단백질 합성 반응과 관련한 근육 세포 내•외의 신호 전달 및 조절 기전

근육 세포 내외의 신호 전달, 조절 기전

단백질 합성은 특별한 유전자의 발현을 유발하는 신호와 함께 시작됩니다. 단백질 합성을 자극하는 신호인 [호르몬(hormones), 성장요인(growth factors), 팽창(stretch), 사이토카인(cytokine) 등] 들은 핵에 전달되고, 이것은 특정 DNA에 대한 RNA 전사(transcription)를 시작하게 하며, 결과적으로 세포핵으로부터 mRNA형태로 방출됩니다. mRNA는 궁극적으로 리보솜(ribosomes)으로 이동하고, 여기서 번역(translation)을 통해 단백질 합성을 이끌어 냅니다. 또한 이 과정은 각 아미노산들에 특정한 전달 RNAs(tRNA)를 필요로 합니다. 번역 전에, 아미노산과 그 아미노산에 특정한 tRNA는 tRNA synthases에 의해 결합됩니다. 그리고 번역과정은 물리적으로 병치되는 리보솜의 기계적 작용을 이용해서 특정 tRNAs에 의한 mRNA 코던(codon)을 읽는 작업인데, tRNA와 mRNA가 리보솜에서 결합하는 시작과 mRNA를 특별한 tRNA가 읽어 아미노산 체인을 연장시키는 과정인 신장(elongation), 그리고 완전한 polypeptide를 리보솜으로부터 방출하는 종료의 3단계로 나누어 일어납니다. 

 

근육 단백질 합성을 유도할 수 있는 적정한 기계적 자극이 어느 정도인가에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 그러나 장력, 스트레스, 사용된 에너지양, 또는 기계적 운동량 그리고 이러한 요인들의 조합에 의해 일어나게 되는 변화가 세포막 내•외의 중요한 관련 변인에 작용되어 단백질 합성을 자극하는 신호들이 시작된다고 보고 있습니다. 그리고 어떤 세포 신호 전달 체계를 통해 단백질 합성을 자극하는지에 대한 기전은 아직 많은 부분에서 밝혀져야 할 과제로 남아있습니다. 

 

근육에서 생성되는 Insulin like growth factor-1(IGF-1)의 한 종류인 mechano growth factor(MGF)가 근육에서 단백질 합성을 자극하고, 조직의 보수, 유지, 증가에 중요한 작용을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 예를 들면 운동에 의한 세포막의 팽창은 더 많은 액틴과 마이오신 섬유를 생성하고 이와 함께 새로운 근섬유막 증가에 중요한 기계적 신호로 작용합니다. 그리고 이러한 증가는 근육 특정의 myogenin과 MyoD와 같은 유전자들의 상승된 전사에 의해 일어나게 됩니다. 그리고 이러한 Myogenin과 MyoD와 같은 유전자들의 상승된 전사와 근섬유의 증가에 근육 특정 성장 인자인 MGF가 자극 신호로 전달자로 작용하게 됩니다. IGF-1 이외에도 근세포 내•외의 칼슘 이동과, 근육에서 라디칼 자극에 의해 생성되는 산화질소(Nitric Oxide: NO)가 단백질 합성을 자극하는 신호 체계에 작용하고 있다고 보고 있습니다. 또한 IGF-1이 단백질 합성에 주는 자극효과가 NO 합성의 저해자에 의해서 사라지게 되는데, 이러한 현상으로 아마도 NO가 IGF-1가 밀접한 관계를 갖고 동화적 역할을 조절하는 것으로 보고 있습니다. 그리고 몇몇 다른 호르몬과 사이토카인도 단백질 합성을 자극하는 신호체계에 작용한다고 보고 있습니다.

 

그러나 많은 연구자들이 운동에 의한 근육 단백질 합성률의 증가는 전사보다는 번역 효율이 증가하기 때문이라고 보고 있습니다. 운동에 의한 번역 분자 수준에서의 관련 단백질은 eukaryotic initiation factors(eIF)고 , 특히 eIF4E라고 할 수 있으며, eIF4G와 함께 복합체를 이루고 있을 때 단백질 합성의 시작을 일으키게 합니다. 단백질 합성의 시작은 보통 이용 가능한 eIF4E가 인산화가 가능한 결합 단백질 eIF4-BP1과 결합되어 있을 때는 억제됩니다. 그러나 결합 단백질 eIF4-BP1이 인산화되면 eIF4E를 방출하게 되어 단백질의 합성이 시작됩니다

 

Gautsch 등은 쥐에게서 트레드밀 운동의 결과로 26%의 단백질 합성이 감소되었을 때 eIF4의 비활성 형태가 4배나 증가되는 것을 발견했습니다. 뿐만 아니라, eIF4G와 함께 복합체를 이루고 있는 eIF4E도 71%나 감소된다고 했습니다. 그러나 운동 후 쥐에게 음식을 섭취시켰을 때 근육의 단백질 합성은 원상태로 복원되었고, 이것은 eIF4E와 eIF4 E-eIF4G의 활성형 증가와 관련되어 있습니다. 그리고 근육 단백질 합성과 eIF4E의 비활성 양과는 역상관관계를 나타내며, 인산화된 eIF4-BP1과 eIF4E-eIF4G 복합체와는 긍정적인 상관관계가 있었다고 했습니다.

