IBS 혈관연구단. 림프절 세포의 ‘히포 신호전달경로’가 면역반응에 필수적임 규명
바이러스 등 병원체 감염 대응 … 면역질환 치료 기대
림프절 세포의 면역반응 조절 메커니즘이 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 혈관연구단 고규영 단장(KAIST 의과학대학원 특훈교수) 연구팀은 신체 기관의 크기를 결정하는 ‘히포 신호전달 경로(Hippo signaling pathway)’1가 림프절 면역반응에 필수적임을 규명했다. 사스, 메르스, 신종 코로나바이러스 등 병원체 병원체(Pathogen)2 에 대한 림프절 면역반응을 더 잘 이해할 수 있을 것으로 기대된다.
림프절은 직경 1~20mm 강낭콩 모양의 면역기관으로, 전신에 분포해 있으며 주로 겨드랑이, 사타구니, 목, 가슴, 배에 모여 있다. 체내외의 병원체가 림프절로 들어오면 림프절 내 면역세포가 활성화되어 면역반응을 한다. 면역반응을 정상적으로 수행하기 위해서는 림프절을 구성하는 다양한 세포 내 ‘신호전달경로 신호전달경로(Signaling pathway)3’를 적절히 작동시키는 것이 중요하다.
기존에 히포 신호전달경로는 세포 분열 억제 및 사멸을 촉진함으로써 신체 기관의 성장을 억제, 그 크기를 결정한다고 알려져 있다. 이번 연구에서는 림프절 내부 구조를 이루는 섬유아 세망세포 섬유아 세망세포(Fibroblastic reticular cells)4의 ‘히포 신호전달경로’가 림프절 면역반응 조절에 필수적임을 밝혔다. 히포 신호전달경로가 섬유아 세망세포 분화 초기에 활성화되고, 후기에 비활성화되어야 면역반응이 정상적으로 일어났다.
연구팀은 히포 신호전달경로에 관여하는 Yap/Taz 단백질 Yap/Taz 단백질5의 유전자를 변형시킨 생쥐 모델 20여 종류를 준비한 후, 림프절 내 섬유아 세망세포 분화 정도와 히포 신호전달경로의 활성화 정도에 따라 면역반응이 어떻게 조절되는 지 관찰했다.
먼저 섬유아 세망세포 분화 초기에 히포 신호전달경로가 비활성화되면 면역반응 이상 및 체중감소 증상이 관찰됐다. 세포 분화가 제대로 이뤄지지 않았다는 뜻이다. 섬유아 세망세포는 병원체 감염 시 사이토카인 사이토카인(Cytokine)6을 분비해 면역세포를 활성화시켜 면역반응을 유도한다. 세포 분화 이상으로 섬유아 세망세포가 지방세포화 되면 사이토카인이 분비되지 않아 면역반응이 정상적으로 일어날 수 없다. 또한 림프절 내부 구조를 이루는 섬유아 세망세포가 감소하면 병원체에 대한 면역반응이 일어날 공간을 충분히 마련하기 어렵다.
이어 섬유아 세망세포 분화 후기에 히포 신호전달경로가 활성화되면 림프절이 섬유화 섬유화(Fibrosis)7되어 면역기능이 마비됨을 관찰했다. 섬유아 세망세포로부터 섬유화를 촉진하는 물질이 분비되면 림프절이 딱딱하게 굳어지고 면역기능을 수행하기 힘들다. 히포 신호전달경로의 Yap/Taz 단백질 활성화 시 림프절 섬유화가 일어나는 것으로 보아 추후 기관 및 장기의 섬유화 치료에 Yap/Taz 저해제가 활용될 것으로 기대한다.
배호성 연구위원은 “이번 연구로 림프절 내 섬유아 세망세포의 ‘히포 신호전달경로’가 면역반응 조절의 핵심 기전임을 밝혔다”며 “병원체 감염, 만성염증, 림프절 섬유화, 림프절 암전이와 같은 면역질환 치료에 이정표를 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878)에 1월 24일 오후 7시(한국시간) 온라인 게재되었다.
References
1. 히포 신호전달경로(Hippo signaling pathway) : 세포 분열 및 분화를 억제하고 사멸을 촉진함으로써 동물의 신체 기관의 성장을 억제하는 세포신호전달경로. 다수의 단백질 인산화 효소와 결합 단백질로 구성되어 있으며, 그 중 단백질 인산화 효소인 hippo 유전자에 변이가 일어나면 초파리 조직이 과성장하여 하마(hippopotamus)의 주름처럼 보인다고 하여 ‘히포’라고 명명되었다.
2. 병원체(Pathogen) : 사람이나 동물에 감염되어 다양한 형태의 질병을 유발하는 미생물, 세균, 바이러스 등을 통칭한다.
3. 신호전달경로(Signaling pathway) : 세포가 수용체를 통해 외부의 신호를 받아들이고 그에 대응하는 기능을 발현할 때까지 정보를 전달하는 과정.
