세포 사멸(아포토시스)

아포토시스 과정에서 세포는 일련의 특징적인 형태학적 변화를 겪는다. 이 변화는 괴사와는 명확히 구별되며, 주변 조직에 염증 반응을 유발하지 않는다는 점이 특징이다.

초기 단계에서 세포는 세포질의 수축과 세포골격의 붕괴를 경험하며, 세포 부피가 감소한다. 세포막은 거품 모양으로 돌출되지만 막의 완전성은 유지된다. 핵 내에서는 염색질이 응축되어 핵막 주변에 고리 모양으로 뭉치거나 조각난 모습을 보이며, 핵소체는 분해된다. 이 단계를 핵 응축이라고 부른다.

후기에는 세포가 더욱 수축하고, 세포막 돌출부가 떨어져 나가 작은 막으로 둘러싸인 소포를 형성한다. 이 소포들을 세포사체라고 부른다. 세포사체 내에는 응축된 세포질 성분과 조각난 핵 파편이 들어 있다. 최종적으로, 이러한 세포사체는 주변의 대식세포나 인접한 세포에 의해 빠르게 식세포작용으로 제거된다. 이로 인해 세포 잔해가 조직에 축적되지 않아 염증이 발생하지 않는다[3].

아포토시스 과정은 세포 내에서 일어나는 일련의 뚜렷한 생화학적 변화를 동반한다. 이러한 변화는 세포 사멸이 진행 중임을 확인하는 중요한 분자적 표지자로 활용된다.

핵 내 DNA의 분절화는 가장 대표적인 생화학적 지표이다. Caspase에 의해 활성화된 CAD(Caspase-Activated DNase) 효소가 핵막 안쪽의 람민(lamin)을 분해한 후 핵 내로 들어가 DNA를 절단한다. 이는 주로 뉴클레오솜(nucleosome) 단위(약 180-200 염기쌍)로 DNA가 절단되어 전기영동 시 특징적인 '사다리 패턴'(DNA ladder)을 형성한다[4]. 세포막의 비대칭성 상실도 중요한 변화이다. 정상 세포에서는 포스파티딜세린(Phosphatidylserine, PS)이 세포막 내층에 위치하지만, 아포토시스 초기에는 외층으로 노출된다. 이는 Annexin V 단백질이 높은 친화력으로 PS에 결합하는 특성을 이용해 검출할 수 있다.

단백질 분해 효소인 caspase의 연쇄적 활성화는 아포토시스의 핵심 생화학적 사건이다. 이들은 불활성 전구체 형태로 존재하다가 절단되어 활성화되며, 표적 단백질을 특정 아미노산 부위에서 분해한다. 주요 기질로는 세포골격 단백질(악틴, 케라틴), 핵막 단백질(람민), DNA 복구 관련 효소(PARP) 등이 있다. 이들의 분해는 세포의 형태학적 붕괴를 직접적으로 유도한다. 또한, 미토콘드리아의 기능 변화도 표지가 된다. 아포토시스 신호에 의해 미토콘드리아 외막의 투과성이 증가하면, 그 사이 공간에 있던 사이토크롬 c가 세포질로 유출되어 apoptosome 형성을 촉발한다.

외인성 경로는 세포 외부의 신호에 의해 시작되는 아포토시스 활성화 경로이다. 이 경로는 주로 사멸 수용체라고 불리는 특정 세포막 단백질을 통해 작동한다. 대표적인 사멸 수용체로는 Fas 수용체(CD95), TNF 수용체 1, TRAIL 수용체 등이 있다. 이러한 수용체는 림프구나 다른 세포들이 분비하는 사멸 리간드(예: FasL, TNF, TRAIL)와 결합하면 활성화된다.

사멸 리간드가 수용체에 결합하면, 수용체의 세포질 내 도메인에 적응 단백질(예: FADD)이 모여 사멸 신호 복합체(DISC)를 형성한다. 이 복합체는 비활성 형태의 프로카스파제-8을 모아 활성형 카스파제-8로 전환한다. 활성화된 카스파제-8은 이후 효소 연쇄 반응을 시작하는 신호 증폭자의 역할을 한다.

