네이처 422, 675 - 676 (2003)
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면역학 분야 새로운 발견을 찾아: 산소와 염증세포
(Immunology: Oxygen and the inflammatory cell)
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[[ 요 약: 단 하나의 단백질이 특정 면역 세포로 하여금 저산소 상태에 반응하도록 유도, '만병의 시작 징후인 염증'까지 유발시키게 된다는 최근 발견으로부터, 염증이 깊어져 악화될 많은 질병을 치유하기 위한 약품 개발에 새 이정표가 설정될 것으로 보인다. ]]
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감염된 생체조직, 상처, 류마티스성 관절, 그리고 공급 혈액 대비 성장 예상치보다 훨씬 더 자라버린 악성 종양 사이에 무슨 공통점이 있기는 할까? 놀랍지만, 이들 사이 공통된 특징 두가지: 첫째, 위에 말한 감염 조직, 문제의 관절, 종양은 건강한 생체 조직에 비해 함유된 산소의 농도가 매우 낮다는 것이고, 흔히 이것을 저산소 또는 아산소 상태(hypoxic)라 한다. 둘째, 우리 몸에 병균이 침투하거나 이상이 생기면 자동적으로 제 1 번 방어수가 되어 균과의 전투에 출정하는 주요 면역 체계 구성 세포의 하나인 백혈구가 위에 말한 해당 부위마다 침투해 있다는 점.

저명한 셀(Cell)지에 크래이머와 그의 동료들이 게재해 놓은 최근 발견 사항을 살펴보면, 저산소상태에 놓인 조직 부위에 대한 상기 세포들의 반응, 그리고 염증의 시작 및 발전에 관여할 수 있는 능력을 모두 중재하는 단백질이 하나 있단다. 단백질 하나가 저산소 상태에 반응함과 동시에 염증과도 깊이 관련되어 있다는 이야기인데, 위에 언급한 부위와 같이 생체 조직에 상처가 생기면 또 다른 어떤 조합된 면역 반응 체계가 하나의 단백질에 의해 발동된다는 것이고, 그 단백질 이름이 HIF-1α이다. 저산소 상태에서 유도될 수 있는 펙터라는 의미의 HIF-1α (hypoxia-inducible factor-1)는 우리 몸 생체 조직 어떤 부위의 산소 레벨이 떨어지면 적어도 30개 이상의 유전자 발현을 관장하게 되는 단백질이다. 크래머와 동료 연구자들이 밝힌 것은 HIF-1α가 만병의 시작 징후인 염증의 발현으로부터 발전에 중요한 몇 가지 요소들을 조절하고 있다는 점인데, 상처난 조직의 빛깔이 불그스름해 진다거나 부어오르는 것, 그리고 해당 상처 부위로 백혈구들이 침투해 들어갈 수 있도록 해주는 능력을 통틀어 관장한다는 사실. 이것은 매우 놀라운 발견이라 아니할 수 없는데, 결국 분자 하나가 그렇게 복잡하고 다양한 양상을 띄며 임상적으로 매우 중요한 의미를 갖는 '저산소와 염증'이라는 두마리 토끼를 총괄해 온 지배 조절자로 드러난 형국이기 때문이다.

백혈구(leukocyte)는 변장술에 능해 크게 두가지 서로 다른 유형의 옷을 입곤 하는데, 하나는 작고 동그란 뉴트로필(neutrophil)이고 다른 하나는 크기도 거대한 매크로파지(macrophage)이다. 몸에 균이 침투, 상처가 나면 제일 처음 달려가 이상발생 조직의 미세 정맥(venule)에 나타나는 백혈구가 뉴트로필이다. 베뉼이라고 발음되는 미세 정맥(venule)은 미세 백혈구라 할 수 있는 뉴트로필이 혈액 안에 포함되어 혈관 따라 흘러가는 것 당장 중단하고 상처 부위로 집합하라는 신호를 모세혈관으로부터 받아 집결하게 된 혈관인데 관의 지름이 작다. 즉, 혈액 따라 잘 흘러가다 문제가 발생했음을 인식, 미세 혈관 안쪽에 뉴트로필이 달라 붙게 되는데 이 와중에 혈관까지 막히게 할 수 있는 세균 덩어리를 형성하게 되고, 급기야 혈관 통해 공급되어야할 혈류량마저, 좁아진 관 직경으로 인해, 더불어 감소하게 된다. 게다가, 어떤 뉴트로필은 아예 혈관 벽을 가로질러 생체 조직 더 깊은 안쪽까지 침입하는 경우도 있는데, 혈류량은 감소된 상태에서 세포 숫자만 늘어난 격이니 해당 부위는 국지적으로 산소가 고갈될 지경에 이르게 된 것. 이쯤되면 매크로파지라는 거대 백혈구가 등장할 차례이다.