 

Farrell 등은 저항성 운동을 한 쥐에게서 근육의 단백질 합성 증가는 일반 단백질 합성을 자극하는 eIF2B라고 하는 또 다른 단백질 분자의 증가와 관련이 있다고 했습니다. 그리고 Rennie 등 은 인간 대퇴사두근을 1RM의 80%로 8번 반복하는 1 set로 10 sets 운동시켜서 저항성 운동의 효과가 단백질 합성에 미치는 영향을 연구했는데, 자유 활성 형태의 eIF4E 양과 긍정적인 관련이 있는 eIF4-BP1의 증가가 나타났다고 보고 했습니다.  

 

호르몬과 영양소의 감지와 신호 전달 경로에 또 다르 주요한 요인으로 번역에 영향을 미치는 것은 P70S6 kinase입니다. P70S6 kinase는 ribosomal S6 단백질을 인산화시키며 단백질 합성의 시작을 자극합니다. Baar 등은 운동에 의한 P70S6 kinase 활성 벼노하와 단백질 합성 변화에 관해 연구했는데, 이 연구에서 가자미근(soleus)과 전경골근(anterior tibialis)에 자극을 길게 하면, P70S6 kinase의 활성이 크게 증가되는 것을 증명했고, 운동 후 6시간 동안 P70S6K 활성의 증가는 실제 근비대의 증가와 밀접한 상호관계가 있다고 했습니다. 

 

운동과 함께 섭취된 아미노산의 단백질 합성 자극효과는 운동 수행과 훈련의 효과에 직결된 중요한 연구과제인데, 쥐를 심하게 트레드밀 운동을 시킨 뒤에 류신을 섭취시키면 금식을 시켰을 때 보다 근육 단백질 합성이 증가되는 것을 알 수 있습니다. 이것은 단일 아미노산으로도 근육 단백질 합성 반응을 자극할 수 있다는 것을 증명하는 것입니다. 그리고 상당량의 류신 섭취는 인간의 안정 시에도 단백질 합성을 자극할 수 있다고 알려져 있습니다. 

 

 트레드밀 운동을 시킨 쥐에게 탄수화물과 아미노산이 혼합된 음식을 섭취시켰을 때 비활성 eIF4E의 감소와 eIF4E의 eIF4G에 결합 증가가 나타나 단백질 합성의 자극효과가 나타났습니다. 그러나 쥐를 같은 열량이지만 탄수화물만을 섭취하게 한 경우, 인슐린의 이용 가능량은 두 음식 모두에서 비슷했음에도 불구하고 단백질 합성의 증가는 물론 비활성 eIF4E의 감소와 eIF4E의 eIF4G에 결합 증가도 찾아볼 수 없었습니다. 따라서 혼합식이의 아미노산이 근 단백질 합성을 위한 번역 시작 신호의 역할을 한다고 보는 연구자도 있습니다. 

 

일반적으로 단백질 합성을 이끄는 과정들은 전사과정, 전사 후(post-transcription) 과정, 번역 과정, 그리고 변역 후(post-translation) 과정 등으로 구분하여 볼 수 있는데, 주어진 자극 신호후 이러한 과정들은 시제의 절차를 보이며 진행되고, 한 과정이 다른 과정보다 압도적인 상태가 되는 것은 측정한 시간과 기간에 따라 달라집니다. 그리고 조직과 특정 단백질 차이에 따라서 과정의 중요성과 시간도 달라집니다. 예를 들어 heat-shock protein 70(HSP-70) mRNA의 양은 격렬한 운동이 시작된 최초의 4분 내에 증가되고, 반면에 𝛂-actin mRNA는 운동 후 17시간이나 41시간 후에도 증가되지 않을 수 있습니다. 더욱이 일시적이고 강한 저항운동 종료 후 4~24시간 후에 혼합 근육의 부분 단백질 합성률이 증가되는 것을 발견할 수 있었지만, 총 근육 RNA에는 아무런 변화도 없었습니다. 따라서 이러한 결과들을 종합해 보면 일시적인 강한 운동에 의해 증가된 근육의 단백질 합성은 근섬유 단백질 합성을 위한 번역이나 번역 후 작용에 기인한다고 보고 있습니다.