활성화된 카스파제-8은 두 가지 방식으로 아포토시스를 진행시킨다. 첫째, 직접 하위 표적인 효소 카스파제-3과 카스파제-7을 활성화하여 세포 사멸을 실행한다. 둘째, 일부 세포 유형에서는 Bid라는 단백질을 절단하여 활성형 tBid로 만든다. tBid는 내인성 경로(미토콘드리아 경로)로 신호를 전달하여 미토콘드리아의 기능 장애를 유도하고, 이를 통해 아포토시스를 더욱 강력하게 촉진한다. 이 경로는 특히 면계계의 자기관리, 예를 들어 활성화된 림프구의 제거나 바이러스에 감염된 세포의 제거에 중요한 역할을 한다.

내인성 경로는 세포 내부의 스트레스 신호, 예를 들어 DNA 손상, 산화 스트레스, 영양 결핍 또는 세포 주기 이상 등에 의해 활성화된다. 이러한 스트레스 신호는 미토콘드리아의 투과성 전환을 초래하는 주요 조절자 역할을 하는 Bcl-2 가족 단백질들의 균형 변화를 유도한다. 특히, Bax와 Bak 같은 프로-아포토시스 단백질들이 활성화되어 미토콘드리아 외막에 삽입되고 올리고머를 형성하면, 외막에 통로가 생긴다.

이 통로 형성을 통해 미토콘드리아 막간 공간에 있던 여러 단백질들이 세포질로 방출된다. 방출되는 가장 중요한 물질은 사이토크롬 c이다. 세포질로 유출된 사이토크롬 c는 Apaf-1 단백질 및 프로-caspase-9와 결합하여 '아포토솜'이라는 복합체를 형성한다. 이 복합체 내에서 caspase-9는 활성형으로 절단되어 활성화되며, 이는 caspase 계단식 반응의 상류 신호로 작용한다.

이 경로는 p53 종양 억제 유전자에 의해 크게 조절받는다. DNA 손상 시 p53이 활성화되면, Bax 등의 프로-아포토시스 유전자 발현을 촉진하여 내인성 경로를 가동시킨다. 따라서 이 경로는 손상된 세포를 제거하여 암 발생을 방지하는 핵심 기전 중 하나이다.

퍼포린/그란자임 경로는 세포독성 T 세포나 자연살해세포(NK 세포)와 같은 세포독성 림프구가 표적 세포를 제거하는 주요 기전 중 하나이다. 이 경로는 주로 바이러스에 감염된 세포나 암세포와 같이 비정상적인 세포를 제거하는 데 관여한다.

세포독성 림프구는 표적 세포와 접촉한 후, 세포질 내 과립에 저장되어 있던 퍼포린 단백질과 그란자임 계열의 세린 프로테아제를 표적 세포의 세포질 내로 방출한다. 퍼포린은 표적 세포의 세포막에 구멍을 형성하여 그란자임이 세포 내로 유입될 수 있는 통로를 만든다. 이 과정은 보체 계통의 막공격복합체 형성과 유사한 방식으로 이루어진다[6].

유입된 그란자임, 특히 그란자임 B는 표적 세포 내에서 직접적으로 카스파제를 활성화하거나, 혹은 카스파제 비의존적 경로를 통해 아포토시스를 유도한다. 그란자임 B는 세포 내 다양한 기질 단백질을 분해하는데, 특히 카스파제-3을 직접 절단하여 활성화시키는 것이 주요 경로이다. 또한 Bid와 같은 Bcl-2 가족 단백질을 절단하여 미토콘드리아를 통한 내인성 경로를 활성화시키기도 한다.

이 경로의 주요 특징은 빠르고 효율적인 표적 세포 제거에 있다. 면역 감시 체계에서 비정상 세포를 신속하게 처리하는 데 필수적이며, 특히 바이러스의 전파를 차단하는 데 중요한 역할을 한다.

Bcl-2 가족 단백질은 아포토시스의 핵심 조절자로서, 미토콘드리아를 통한 내인성 사멸 경로의 활성을 결정하는 역할을 한다. 이 단백질들은 주로 미토콘드리아 외막에 위치하여 그 투과성을 조절하며, 항사멸(anti-apoptotic)과 전사멸(pro-apoptotic) 기능을 가진 구성원들 사이의 균형을 통해 세포의 생사가 결정된다.