산소 부족, 즉 저산소 상태로 인해 매크로파지 및 뉴트로필과 같은 백혈구, 그리고 여타의 다른 세포들은 자신들이 책임지고 있는 다양한 종류의 유전자를 활성화시키게 되는데, 혈관이 새도록 만들 수 있는 VEGF (vascular endothelial growth factor: 혈관내피 성장인자라는 의미)라는 유전자도 이때 활성화된다(수도관은 새면 안되지만 혈관은 필요에 따라 오히려 새야 한다. 혈관에 난 틈새 또는 샐 수 있는 혈관벽 일부 통로를 통해 무언가 혈관 밖으로 빠져나갈 경우가 반드시 있으므로). 헌데 이와 같은 유전자를 활성화시키는 단백질이 앞서 말한 HIF-1α 로, 발현시키고자 하는 타킷 유전자의 프로모터(promotor, 현상을 관장/촉진시키는 요소)에 HIF-1α가 결합하게 된다. 이런 결합이 가능하려면 HIF-1α는 우선 자신의 짝이 되는 파트너 HIF-1α에 결합해야 하고 이들의 상호작용은 결국 산소 레벨, 다시 말해, 함유된 산소의 농도에 따라 결정된다. 산소가 충분할 경우 HIF-1α라는 단백질은 거의 찾아보기 힘든데, 그 이유는 산소 충분 상태이므로 VHL (von Hippel–Lindau 폰 히펠-린다우)이라는 단백질의 지휘 아래 HIF-1α가 파괴되기 때문. 그러나, 산소 부족 상태가 되면 이런 제한조건이 풀리면서 상황이 역전된다 (아래 링크된 Figure 1).

Figure 1 산소부족, 즉 저산소 상태에서 염증이 발생한 부위에 유도될 수 있는 펙터라는 HIF-1알파 단백질을 관장하거나 해당 단백질이 직접 관장하게 되는 것으로 보이는 여러 다른 인자들 ( 그림을 보시려면 아래 링크된 곳을 누르세요. http://rannie.net/cgi-bin/NeoBoard/upload/woman67/Fig1_HIF1.JPG )

산소부족 상태에 놓인 백혈구가 있을 때 HIF-1α가 활성화된다면, 크래머와 동료들은 염증이 생긴 상태에서도 이런 조건이 필요한 것인지 알아보고 싶어졌다. HIF-1α라는 단백질 하나가 가진 기능을 연구하기 위해 연구자들은 실험실에서 흔히 사용하는 동물인 쥐를 이용, 쥐의 해당 단백질 유전자가 작동하지 못하도록 한 후 과연 어떤 변화가 있는지 살펴보았다. 막상 HIF-1α라는 단백질의 해당 유전자를 차단시켜보니, 쥐들이 태아 단계에서 죽어버려 그 다음 단계인 염증까지는 아예 살펴볼 수도 없는 상황이 연출됐다. 이에 과학자들은 백혈구 안에만 존재하는 단백질들을 제거하는 특수 기술을 사용해 보았다. 이 방법은 ((박테리아 용해 효소의 일종으로)) 백혈구 내에서만 매우 활발히 활동하는 리소자임(lysozyme)의 유전자 프로모터를 사용하여 HIF-1α의 유전자를 비활성화시킬 효소로 바꾸는 식이다.

유전자 변이된 쥐로부터 따로 뽑아낸 두가지 다른 형태의 백혈구, 즉 매크로파지와 뉴트로필 공히 정상 쥐들의 백혈구에 비해 VEGF와 phosphoglycerate kinase라는 효소 레벨이 현저히 감소되었다. 뒤에 언급한 효소(phosphoglycerate kinase)는 당분해(glycolysis) 작용에 의해 포도당(glucose)으로부터 세포 에너지의 주저장소인 ATP를 생산하는데 필요하다. 이와같은 산소-의존형 프로세스는 백혈구가 에너지를 만들어내는데 선결해야할 과정 중 하나로서, 예측했었는지 모르겠으나 백혈구들의 ATP 레벨 역시 낮게 나타났다.

