세포손상

Cell damage

세포손상(세포손상이라고도 한다)은 세포가 내부 환경 변화뿐만 아니라 외부 환경 변화로 인해 고통 받는 스트레스의 다양한 변화다. 다른 원인들 중에서, 이것은 물리적, 화학적, 전염적, 생물학적, 영양학적 또는 면역학적 요인 때문일 수 있다. 세포 손상은 되돌릴 수도 있고 되돌릴 수도 있다. 부상 정도에 따라 세포 반응이 적응할 수 있으며 가능한 경우 동점포진이 회복된다.[1] 세포 사망은 부상의 정도가 세포의 스스로 회복할 수 있는 능력을 초과할 때 발생한다.[2] 세포 죽음은 유해한 자극에 노출되는 기간과 그로 인한 손상의 심각성 둘 다에 비례한다.[1] 세포 죽음은 괴사 또는 사멸에 의해 일어날 수 있다.

원인들

  • 열이나 방사선과 같은 물리적인 작용제는 문자 그대로 요리하거나 내용물을 응고하여 세포에 손상을 줄 수 있다.
  • 산소나 포도당의 부족과 같은 영양소 공급의 손상이나 아데노신 3인산염(ATP)의 생산의 손상은 세포의 생존에 필요한 필수 물질을 박탈할 수 있다.[3]
  • 대사: 저산소증 및 이케미아
  • 케미컬 에이전트
  • 미생물제:-바이러스 & 박테리아
  • 면역항암제: 파킨슨병, 알츠하이머병과 같은 알레르기 및 자가면역질환.
  • 유전적 요인: 다운증후군, 겸상세포빈혈[4] 등

대상

세포 손상의 표적이 되는 세포의 가장 주목할 만한 구성 요소는 DNA와 세포막이다.

  • DNA 손상: 인간 세포에서는 정상적인 대사 활동과 자외선 등 환경적 요인이 모두 DNA 손상을 일으킬 수 있어 하루 세포당 100만 개에 달하는 개별 분자 병변이 발생할 수 있다.[5]
  • 막 손상: 세포막의 손상은 세포 전해질 상태를 방해한다. 예를 들어 칼슘은 지속적으로 증가하면 세포사멸을 유발한다.
  • 미토콘드리아 손상: ATP 감소 또는 미토콘드리아 투과성 변화로 인해 발생할 수 있다.
  • 리보솜 손상: 리보솜과 세포단백질의 손상(단백질 오폴딩 등), 세포 효소 활성화로 이어진다.

손상 유형

일부 세포 손상은 일단 스트레스를 제거하거나 보상 세포 변화가 발생하면 되돌릴 수 있다. 완전한 기능은 세포로 돌아올 수 있지만, 어떤 경우에는 부상의 정도가 남을 것이다.[6]

가역성

세포부종

셀룰러 부기(또는 흐린 부기)는 셀룰러 저산소증으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 나트륨-칼륨 막 펌프를 손상시키고, 원인이 제거되면 되돌릴 수 있다.[7] 세포의 부기는 세포에 대한 거의 모든 형태의 부상의 첫 번째 증상이다. 그것이 장기의 많은 세포에 영향을 줄 때, 그것은 약간의 창백함을 일으키고, 터고르를 증가시키며, 장기의 체중을 증가시킨다. 현미경 검사에서 세포질 내에 작고 투명한 빈혈이 보일 수 있다. 이것들은 내소성 망막의 팽창된 부분과 끼인 부분을 나타낸다. 이러한 치명적이지 않은 부상의 패턴을 때때로 수화 변화 또는 황반변성이라고 부른다.[8] 수화성 변성은 구름이 많이 낀 심각한 형태의 붓기다. 구토나 설사로 인한 저칼륨혈증과 함께 발생한다.

가역성 세포 손상의 초구조적 변화는 다음을 포함한다.

  • 블러빙
  • 블링잉
  • 마이크로빌리의 왜곡
  • 세포간 부착물의 이완
  • 미토콘드리아의 변화
  • 소포체 망막 확장

지방 변화

세포가 손상되어 지방을 적절하게 대사시킬 수 없다. 작은 지방 덩어리가 축적되어 세포질 내에 흩어진다. 가벼운 지방 변화는 세포 기능에 영향을 미치지 않을 수 있지만, 더 심한 지방 변화는 세포 기능을 손상시킬 수 있다. 간에서 지방 변화에 의한 간세포의 확장은 인접한 담즙을 압축하여 담석증을 유발할 수 있다. 지질 축적의 원인과 심각도에 따라 지방 변화는 일반적으로 가역적이다. Fatty Change는 지방 변성, 지방 변성 또는 지방 기형증으로도 알려져 있다.

