Lesson 2 of 20

아주 조금, 아주 가까이 — 사이토카인이 닿는 거리

피코몰 농도로 일한다 · 그리고 대개 몇 십 마이크로미터를 못 넘는다

사이토카인에는 놀라운 성질이 둘 있습니다. 그리고 둘 다 같은 이유에서 나옵니다.

🔬

농도가 아주 낮다

피코몰(10⁻¹²M) 수준
호르몬보다도 훨씬 묽다
수용체가 그만큼 세게 붙는다

📏

멀리 못 간다

대개 수십 마이크로미터
= 세포 몇 개 거리
옆 세포가 먹어 치운다

이 둘이 같은 이유라는 게 요점입니다 — 수용체가 너무 잘 붙어서, 나오자마자 근처 수용체가 다 잡아 버립니다. 그래서 멀리 못 가고, 그래서 적은 양으로 충분합니다.

High school피코몰이라는 농도

사이토카인은 피코몰(pM) 농도에서 일한다. 10^-12 몰. 얼마나 적은 양인지 감을 잡아 보자.

비교	대략
혈중 알부민	밀리몰 — 사이토카인의 10⁹ 배
혈당 (포도당)	밀리몰 대
사이토카인	피코몰

세포 하나 부피(약 1 피코리터)에 피코몰 농도면 분자가 몇 개 수준이다. 수백 개도 안 된다.

이렇게 적은 양으로 어떻게 일하나

수용체의 결합력이 아주 세기 때문이다(높은 친화도). 그리고 신호 증폭 이 일어난다 — 수용체 하나가 켜지면 안에서 수천 개의 분자가 반응한다.

적은 양으로 큰 일을 하는 것 — 그래서 조금만 어긋나도 크게 어긋난다

<b>이것은 모형입니다</b> — 측정값이 아니에요. 관계의 모양만 봅니다.

Python Runs in your browser

# 확산과 흡수 - 사이토카인이 얼마나 멀리 가나
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 점 원천에서 나온 물질이 흡수되며 퍼질 때 농도는 대략 exp(-r/L)/r 꼴이 됩니다.
# L 은 '흡수되기 전까지 가는 거리' - 수용체가 많을수록 짧아집니다.
r = np.linspace(2, 200, 400)          # 마이크로미터
plt.figure(figsize=(7, 4))
for L, lab, c in [(10, "수용체 많음 (L=10um)", "#ef4444"),
                  (40, "보통 (L=40um)", "#f59e0b"),
                  (150, "수용체 적음 (L=150um)", "#3b82f6")]:
    y = np.exp(-r / L) / r
    plt.plot(r, y / y[0], color=c, lw=2, label=lab)
plt.axhline(0.01, color="#94a3b8", ls="--")
plt.text(120, 0.013, "1% 수준", color="#94a3b8")
plt.yscale("log")
plt.xlabel("원천에서의 거리 (마이크로미터)")
plt.ylabel("상대 농도 (원천 기준)")
plt.title("사이토카인은 얼마나 멀리 가나")
plt.legend(fontsize=8)
plt.show()

High school몇 십 마이크로미터

사이토카인은 분비된 뒤 대개 수십 마이크로미터 를 못 넘는다. 세포 몇 개 거리다.

왜 멀리 못 가나

이유	내용
확산하며 희석됨	거리의 세제곱에 반비례해 농도가 떨어짐
주변 세포가 먹어 버림	수용체에 붙어 세포 안으로 끌려 들어감
기질에 붙잡힘	세포외기질의 다당류에 흡착
분해됨	단백질 분해효소

두 번째가 특히 흥미롭다

수용체를 단 세포들이 사이토카인을 소비한다. 그러면 수용체가 많은 곳일수록 사이토카인이 멀리 못 간다. 받는 쪽이 많으면 신호가 더 국소적이 되는 것이다.

신호가 짧게 가는 것은 낭비가 아니라 정밀함을 위한 설계다

<b>낮은 농도 = 예민함.</b> 정밀함의 대가가 취약함입니다.