체외에서(In vitro) 따로 분리해 관찰한 거대 백혈구 매크로파지는 세포 고유의 기동 기능인 이동(migration) 및 본연의 주임무, 박테리아 박멸 능력을 상당 부분 상실한 상태였다. 또한, HIF-1α라는 단백질 결핍 상태의 백혈구를 가진 쥐의 경우 화학성 자극제나 관절염을 유발할 수 있는 단백질 복합체를 접목시켰을 때 상처 부위 색깔이 발갛게 변색된다거나 부어오르는 반응이 거의 나타나지 않았고, 극히 제한된 수의 백혈구들 만이 염증 부위에 침투해 있었다 (Fig. 1). 반대로 위에 말한 VHL이라는 단백질이 결핍된 백혈구를 가진 쥐를 가지고 실험했을 때에는 염증성 반응이 급격히 증가하여 나타났는데, 아마도 VHL 결핍상태에서는, HIF-1α가 더 이상 파괴되지 않기 때문일 것이라 추정하고 있다. 크래이머 등이 내린 결론은 상처난 생체 조직이 산소부족 상태가 되어 백혈구가 ATP를 생산해 내려면 HIF-1α라는 단백질이 필요하다는 것이고, 해당 단백질이 있어야만 세포들이 제 기능을 발휘할 수 있다는 것. 이 놀라운 발견이 제시하고 있는 것은 수많은 질병과 연관이 되어 있는 과다한 염증 상태 혹은 악성 염증을 감소시키기 위한 목적으로 개발될 신약 개발에 주효한 타킷을 바로 HIF-1α가 설정해줄 수도 있다는 점이다.

HIF-1α 결핍상태의 백혈구에 발현된 VEGF의 양이 감소했다는 사실이, 지금까지 위에 언급한 염증성 반응의 격감 현상에 어떤 영향을 미친 것일까? 크래이머 등의 발견에 따르면, 일정 부분 영향을 미치고 있다고 보고 있다. 즉, 이들은 VEFG가 결핍한 쥐를 가지고 제차 실험하였는 바, 쥐의 상처난 부위에는 상처로 인해 조직이 부어오르는 현상이 훨씬 적었던 것으로 판명났다(비록 백혈구는 여기 저기 광범위하게 퍼져 발견할 수 있었을 지언정. 다시 말해 백혈구가 상처 부위로 침투는 했으나 제 기능을 발휘 못했다는 것). 하지만, 추가로 고려해 봐야할 사항으로 이렇듯 HIF-1가 없는 돌연변이 쥐의 상처 부위에 붓기도 별로 없고 빛깔이 빨갷지지도 읺는 현상이 비만 세포(mast cell)의 활동에 어떤 결함이 있음을 암시하고 있을 수도 있다는 점이다. 비만 세포 역시 생체 고유의 면역 체계를 이루는 구성 요소로서 혈관 근처 점막면(mucosal surface) 아래에 위치하여 일종의 파수꾼(sentinel) 역할을 하고 있다. 이들은 염증 발생의 초기 단계에 관여하여 상처 부위의 적색빛깔, 부어오름, 그리고 백혈구 결집 등과 관련이 있고 크래이머 등이 수행한 실험에 사용된 관절 모델도 이 점을 응용한 것이다. 얘기인 즉, 백혈구와 마찬가지로 비만세포도 리소자임이라는 효소를 만들어낼 수 있고 유전자 변이된 쥐를 가지고 HIF-1가 결핍된 상태였을 수도 있다. 만일 그렇다면, 비만세포 역시 ATP 레벨을 떨어뜨렸을 것이고 염증의 발생 및 발전 과정 중에 느리게 반응했을 수 있음을 암시하고 있다. 이 점 또한 염증을 치료하는데 HIF-1을 응용하게 될 경우 얻을 수 있는 잠재적 이점이 될 수 있을 것이다.

하지만, 상기 아이디어는 자칫 결점도 포함하고 있는 듯 보인다: HIF-1 결핍 상태의 백혈구는 적어도 체외 관찰의 결과 박테리아 박멸 기능이 현저히 떨어졌고, 이것은 염증을 다소 완화시킬 수는 있을 지언정 정작 추가 감염과 맞서 싸울 전투력은 더 떨어지게 된다는 꼬리표가 달라 붙을 수 있음을 의미한다. 그러나, 체외 관찰과 실제 체내에서 벌어지는 상황은 자뭇 달라질 수 있으며, 화제를 돌려 마지막으로 질소(NO)에 관해 잠시 주목하면 흥미로울 것 같다. 사실 염증(inflammation)은 높은 출력 형태의 질소 신타이제(역방향으로 리아제 반응을 하는 효소; NO synthase)를 코딩하는 유전자를 활성화시킨다. 질소 신타이제(NO synthyase)는 바로 질소를 생산해 내는 효소인데 HIF-1라는 단백질을 통한 산소 부족, 즉 저산소 상태(hypoxia)가 이와 같은 일련의 활성화 메커니즘에 나름의 작용을 하고 있다. 질소의 역할은 상처 부위가 부어오르게 하는 것 외에 여타의 염증에 수반되는 일련의 현상을 촉진시키는 것은 물론 거대 백혈구인 매크로파지가 병원균을 죽이는데 일조한다. 뿐만 아니라, 과일 파리의 유충(frutifly larvae)들이 저산소 상태에 반응하여 휴지기에 들어가거나 이를 회피할 수 있게 도와주는 역할도 하며 쥐의 생체 조직 내 다수의 미토콘드리아 - 세포의 에너지-생산 공장이라 할 수 있는 미립자 -의 조절과도 관련이 있다.

