유도 → CDK 억제 → 세포 주기 정지
  또는 Bax 발현 → 세포 자살 (Apoptosis) 유도

암 (Cancer):
→ 체세포 돌연변이 누적 → 조절 불능 증식
→ 암 유발 유전자 (Oncogene):
  원발암유전자 (Proto-oncogene) → 돌연변이·과발현 → 암유전자
  Ras·Myc·Her2·BCR-ABL
→ 종양억제유전자 (Tumor Suppressor Gene):
  p53·Rb·BRCA1/2·APC
  두 번의 타격 (Two-hit Hypothesis, Knudson)
→ 전이 (Metastasis):
  상피-중간엽 전환 (EMT) → 혈관 침습 → 원격 장기 착상
→ 혈관신생 (Angiogenesis):
  종양이 VEGF 분비 → 새 혈관 형성 → 종양 성장

세포 자살 (Apoptosis):
→ 프로그래밍된 세포 사망 (≠ 괴사)
→ 외인성 경로: 사망 수용체 (Fas·TNFR) → 카스파제 8
→ 내인성 경로: Bax → 미토콘드리아 사이토크롬 C → 카스파제 9
→ 실행 카스파제 3·6·7 → DNA 분절·세포 수축·식세포 탐식
→ 암에서 Bcl-2 과발현 → 아포토시스 억제

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발생생물학

수정과 초기 발생:
→ 수정 (Fertilization): 정자·난자 융합 → 수정란 (접합자)
→ 난할 (Cleavage): 세포 분열 (성장 없음) → 상실배 → 포배
→ 포배 (Blastula): 포배강·영양외배엽·내세포괴
→ 착상 (Implantation): 자궁 내막에 포배 착상 (임신 6~7일)

낭배형성 (Gastrulation):
→ 내세포괴 → 세 배엽층 형성
→ 외배엽 (Ectoderm): 피부 상피·신경계·감각기관
→ 중배엽 (Mesoderm): 근육·골격·순환계·콩팥
→ 내배엽 (Endoderm): 소화계 상피·호흡계·내분비선
→ 원조 (Primitive Streak): 척추동물 배아 앞뒤축 확립

신경관 형성 (Neurulation):
→ 척삭 → 등쪽 외배엽 유도 → 신경판 형성
→ 신경판 → 신경관 (뇌·척수) → 봉합 실패 → 척추 갈림증 (Spina Bifida)
→ 엽산 부족 → 신경관 결손 위험

형성 유도 (Induction):
→ 한 조직이 인접 조직 분화 유도
→ 척삭이 신경관 유도 (Spemann organizer)
→ FGF·BMP·Wnt·Notch 신호 경로 관여

호메오박스 유전자 (Hox Genes):
→ 체절 정체성 결정 (앞-뒤 축)
→ 180bp 호메오박스 도메인: DNA 결합 전사인자
→ 인간 4개 군집 (HoxA~D): 특이한 공간적 표현 패턴
→ 돌연변이 → 체절 변환 (초파리 촉수가 다리로)

줄기세포 (Stem Cells) 발생과의 관계:
→ 전능성 (Totipotent): 수정 후 4~8세포기 (태반 포함 모든 세포 형성)
→ 만능성 (Pluripotent): 내세포괴 → ESC (모든 체세포 형성)
→ 다능성 (Multipotent): 성체 줄기세포 (제한된 세포 형성)
→ 단능성 (Unipotent): 특정 세포만 형성 (정원줄기세포)

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면역학

선천 면역 (Innate Immunity):
→ 비특이적·신속 반응 (수분~수시간)
→ 물리적 장벽: 피부·점막·섬모·위산
→ 세포 성분:
  호중구: 가장 많은 백혈구·식균 작용
  대식세포: 식균·사이토카인 분비·APC 기능
  자연살세포 (NK Cell): 바이러스 감염 세포·암세포 직접 살해
  수지상세포: APC·후천 면역 연결

패턴인식수용체:
→ TLR (Toll-like Receptor): 병원체 관련 분자 패턴 (PAMP) 인식
  TLR4: LPS (세균 세포막) 인식
→ NOD 수용체: 세포 내 PAMP
→ 보체 시스템: 혈청 단백질 연쇄 반응 → 세균 용해·식균 촉진