되돌릴 수 없는

괴사

괴사는 세포질 팽창, 혈장 막의 돌이킬 수 없는 손상, 세포 사망으로 이어지는 오르가넬 파괴로 특징지어진다.[9] 세포 괴사의 단계로는 피노시스, 염색체의 뭉침과 세포핵의 수축, 카리오르헥시스, 핵의 분열과 염색질의 분열, 비정형 과립으로 분해,[10] 세포핵의 분해 등이 있다. 손상된 혈장막을 통해 세포외 공간으로 유출되는 세포질 성분은 염증 반응을 일으킬 수 있다.[11]

괴사에는 6가지 유형이 있다.[12]

  • 응고 괴사
  • 리큐 활성 괴사
  • 건성 괴사
  • 지방괴사
  • 피브로이드 괴사
  • 갱년기 괴사

사멸

세포사멸은 체내의 불필요한 세포나 잠재적으로 해로운 세포의 프로그램된 세포사멸이다. 그것은 세포질과 핵에서 특정 단백질의 분리를 통해 세포사멸을 유발하는 캐스파제라고 불리는 단백질 분해 효소에 의해 매개되는 에너지 의존적 과정이다.[13] 죽어가는 세포는 수축하여 응축하여 사멸의 몸이 된다. 세포 표면은 대식세포나 인접한 세포에 의한 급속한 폐포세포 분열로 이어지는 성질을 표시하기 위해 변형된다.[13] 괴사세포 죽음과 달리 인접 세포는 세포질 생성물이 세포세포 분열에 앞서 세포막에 의해 안전하게 격리되기 때문에 세포사멸에 의해 손상되지 않는다.[11] 세포이탈, 호르몬 의존성 위축, 면역 및 배아계의 적절한 발달과 기능 등 다양한 바이오프로세스의 중요한 구성요소로 여겨지며, 유전적으로 매개되는 화학적 유도 세포사멸에도 도움이 된다.[14] 유전적 폭포 없이 엔도누세 활성화 등 특정 증상 '사멸'을 자극적으로 유도할 수 있다는 증거가 있다. 또한 유사분열과 사멸은 어떤 식으로든 토글되거나 연계되어 있으며 달성된 균형이 적절한 성장이나 생존 요인으로부터 수신된 신호에 따라 결정된다는 것도 명확해지고 있다. 세포주기 기계의 해명 및 분석과 세포주기 구속과 사멸을 제어하는 신호 경로에 초점을 맞춘 연구가 진행되고 있다.[15] 평균적으로 500억에서 700억 사이의 성인은 세포사멸로 매일 죽는다. 사멸의 억제는 많은 암, 자가면역질환, 염증성 질환, 바이러스 감염을 초래할 수 있다. 과능적 사멸은 신경퇴행성 질환, 혈액질환, 조직손상으로 이어질 수 있다.

수리하다

셀이 손상되면 신체는 정상적인 기능을 유지하기 위해 셀을 수리하거나 교체하려고 할 것이다. 만약 세포가 죽는다면, 신체는 그것을 제거하고 그것을 다른 기능을 하는 세포로 대체하거나, 혹은 그 틈을 결합 조직으로 채워 나머지 세포에 구조적인 지원을 제공할 것이다. 손상된 세포로 인한 공백을 메워 구조적 연속성을 되찾겠다는 게 보수공정의 모토다. 정상 세포는 손상된 세포를 재생시키려 하지만 이것이 항상 일어날 수는 없다. 무성 생식은 세포를 수리하는 것이다.

재생

생물의 실질 세포, 즉 기능 세포의 재생. 신체는 장기나 조직을 온전하게 유지하고 완전한 기능을 유지하는 손상된 세포를 대체할 더 많은 세포를 만들 수 있다.

대체

세포가 재생될 수 없을 때, 신체는 조직/장기 기능을 유지하기 위해 그것을 스트롬 결합 조직으로 대체할 것이다. Stromal cells는 어떤 장기의 실질 세포를 지탱하는 세포다. 섬유모세포, 면역세포, 과립세포, 염증세포가 가장 흔한 형태의 스트롬세포다.[16]

세포손상의 생화학적 변화

ATP(Adenosine triphosphate) 고갈은 세포 손상으로 발생하는 일반적인 생물학적 변화다. 이러한 변화는 세포 손상을 유발하는 작용제에도 불구하고 일어날 수 있다. 세포내 ATP의 감소는 세포 손상 중 많은 기능적, 형태적 결과를 초래할 수 있다. 이러한 효과는 다음과 같다.

  • ATP 종속 펌프(Na+
    /K+
     펌프 및 Ca2+
     펌프)의 고장으로 Na+
     및 Ca2+
     이온의 순유입과 삼투성 부기가 발생한다.
  • ATP에서 고갈된 세포들은 '글리코겐 분해'라고 알려진 글리코겐으로부터 에너지를 얻기 위해 혐기성 대사에 착수하기 시작한다.
  • 결과적으로 세포 내 pH의 감소는 해로운 효소 과정을 매개한다.
  • 핵염색체의 조기 덩어리는 '피노시스'로 알려져 있으며 결국 세포 사망으로 이어진다.[17]