Bcl-2 가족은 기능과 Bcl-2 상동 도메인(BH 도메인)의 보유 유형에 따라 크게 세 가지 하위 그룹으로 분류된다. 첫째, Bcl-2, Bcl-xL, Mcl-1과 같은 항사멸 단백질은 BH1에서 BH4까지의 모든 도메인을 가지며, 전사멸 단백질의 활성을 억제하여 세포를 보호한다. 둘째, Bax, Bak와 같은 다중 도메인 전사멸 단백질은 BH1~BH3 도메인을 가지며, 활성화되면 미토콘드리아 외막에 구멍을 형성하여 사이토크롬 c의 유출을 촉진한다. 셋째, Bid, Bad, Bim, Noxa, Puma와 같은 BH3-only 단백질은 오직 BH3 도메인만을 가지며, 상위 두 그룹의 단백질들을 조절하는 감지자(sensor) 역할을 한다.

아포토시스 신호 하에서 BH3-only 단백질들이 활성화되면, 이들은 항사멸 단백질(Bcl-2, Bcl-xL 등)을 중화시키거나, 직접 Bax/Bak를 활성화시킨다. 활성화된 Bax와 Bak는 미토콘드리아 외막에서 올리고머를 형성하여 투과성 전이 구멍(MOMP)을 만든다. 이로 인해 미토콘드리아 막간 공간에 있던 사이토크롬 c와 같은 단백질들이 세포질로 유출되어, 카스파제 연쇄 반응을 촉발하고 최종적으로 세포 사멸을 일으킨다. 따라서 Bcl-2 가족 단백질 간의 복잡한 상호작용은 세포의 운명을 가르는 중요한 분자 스위치 역할을 한다.

Caspase는 아포토시스의 실행 핵심을 담당하는 시스테인 프로테아제 계열이다. 'Caspase'라는 이름은 이 효소들이 시스테인 잔기(Cysteine)에서 활성 부위를 가지며, 아스파르트산(Aspartic acid) 뒤를 절단하는 특이성을 가진다는 사실에서 유래되었다[7]. 이들은 세포 내에서 비활성 형태의 전구체, 즉 프로카스페이즈(procaspase)로 합성되며, 특정 신호에 의해 활성화되어 연쇄 반응을 일으킨다.

Caspase는 기능에 따라 개시 카스페이즈(initiator caspase)와 실행 카스페이즈(effector caspase)로 크게 분류된다. 개시 카스페이즈(예: Caspase-8, Caspase-9, Caspase-10)는 다양한 사멸 신호를 받아 첫 번째 활성화를 시작하는 역할을 한다. 이들은 특정 적응 단백질과 결합하여 활성화 복합체(예: 디스크 복합체, 아포토솜)를 형성한다. 반면, 실행 카스페이즈(예: Caspase-3, Caspase-6, Caspase-7)는 개시 카스페이즈에 의해 활성화된 후, 세포 내 다양한 기질 단백질들을 분해하여 실제적인 세포 사멸 현상을 유발한다.

활성화된 실행 카스페이즈는 수백 가지에 달하는 세포 내 표적 단백질들을 분해한다. 주요 표적은 다음과 같다.

이러한 Caspase의 활성화와 작용은 매우 정교하게 조절되며, 일단 실행 단계에 돌입하면 되돌릴 수 없는 과정으로 진행된다. 따라서 Caspase의 활성화는 아포토시스의 확정적이고 필수적인 단계로 간주된다.

억제 단백질(IAPs)은 Caspase 계열의 활성을 직접적으로 차단하여 아포토시스를 억제하는 단백질 군이다. 이들의 이름은 '세포사멸 억제 단백질(Inhibitor of Apoptosis Proteins)'의 약자에서 유래한다. IAPs는 주로 BIR 도메인(Baculovirus IAP Repeat domain)이라는 특수한 구조를 가지고 있으며, 이 도메인을 통해 카스파제와 결합하여 그 활성을 저해한다. 특히, 실행 카스파제인 카스파제-3와 카스파제-7를 직접 억제하는 역할을 한다.