4. 섬유아 세망세포(Fibroblastic reticular cells) : 림프절 내부 골격구조를 이루는 기질세포의 한 종류로, 병원체 감염에 대한 면역반응에 관여한다. 주로 림프절 내 T 면역세포 공간에 분포하며, 콜라겐 같은 섬유를 분비하여 림프절의 골격구조를 이룬다.
5. Yap/Taz 단백질 : 히포 신호전달경로의 최종 단백질. 조직 및 장기 재생, 크기 조절, 종양 발생에 주요한 역할을 수행한다.
6. 사이토카인(Cytokine) : 면역세포로부터 분비되는 면역조절단백질. 체내에 바이러스가 침투했을 때 면역물질인 사이토카인이 과다하게 분비되어 정상세포를 공격하는 현상을 사이토카인 폭풍이라고 한다.
7. 섬유화(Fibrosis) : 장기의 일부가 굳는 현상으로, 폐섬유화나 간섬유화가 대표적이다. 현재까지 섬유화에 대한 완치 방법은 거의 없으며, 치료방법은 개발 및 연구 중이다.
연구 추가 설명
논문명
YAP/TAZ direct commitment and maturation of lymph node fibroblastic reticular cells
저자정보
Sung Yong Choi, Hosung Bae, Sun-Hye Jeong, Intae Park, Hyunsoo Cho, Seon Pyo Hong, Da-Hye Lee, Choong-kun Lee, Jin-Sung Park, Sang Heon Suh, Jeongwoon Choi, Jeon Yeob Jang, Lucas Onder, Jeong Hwan Moon, Han-Sin Jeong, Ralf H. Adams, Jin-Man Kim, Burkhard Ludewig, Joo-Hye Song, Dae-Sik Lim, and Gou Young Koh
연구이야기
[연구 배경]
면역세포 및 항원의 유입과 효율적 상호 작용은 림프절이 가지고 있는 정교한 구조에 기인하며, 이러한 구조를 이루는 기질세포의 대부분을 섬유아 세망세포가 차지하고 있다.
섬유아 세망세포는 CCL19, CCL21 및 BAFF과 같은 사이토카인 및 생존인자를 분비하여 면역세포의 유입을 촉진하며, 유입된 면역세포의 구조적 특성을 통해 면역세포와 항원간의 접촉기회를 최대화시키는 기능을 한다. 또한 정상적인 면역 반응을 위해서는 증가되는 면역세포를 받아들일 수 있는 공간이 많이 필요한데, 섬유아 세망세포가 가변적 공간을 제공하는데 결정적 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 섬유아 세망세포의 기능과 구조를 조절하는 신호전달통로에 대해서는 구체적으로 알려진 바가 없다.
[연구 과정]
섬유아 세망세포의 발달과 항상성을 관장한다고 알려진 Lymphotoxin beta receptor (LTbR) 신호전달경로가 비활성화되어도 섬유아 세망세포의 형성에 문제가 되지 않은 것을 착안, LTbR 신호전달경로 비활성화시 섬유아 세망세포에서 Yap/Taz의 활성화를 관찰하였다.
생화학적 실험을 통해 LTbR 신호전달통로의 최종 분자인 p52/RelB 유전자를 Yap/Taz가 직접 조절하여 섬유아 세망세포를 관장하는 CCL19과 같은 사이토카인을 발현하는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 섬유아 세망세포에서 LTbR 그리고 Hippo 신호전달경로 모두 비활성화시 림프절 내에 섬유아 세망세포가 존재해야할 공간이 지방세포로 대체된 것을 확인하였다. 이는 LTbR 신호전달경로의 수용체가 없을시에도 최종 분자인 p52/RelB 유전자를 Yap/Taz가 조절하고 있기에, 한 가지 신호전달경로만으로는 변화가 없고 두 가지 신호전달경로 모두를 비활성화시에 변화가 있는 것을 확인하였다.
[어려웠던 점]
림프절은 기질세포 이외에 다수의 면역 세포, 혈관 및 림프관으로 구성되어 있다.
다양한 병리 상황에서 기질세포 특이적 변화를 확인하기 위해서는 기질세포만 분리해야한다. 이를 위해서 MACS(Magnetic-activated cell sorting) 및 FACS (Fluorecence-activated cell sorting)을 이용하여 림프절내 기질세포만을 분리하여야 했다. 이렇게 분리한 기질세포만을 모아서, 다양한 생화학적 실험 분석을 위해 세포 배양을 하기 위해서는 수많은 시행착오와 실험 조건을 확립하는데 많은 노력과 시간이 소요됐다.
[향후 연구계획]
상기 실험을 통해 밝혀진 신호전달경로가 실제 림프절 암전이 환자의 검체에서 활성화 되어 있는지 확인하고 환자의 예후나 증상의 강도와 연관성이 있는지 통계적으로 분석하고자 한다. 또한 관련 인자들이 암 림프절 전이에 대한 반응의 예측인자인지, 재발이나 진행을 조기에 탐지하는데 도움을 줄 수 있는지에 대해 분석할 것이다.