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# 그러면 왜 사이토카인 폭풍은 온몸에서 일어나나
import numpy as np

# 국소에서 일하던 것이 혈액으로 새어 나가면 전신 농도가 오릅니다.
# 얼마나 새면 전신 수용체가 켜지나 - 아주 거친 셈입니다.
국소농도_pM = 1000.0        # 시냅스 안 (모형값)
혈액부피_L = 5.0
켜지는농도_pM = 1.0          # 수용체가 반응하기 시작하는 농도 (모형값)

print(f"{'새는 비율':>10}{'전신 농도 (pM)':>16}{'켜지나'}")
for f in [1e-6, 1e-5, 1e-4, 1e-3, 1e-2]:
    전신 = 국소농도_pM * f * 100   # 아주 거친 환산 (부피 희석 배수를 100 으로 둠)
    print(f"{f:>10.0e}{전신:>16.3f}   {'켜진다' if 전신 >= 켜지는농도_pM else '안 켜진다'}")
print()
print("만 분의 일만 새어도 전신이 켜집니다.")
print("**농도가 낮다는 것은 조금만 새도 큰일이라는 뜻이기도 합니다.** -> 15강")
print()
print("(위 숫자는 전부 모형값입니다. 실제 측정값이 아니에요.)")

High school이 짧은 거리가 면역학의 구조를 정한다

사이토카인이 멀리 못 간다면, 세포들이 가까이 모여야 통신이 된다. 면역계의 구조 상당 부분이 여기서 나온다.

구조	하는 일
림프절	흩어진 세포를 한자리에 모음
면역 시냅스	T세포와 항원제시세포가 밀착 — 신호가 새지 않게
배중심	B세포·T세포·여포수지상세포가 뭉침
3차 림프 구조	필요한 자리에 림프절 비슷한 것을 새로 만듦

면역 시냅스가 대표적이다

T세포와 항원제시세포가 붙으면 그 접촉면이 밀폐된 공간이 된다. 사이토카인을 그 틈으로만 분비하면 농도가 국소적으로 아주 높아지고 밖으로는 안 샌다.

귓속말과 같다. 큰 소리로 말하면 모두가 듣는다. 가까이 가서 말하면 그 사람만 듣는다.

"어디에 있는가" 가 "무엇을 만드는가" 만큼 중요한 이유가 이것이다

RNA 를 재는 것과 단백질을 재는 것은 다르다

이 강의는 내내 mRNA 를 봅니다. 사이토카인 단백질이 아니에요. 이 차이를 처음부터 적어 둡니다.

① 시차가 있습니다. mRNA 가 오른 뒤 단백질이 나오기까지 시간이 걸립니다.
② 사라지는 속도가 다릅니다. 사이토카인 mRNA 는 대개 아주 불안정해서 (3'UTR 의 AU 반복이 빨리 분해되게 만듭니다) 몇 십 분이면 없어집니다. 그런데 단백질은 이미 나가서 일하고 있어요.
③ 나가지 않고 갇히기도 합니다. IL-1β 는 만들어져도 잘려야 나갑니다 (인플라마좀). mRNA 만 보면 나갔는지 알 수 없습니다.

그래서 이 강의는 mRNA 로 '그 세포가 만들 준비를 했다' 까지만 말합니다. '뿜었다' 로 넘어가지 않아요.

High schoolRNA 를 재는 것과 단백질을 재는 것

이 강의의 실습은 대부분 RNA 를 잰다. 그런데 실제로 일하는 것은 단백질 이다. 둘이 늘 같지 않다.

단계	조절이 일어나는 곳
전사 (RNA 만들기)	RNA-seq 이 보는 것
RNA 안정성	사이토카인 mRNA 는 특히 빨리 분해됨 (AU-rich element)
번역	많은 사이토카인이 여기서 막혀 있음
가공 · 분비	IL-1β 는 인플라마솜이 잘라야 나감

IL-1β 가 극단적인 예다

IL-1β 는 불활성 전구체로 만들어져 세포 안에 쌓인다. 인플라마솜이 활성화되어 잘라 주기 전까지는 아무 일도 안 한다. RNA 가 많아도, 단백질이 있어도, 잘리지 않으면 신호가 없다.

그러니 "Il1b RNA 가 많다" 는 "준비되어 있다" 이지 "작동 중이다" 가 아니다.

RNA 는 가능성을, 단백질은 상태를, 분비는 실제를 말한다

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사이토카인이 낮은 농도로 일하는 것과 멀리 못 가는 것이 같은 이유라는 설명은?

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이 강의가 mRNA 로 말할 수 있다고 정한 범위는?