IAPs의 대표적인 구성원으로는 XIAP, cIAP1, cIAP2, Survivin 등이 있다. 이들은 각기 다른 조직에서 발현되며, 세포 사멸 신호 경로의 다양한 지점에서 조절 기능을 수행한다. 예를 들어, XIAP는 가장 강력한 카스파제 억제 능력을 지닌 것으로 알려져 있다. IAPs는 카스파제와 직접 결합할 뿐만 아니라, 유비퀴틴-프로테아좀 시스템을 통해 카스파제를 분해하도록 유도하여 제거하기도 한다.

그러나 IAPs의 억제 활동은 절대적이지 않다. 세포 내에는 IAPs의 기능을 중화시키는 단백질들이 존재하는데, 대표적으로 미토콘드리아에서 유리되는 사이토크롬 c와 함께 작용하는 Smac/DIABLO와 HtrA2/Omi가 있다. 이들 단백질은 IAPs의 BIR 도메인에 결합하여, IAPs가 카스파제와 결합하는 것을 방해한다. 결과적으로 억제가 해제된 카스파제는 활성화되어 아포토시스 신호를 진행시킨다.

이러한 IAPs의 과발현은 암 세포가 사멸을 회피하고 생존하는 주요 기전 중 하나로 지목된다. 따라서 IAPs, 특히 Survivin과 XIAP를 표적으로 하는 억제제 개발은 항암 치료의 유망한 전략으로 연구되고 있다.

발생 과정에서 아포토시스는 다세포 생물의 형태 형성과 기관 발달에 필수적인 역할을 한다. 이 과정은 불필요하거나 잠재적으로 해로운 세포를 제거함으로써 정상적인 구조와 기능을 갖춘 개체가 만들어지도록 한다. 예를 들어, 척추동물의 손가락과 발가락이 분리되는 것은 손발톱 사이의 세포들이 계획적으로 사멸하기 때문이다. 마찬가지로, 신경계 발달 과정에서는 표적 조직에 제대로 연결되지 못한 신경세포나 과잉 생산된 신경세포가 제거된다.

아포토시스는 또한 내부 기관의 정교한 구조를 만드는 데 기여한다. 관상 심장의 발달 초기에는 고체 상태의 심근 조직이 아포토시스를 통해 중공 구조로 재형성된다. 눈의 수정체가 투명성을 유지하는 것도 수정체 내부의 세포 소기관이 아포토시스에 의해 제거되기 때문이다. 이처럼 발생 과정의 아포토시스는 매우 정밀하게 시간과 공간을 조절받으며, 특정 신호에 반응하여 활성화된다.

아래 표는 발생 과정에서 아포토시스가 관여하는 대표적인 사례를 정리한 것이다.

이러한 계획된 세포 사멸이 정상적으로 이루어지지 않으면 선천성 기형이 발생할 수 있다. 따라서 발생 생물학에서 아포토시스는 세포 분열, 분화와 더불어 개체 형성을 결정하는 세 가지 핵심 과정 중 하나로 간주된다.

아포토시스는 면역계의 정상적인 발달과 기능에 핵심적인 역할을 한다. 특히 림프구의 선택과 자기관용의 확립 과정에서 불필요하거나 잠재적으로 해로운 면역 세포를 제거한다. T 세포와 B 세포는 각각 흉선과 골수에서 성숙하는 동안, 강한 자가항원에 반응하거나 기능이 약한 세포들은 아포토시스를 통해 제거된다[12]. 이는 자가 면역 반응을 방지하고 효과적인 면역 감시를 위한 레퍼토리를 형성하는 데 필수적이다.

아포토시스는 또한 면역 반응의 종료 단계와 세포독성 T 림프구(CTL)에 의한 표적 세포 제거 메커니즘으로도 작용한다. 활성화된 면역 세포는 감염이 제거된 후 아포토시스를 통해 수가 감소하여, 과도한 염증 반응과 조직 손상을 방지한다. 한편, CTL과 자연살해세포(NK 세포)는 퍼포린과 그란자임을 분비하거나 Fas 리간드(FasL)와 같은 사멸 유도 분자를 표적 세포의 수용체에 결합시켜 아포토시스를 유도한다. 이를 통해 바이러스에 감염된 세포나 암 세포를 효과적으로 제거한다.