후천 면역 (Adaptive Immunity):
→ 특이적·느림·면역 기억
→ 림프구: B세포 (체액성)·T세포 (세포성)

B세포와 항체 (체액성 면역):
→ B세포 발달: 골수 → BCR (B세포 수용체) 발현
→ 항원 인식 → 보조 T세포 도움 → 형질 세포·기억 B세포
→ 항체 (면역글로불린) 구조:
  2개 중쇄 + 2개 경쇄 (Y자형)
  Fab 영역: 항원 결합
  Fc 영역: 효과 기능 (보체 활성화·식균 촉진)
→ 항체 종류:
  IgG: 가장 풍부·태반 통과·2차 면역 반응 주역
  IgM: 초기 반응·5량체
  IgA: 점막·모유·2량체
  IgE: 알레르기·기생충
  IgD: B세포 수용체

T세포 (세포성 면역):
→ T세포 발달: 골수 → 흉선 (양성·음성 선택)
→ TCR (T세포 수용체): MHC-항원 복합체 인식
→ CD4+ 보조 T세포:
  MHC II 인식 → B세포·세포독성 T세포 활성화
  Th1: 세포성 면역 (INF-γ) / Th2: 체액성 면역 (IL-4)
  Th17: 염증 / Treg: 면역 억제
→ CD8+ 세포독성 T세포:
  MHC I 인식 → 감염 세포 직접 살해
  퍼포린·그랜자임 분비

MHC (주조직 적합성 복합체):
→ MHC I: 모든 유핵 세포 → 내인성 펩티드 제시
→ MHC II: 전문 APC (대식세포·수지상세포·B세포) → 외인성 펩티드
→ 인간: HLA (Human Leukocyte Antigen)
→ 장기 이식 거부 반응의 원인

백신 (Vaccine):
→ 면역 기억 사전 형성 → 재감염 시 신속 대응
→ 약독화 생백신: MMR·수두·로타바이러스
→ 불활화 사백신: 독감·소아마비(솔크)
→ 서브유닛 백신: B형 간염·자궁경부암
→ mRNA 백신: 코로나19 (모더나·화이자)
  지질 나노입자 → mRNA → 스파이크 단백질 → 면역 반응

자가면역 질환:
→ 면역 관용 실패 → 자기 항원 공격
→ 류마티스 관절염·제1형 당뇨·루푸스·다발성 경화증
→ 치료: 면역억제제·스테로이드·생물학적 제제 (TNF 차단제)

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자주 묻는 질문

Q. 암은 왜 치료가 어렵고 재발하나요? A. 암 치료의 어려움은 여러 생물학적 요인에서 비롯됩니다. 첫째, 종양 내 이질성입니다. 하나의 종양 덩이 안에도 유전적으로 다양한 세포가 공존하므로, 특정 치료제에 민감한 세포는 사멸하지만 내성을 가진 소수 세포가 살아남아 재증식합니다. 이것이 재발의 핵심 원인입니다. 둘째, 암 줄기세포 가설입니다. 종양 안에 자가 재생 능력을 가진 소수의 세포가 있어 치료 후에도 새 종양을 만들 수 있다고 봅니다. 셋째, 면역 회피입니다. 암세포는 MHC I 발현을 줄이거나 PD-L1을 높여 면역계의 공격을 피합니다. 최근 면역 관문 억제제(PD-1·CTLA-4 차단 항체)는 이 면역 회피를 막아 일부 암에서 놀라운 효과를 보입니다. 넷째, 전이입니다. 원발 종양보다 전이된 암을 치료하기가 훨씬 어렵습니다.

Q. 백신은 어떻게 면역 기억을 만드나요? A. 백신을 맞으면 항원(또는 항원 정보)이 체내에 들어와 면역 반응을 유도합니다. 이 과정에서 B세포와 T세포 중 일부가 기억 세포로 분화하여 수십 년간 체내에 남습니다. 기억 세포는 같은 항원에 재노출되면 수일이 걸리는 1차 면역 반응과 달리, 수시간 내에 대규모 항체를 생산하고 세포독성 T세포를 활성화합니다. mRNA 백신의 경우, mRNA가 우리 세포의 리보솜에서 번역되어 항원 단백질을 만들고, 이것이 MHC를 통해 면역계에 제시됩니다. mRNA는 DNA에 삽입되지 않고 수일 내 분해되므로 유전체를 변형하지 않습니다.