DNA 손상 및 수리

DNA손상

DNA 손상(또는 일부 바이러스 게놈의 경우 RNA 손상)은 생명에 대한 근본적인 문제로 보인다. 헤인즈가 지적한 [18]바와 같이, DNA의 하위유닛은 어떤 독특한 종류의 양자역학적 안정성을 부여받지 못하며, 따라서 DNA는 따뜻한 수용성 매체에 있는 그러한 분자에 떨어질 수 있는 모든 "화학적인 공포"에 취약하다. 이러한 화학적 공포는 DNA 베이스의 다양한 변형, 단일 스트랜드와 이중 스트랜드 파손, 스트랜드 간 교차 링크(DNA 손상(자연발생) 참조)를 포함하는 DNA 손상이다. DNA 손상은 둘 다 DNA의 오류임에도 불구하고 돌연변이와 구별된다. DNA 손상은 비정상적인 화학적, 구조적 변화인 반면, 돌연변이는 일반적으로 새로운 배열에서 정상적인 4개의 염기를 포함한다. 돌연변이는 복제될 수 있으며, 따라서 DNA가 복제될 때 유전된다. 대조적으로, DNA 손상은 스스로 복제될 수 없는 변형된 구조물이다.

여러 가지 다른 수리 과정을 통해 DNA 손상을 제거할 수 있다(DNA 수리 차트 참조). 그러나, 손상되지 않은 채로 남아 있는 DNA 손상은 해로운 결과를 초래할 수 있다. DNA 손상은 복제나 유전자 전사를 방해할 수 있다. 이러한 막힘은 세포 사멸을 초래할 수 있다. 다세포 유기체에서, DNA 손상에 반응하는 세포 죽음은 프로그램된 과정인 세포사멸에 의해 발생할 수 있다.[19] 또는 DNA 중합효소가 손상된 부위를 포함하는 템플릿 가닥을 복제할 때 손상을 부정확하게 우회할 수 있으며, 그 결과 돌연변이로 이어지는 잘못된 베이스가 발생할 수 있다. 실험적으로 돌연변이 비율은 DNA 불일치 수리[20][21] 또는 호몰로코 재조합 수리(HRR)에서 결함이 있는 세포에서 상당히 증가한다.[22]

원핵생물과 진핵생물의 경우 모두 DNA 게놈은 세포내 환경에서 자연적으로 생성되는 반응성 화학물질과 외부 소스로부터의 작용제에 의한 공격에 취약하다. 원핵생물과 진핵생물의 DNA 손상의 중요한 내부원인은 정상 유산소 대사의 부산물로 형성된 반응성 산소종(ROS)이다. 진핵생물의 경우 산화 반응은 DNA 손상의 주요 원인이다(DNA 손상(자연발생) 및 Sedelnikova 등 참조).[23] 인간에게 있어서, 하루에 약 1만 개의 산화 DNA 손상이 세포당 발생한다.[24] 사람보다 대사율이 높은 쥐의 경우 하루 세포당 약 10만 건의 산화 DNA 손상이 발생한다. 에어로빅 재배 박테리아에서는 자연발생 기저대체 돌연변이의 89%가 ROS 유도 단일스트랜드 손상과 이러한 손상을 지나 오류성 복제가 뒤따른다는 관찰 결과에서 알 수 있듯이, ROS는 DNA 손상의 주요 원인인 것으로 보인다.[25] 산화 DNA 손상은 일반적으로 손상된 부위의 DNA 가닥 중 하나만 포함하지만, 손상 중 약 1~2%는 양쪽 가닥을 모두 포함한다.[26] 이중 스트랜드 손상은 DSB(이중 스트랜드 브레이크)와 스트랜드 간 크로스링크를 포함한다. 인간의 경우, 각 세포 생성에서 발생하는 세포당 평균 내생성 DNA DSB의 추정 평균 수는 약 50이다.[27] 이러한 DSB의 형성 수준은 대부분 활발한 신진대사에 의해 생성된 ROS에 의해 야기되는 자연적인 손상 수준을 반영할 가능성이 높다.

DNA손상 복구

5가지 주요 경로는 다른 종류의 DNA 손상을 복구하는데 사용된다. 이 다섯 가지 경로는 뉴클레오티드 절연 수리, 베이스 절연 수리, 불일치 수리, 비호몰성 엔드-조인트 및 호몰로코성 재조합 수리(HRR) (DNA 수리의 차트 참조) 및 참조다.[19] 오직 HRR만이 DSB와 같은 이중 스트랜드 손상을 정확하게 복구할 수 있다. HRR 경로에는 두 번째 균질 염색체가 사용 가능해야 이중 가닥 손상으로 인해 첫 번째 염색체에 의해 손실된 정보를 복구할 수 있다.

DNA 손상은 포유류의 노화에 핵심적인 역할을 하는 것으로 보이며, 적절한 수준의 DNA 수리는 장수를 촉진한다(노화와 참고문헌의 DNA 손상 이론 참조).[28] 또한 DNA 손상 및/또는 DNA 수리의 감소는 암의 위험 증가(암, 발암 및 신엽 참조)와 참고문헌을[28] 야기한다. 나아가 이중 가닥 DNA 손상을 정확하고 효율적으로 수리하는 HRR의 능력은 성재생의 진화에 핵심적인 역할을 했을 가능성이 높다(성재생식과 참고문헌의 진화 참조).[29] 현존하는 진핵생물에서 감수분열 중의 HRR은 생식력을 유지하는 것의 주요한 이점을 제공한다.[29]

참고 항목

참조

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