아포토시스 조절의 결함은 심각한 면역 질환을 초래한다. 아포토시스가 저하되면 자기 반응성 림프구가 제거되지 못해 자가면역 질환이 발생할 수 있다. 반대로, 아포토시스가 과도하게 일어나면 림프구가 과도하게 소실되어 면역결핍 상태를 초래할 수 있다. 따라서 면역계에서의 아포토시스는 정교하게 조절되는 필수 과정이다.

조직 항상성은 다세포 생물이 조직과 장기의 세포 수와 기능을 안정적으로 유지하는 능력을 의미한다. 아포토시스는 손상되거나 노화된 세포, 또는 더 이상 필요하지 않은 세포를 제거함으로써 이 균형을 유지하는 핵심 기전이다. 세포 사멸과 세포 분열은 균형을 이루며, 이 과정이 교란되면 조직의 기능 장애나 종양 형성으로 이어질 수 있다.

예를 들어, 장상피세포는 빠르게 재생되며, 오래된 세포는 아포토시스를 통해 제거되어 장벽의 무결성을 유지한다. 피부의 각질형성세포도 표피를 이동하면서 최종적으로 세포 사멸을 거쳐 각질층을 형성한다. 이처럼 조직의 정상적인 세포 교체는 조직 항상성의 기본이다.

아포토시스는 손상에 대한 반응으로도 작용한다. 방사선이나 화학적 독소에 노출된 세포는 DNA 손상을 입으면 아포토시스를 유도하여 돌연변이가 축적되는 것을 방지한다. 이는 잠재적인 암 세포의 발생을 사전에 차단하는 중요한 방어 수단이 된다. 따라서 아포토시스는 조직의 구조와 기능을 보호하는 청소 및 품질 관리 시스템 역할을 한다.

아포토시스가 정상적인 수준을 초과하여 과도하게 활성화되면, 세포 손실이 조직 기능 장애를 초래하여 다양한 퇴행성 질환의 원인이 된다. 이러한 질환들은 주로 신경계, 심혈관계, 근골격계 등 재생 능력이 제한된 조직에서 나타난다.

신경퇴행성 질환에서 아포토시스 과다는 핵심적인 병리 기전으로 작용한다. 알츠하이머병에서는 베타 아밀로이드 펩타이드와 타우 단백질의 축적이 신경세포 내에서 미토콘드리아 기능 장애와 산화 스트레스를 유발하여 caspase를 활성화시킨다[14]. 파킨슨병의 경우, 도파민 신경세포의 선택적 소실은 미토콘드리아 기능 이상과 관련된 내인성 경로의 활성화와 밀접한 연관이 있다. 헌팅턴병과 같은 삼뉴클레오티드 반복 질환에서도 변형된 단백질의 축적이 세포 사멸 신호를 유도한다.

심혈관계에서는 허혈-재관류 손상 시에 심근세포의 대규모 아포토시스가 관찰된다. 일시적인 혈류 차단 후 혈액 공급이 다시 이루어질 때 발생하는 산화 스트레스와 염증 반응이 사멸 경로를 촉진한다. 이는 심부전의 진행에 기여하는 요인이다. 골관절염과 같은 퇴행성 관절 질환에서도 연골세포의 아포토시스 증가가 연골 손실을 가속화시키는 주요 메커니즘이다.

이러한 퇴행성 질환에서 아포토시스 과정을 표적으로 하는 치료 전략, 예를 들어 caspase 억제제나 Bcl-2 유사 단백질의 발현 촉진 등이 활발히 연구되고 있다. 그러나 아포토시스 억제가 오히려 암 발생 위험을 높일 수 있어 표적 치료는 매우 신중하게 접근해야 한다.

암은 세포 사멸의 저하가 주요 발병 기전 중 하나이다. 정상 세포는 DNA 손상이나 과도한 증식 신호와 같은 스트레스에 직면하면 아포토시스를 통해 제거되어 조직의 건강을 유지한다. 그러나 암 세포는 이러한 프로그램된 사멸 과정을 회피하는 능력을 획득하여 비정상적으로 생존하고 무분별하게 증식하게 된다.