또한, 저산소 상태에서 질소는 시토크롬(cytochrome, 세포의 산화 환원에 작용하는 색소 단백질) 산화 효소도 차단시키는 역할을 하는데, 시토크롬 산화 효소는 미토콘드리아에 의한 산소-의존형 ATP 생산에 필수적이다. 게다가, 다른 종류의 질소 신타이제(역방향으로 리아제 반응을 하는 효소)의 부산물들이 당분해(glycolysis)에 의한 ATP의 생성을 방해하게 된다. 따라서, 실제 생체 내에서 정상 쥐의 백혈구를 가지고 저산소 상태로 실험을 하면 산소 공급만 줄여준 상태에서 예측된 결과보다 훨씬 더 ATP 레벨이 떨어지게될 수도 있다는 이야기가 된다. 이와 반대로 HIF-1α가 결핍된 백혈구가 정상 상태의 세포에 비해 더 적은 양의 질소 신타이제를 유발하여 ATP 생산이 더 감소될 수도 있다는 것이다. 이것은 곧, 체내로부터 분리되어 체외 실험실 대기 상태에 놓인 세포들에 비하여 저산소 상태에서 염증이 발생된 부위에 HIF-1α가 결핍된 백혈구와 정상 백혈구가 훨씬 더 실제 조건에 가깝다는 것을 의미한다. 이것이 사실이라면, 체외 조건에 비해 체내 조건 하에서 박테리와 싸워 이길 능력이 배가될 수 있음을 암시하는 것이라 의미가 있다.

질소와 저산소 상태 사이의 여타의 다른 상호작용에 관해서도 충분히 언급할 가치가 있는 것이 이들이 바로 HIF-1α라는 단백질의 활성화에 영향을 미칠 수 있기 때문이다(Fig. 1). 질소에 의한 미토콘드리아의 산소 소모량이 둔화된 경우 저산소 상태에 있는 거대 백혈구 매크로파지에서, 추가적인 질소 합성은 물론 여타의 다른 반응에 활용될 세포내 산소의 양은 증가할 것이다. 체내 전자가 산소로 전환될 수 있게 해주는 미토콘드리아의 역할을 질소가 방해하면, 전자들은 다른 곳으로 빠져나가게 되어 궁극에는 초산화물(superoxide)을 만들어낼 것이다. 초산화물 또는 이것의 산물(product) 역시 HIF-1α를 활성화시킬 수 있다. 고출력 질소 신타이제 역시 HIF-1α를 안정화시킬 수 있음은 물론이다. 따라서, 저산소 상태 하나만 가지고 일련의 현상을 설명하려하기 보다, 산소 부족과 고농도의 질소가 서로 연관되었다는 복합적 접근 방식을 견지, 위 현상을 바라 보는 시각이 HIF-1α의 활성화를 설명하는데 보다 큰 의미를 가질 수 있을 것이리라.

HIF-1α라는 단백질에 관한 일련의 이런 새 발견을 이용하여 무언가 의미있는 연구 결과를 내보려는 과학자들이 자칫 의기소침해 질 수 있는 점이라면, 이 단백질은 그 기능이 효소에 의해 발휘되는 것이 아니기 때문(non-enzymatic)에 실험에 무척 큰 어려움을 겪을 수 있다는 것이고, 그나마 알려져 있는 효소성 조절자(the prolyl hydroxylases)가 반응을 활성화시키기 보다는 오히려 차단시키는데에 애로 사항만 더욱 증폭된다 하겠다. 하지만 크래이머와 동료 연구자들이 밝혀내었듯, 후속 연구를 통해 과학자들이 저산소 상태와 염증 사이에 놓인 복잡하고도 어려운 상관 관계를 한층 더 명확히 규명해 나아갈 수 있기를 희망해 본다.
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c.f. 원저자 소개: Carl F.Nathan, M.D.



칼 네이던은 미국 코넬대 부설 웨일 의대 산하 면역 및 분자생물학과 대학원 미생물학/면역학과 소속으로 주소와 이메일은 아래와 같다: Carl Nathan is in the Department of Microbiology and Immunology and Graduate Programs in Immunology and Molecular Biology, Weill Medical College, Cornell University, 1300 York Avenue, New York, New York 10021, USA. e-mail: cnathan@med.cornell.edu
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<> Nature 422호, 675 - 676 쪽 (2003) 이상,