암 림프절 전이 동물모델에서, 관련 신호전달경로를 유전자변형 마우스로 조절 혹은 약리적으로 변화를 주었을 때, 암전이 변화 양상을 알아보고. 암 림프절 전이의 치료 가능성을 제시하고자 한다.
그림 설명
림프절 내 섬유아 세망세포의 분화 정도와 히포 신호전달경로(Yap/Taz)의 연관성을 나타낸 모식도.
섬유아 세망세포 분화 초기에 히포 신호전달경로가 비활성화 되면, 세포 분화 이상으로 섬유아 세망세포가 지방세포화 되어 면역반응이 정상적으로 일어나지 않는다. 섬유아 세망세포 분화 후기에 히포 신호전달경로가 활성화 되면, 림프절 섬유화가 일어나 림프절이 딱딱하게 굳어져 제 기능을 하지 못하게 된다.
(A) 사람의 림프절 내 섬유아 세망세포(빨간색)의 히포 신호전달경로에 관여하는 Yap/Taz 단백질(초록색)이 특이적으로 발현됨을 관찰했다.
(B) 생쥐의 림프절 내 T 면역세포 주변(T cell zone; 흰 화살표) 및 혈액통로(High endothelial venule; 노란 화살표) 주변의 섬유아 세망세포(빨간색)의 히포 신호전달경로에 관여하는 Yap/Taz 단백질(초록색)이 특이적으로 발현됨을 관찰했다.
(A/B) 림프절 내 섬유아 세망세포의 전구체의 히포 신호전달경로에 관여하는 Yap/Taz 단백질(초록색)이 비활성화 될 경우, 섬유아 세망세포가 존재해야할 T 면역세포 공간(초록색)이 지방세포(빨간색)로 대체됨을 관찰했다.
(C : 형광발색 유전자 추적 결과) 림프절 내 섬유아 세망세포 전구체의 히포 신호전달경로에 관여하는 Yap/Taz 단백질(초록색)이 비활성화 될 경우, 섬유아 세망세포 전구체(초록색)가 지방세포(빨간색)로 분화됨을 확인했다.
연구진 이력사항
[ 배호성 IBS 혈관연구단 연구위원, 제1저자 ]
1. 인적사항
· 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 혈관연구단
· 전 화 : 042-350-5638
· 이메일 : hstbae@ibs.re.kr
2. 학력
· 2009 : State University of New York at Buffalo, B.S.
(Biomedical Science)
· 2019 : KAIST, Ph.D. (Biomedical Science and Engineering)
3. 경력사항
· 2013 – 2014 한국생명공학연구원 연구원
· 2014 – 2019 KAIST 박사과정
· 2015 – 2019 IBS 혈관연구단 연수인력
· 2019 - 현재 IBS 혈관연구단 연구위원
[ 최성용 삼성서울병원 전임의, 제1저자 ]
1. 인적사항
· 소 속 : 삼성서울병원
· 전 화 : 042-350-5638
· 이메일 : sungyong82.choi@samsung.com
2. 학력
· 2008 인하대학교 의과대학, M.D.
· 2013 성균관대학교 의학과, M.S.
· 2018 KAIST 의과학대학원 Ph.D.
3. 경력사항
· 2008 – 2009 삼성서울병원 인턴
· 2009 – 2013 삼성서울병원 이비인후과 전공의
· 2013 – 2018 KAIST 의과학대학원 박사과정
· 2015 – 2018 IBS 혈관연구단 연수인력
· 2018 – 현재 삼성서울병원 이비인후과 전임의
[ 고규영 혈관연구단 단장, 교신저자 ]
1. 인적사항
· 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 혈관연구단
카이스트(KAIST) 의과학대학원
· 전 화 : 042-350-5638
· E-mail : gykoh@kaist.ac.kr
2. 학력
· 1983 전북대학교 의과대학, M.D.
· 1991 전북대학교 의과대학, Ph.D.
3. 경력사항
· 1990 - 1991 미국 코넬의대, Research Fellow
· 1992 - 1994 미국 인디아나대학교 의대, Research Fellow
· 1995 - 2001 전북대학교 의과대학교, 생리학과, 조교수
· 1997 - 2003 창의연구단, 단장
· 2001 - 2003 POSTECH, 생명과학과, 부교수
· 2003 - 2010 카이스트, 생명과학과, 교수
· 2011 - 현재 카이스트, 의과학대학원, 특훈교수
· 2015 - 현재 IBS 혈관연구단, 단장
4. 주요 학술 업적
· 2007 제 17회 분쉬의학상, 한국의학회, 한국베링거인겔하임
· 2010 올해의 카이스트인, 카이스트
· 2011 이달의 과학자상, 교육과학기술부, 한국연구재단
· 2011 경암상, 경암교육문화재단
· 2012 아산의학상, 아산재단
· 2018 호암상 (의학상), 호암재단