아포토시스 저하를 유발하는 주요 메커니즘은 다음과 같다. 첫째, Bcl-2와 같은 항사멸 단백질의 과발현이다. Bcl-2는 미토콘드리아에서 사이토크롬 c의 방출을 차단하여 내인성 사멸 경로를 억제한다. 둘째, p53과 같은 종양 억제 유전자의 기능 상실이다. p53은 DNA 손상을 감지하고 세포 주기를 정지시키거나 아포토시스를 유도하는 핵심 조절자이나, 많은 암에서 이 유전자에 돌연변이가 발생한다. 셋째, 사멸 수용체 경로의 회피이다. 암 세포는 사멸 수용체의 발현을 감소시키거나 FADD와 같은 신호 전달 단백질의 기능을 방해한다.

이러한 아포토시스 회피 능력은 암 세포가 화학요법이나 방사선 치료와 같은 치료에 대한 저항성을 갖게 하는 주요 원인이기도 하다. 이러한 치료법들은 궁극적으로 암 세포 내에서 아포토시스 경로를 활성화시켜 사멸을 유도하는 것을 목표로 하기 때문이다. 따라서, 암 치료의 새로운 전략은 억제된 아포토시스 경로를 재활성화시키는 데 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, Bcl-2 단백질의 기능을 억제하는 억제제([15])나 IAPs를 표적으로 하는 약물 등이 개발되고 있다.

아포토시스의 이상은 여러 자가면역 질환의 발병 기전에 중요한 역할을 한다. 특히 림프구의 선택적 제거 실패가 주요 원인으로 지목된다.

정상적인 면역 체계에서는 자가반응성 림프구가 흉선이나 골수에서 발달 과정 중에 아포토시스를 통해 제거된다. 이 과정을 음성 선택이라고 한다. 이 선택 메커니즘이 결함을 보이면, 자가 조직을 공격할 수 있는 림프구가 생존하여 순환계로 방출된다. 예를 들어, 전신성 홍반성 루푸스나 류마티스 관절염과 같은 질환에서는 자가반응성 B 세포나 T 세포의 사멸이 감소한 것이 관찰된다[16].

또한, 표적 조직 세포에서의 아포토시스 조절 이상도 자가면역 반응을 촉진할 수 있다. 감염이나 손상으로 인해 과도한 아포토시스가 발생하면, 죽은 세포로부터 핵산이나 세포 내 단백질과 같은 자가 항원이 대량으로 노출된다. 이는 항원제시세포에 의해 처리되어 자가반응성 림프구를 활성화시키는 원인이 된다. 따라서 아포토시스 과정 자체나 사멸 세포의 제거(포식) 과정에 이상이 생기면 만성적인 염증과 자가면역 반응이 유발될 수 있다.

아포토시스의 형태학적 변화를 직접 관찰하는 데는 다양한 현미경 기술이 활용된다. 초기에는 광학 현미경을 통해 세포 수축, 핵 응축, 세포막 발포와 같은 전형적인 변화를 확인했다. 그러나 보다 정밀한 관찰을 위해서는 더 높은 해상도를 제공하는 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)이 필수적이다. TEM은 세포 내부의 미세 구조, 특히 핵막의 불연속화, 염색질의 가장자리 응축, 세포질 내 세포소기관의 보존 상태 등을 명확히 보여준다.

형광 현미경 기술의 발전은 살아 있는 세포에서 아포토시스 과정을 실시간으로 모니터링하는 것을 가능하게 했다. 이를 위해 특정 형광 염료나 형광 단백질과 융합된 탐침이 사용된다. 예를 들어, 안넥신 V는 정상 세포에서는 세포막 내측에 위치한 인지질인 포스파티딜세린에 결합하지 못하지만, 아포토시스 초기에 세포막 바깥으로 노출되면 이를 표지할 수 있다. 안넥신 V에 형광 물질을 붙여 형광 현미경으로 관찰하면 아포토시스 세포를 검출할 수 있다.

또 다른 중요한 방법은 핵의 변화를 관찰하는 것이다. DAPI, 호에크스트 33342와 같은 핵염색 염료를 처리하면, 정상적인 확산된 핵 형광과 달리 아포토시스 세포에서는 응축되거나 분절된 강한 형광 신호가 관찰된다. 공초점 현미경을 이용하면 이러한 핵 형태 변화를 3차원적으로 정밀하게 분석할 수 있다.

최근에는 고해상도 현미경과 자동화 이미지 분석 기술이 결합되어, 대규모 세포 집단에서 아포토시스 세포를 정량적으로 분류하고 그 역학을 연구하는 데 널리 사용된다.

DNA 분절 분석은 아포토시스의 특징적인 생화학적 표지자인 DNA의 단편화를 검출하는 방법이다. 아포토시스가 진행되면 Caspase에 의해 활성화된 CAD (Caspase-Activated DNase) 효소가 핵 DNA를 뉴클레오솜 단위로 절단하여, 전기영동 시 특유의 사다리 모양(DNA laddering)의 패턴을 나타낸다. 이는 괴사에서 발생하는 무작위 DNA 분해와 구별되는 결정적인 증거로 활용된다.

가장 전통적인 방법은 아가로스 젤 전기영동이다. 세포로부터 추출한 유전체 DNA를 아가로스 젤에 전기영동하여 염색 후, 약 180-200 염기쌍의 정수배 크기로 절단된 DNA 단편들이 규칙적인 간격의 띠로 나타나는지를 확인한다. 이 방법은 비교적 간단하고 비용이 적게 들지만, 감도가 낮아 아포토시스 세포 비율이 높은 샘플에 적합하다.

보다 민감하고 정량적인 분석을 위해 TUNEL assay (Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP Nick End Labeling)가 널리 사용된다. 이 기법은 DNA 단편의 3'-OH 말단에 형광 또는 효소 표지된 dUTP를 붙여, 절단된 DNA를 현미경으로 직접 관찰하거나 유세포 분석을 통해 정량할 수 있다. 이를 통해 조직 절편 내 개별 세포의 아포토시스를 확인하거나, 세포 군집 내 아포토시스 세포의 비율을 측정하는 것이 가능하다.

또한, 상용화된 ELISA 키트를 이용해 세포 용해물 중 히스톤에 결합된 저분자량 DNA 단편을 정량하는 방법도 있다. 이는 고감도이며 여러 샘플을 동시에 처리할 수 있어 약물 스크리닝 등 연구에 유용하게 적용된다.

유세포 분석은 세포 사멸을 정량적으로 분석하고, 살아있는 세포 집단 내에서 아포토시스 세포의 비율을 측정하는 데 널리 사용되는 기술이다. 이 방법은 단일 세포 수준에서 여러 생물학적 매개변수를 동시에 측정할 수 있어, 아포토시스의 다양한 단계를 구분하고 특정 세포 집단을 분석하는 데 매우 효과적이다.

주로 사용되는 염색 방법은 Annexin V와 프로피디움 아이오다이드(PI)의 조합이다. 아포토시스 초기 단계의 세포는 세포막의 인지질 비대칭성이 소실되어 인지질인 포스파티딜세린이 세포 외부로 노출된다. Annexin V는 칼슘 이온 존재 하에 이 포스파티딜세린에 높은 친화력으로 결합한다. 반면, 프로피디움 아이오다이드는 세포막이 손상된 죽은 세포(후기 아포토시스 세포 또는 괴사 세포)의 핵산에 들어가 발광한다. 따라서 이중 염색을 통해 네 가지 세포 군을 구별할 수 있다.

유세포 분석은 또한 아포토시스의 다른 지표들을 측정하는 데 활용된다. 예를 들어, 활성형 caspase를 검출하기 위한 형광 기질을 사용하거나, 미토콘드리아 링크 전위의 변화를 측정하는 JC-1 또는 TMRE 같은 염료를 활용할 수 있다. 또한, TUNEL assay를 유세포 분석과 결합하여 DNA 분절을 직접 검출할 수도 있다. 이러한 다중 파라미터 분석은 아포토시스의 특정 유도 경로를 연구하거나, 약물 처리에 따른 세포 반응을 정밀하게 모니터링하는 데 필수적인 도구이다.