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beyond reason
Apoptotic cell recognition and clearance
우리 몸은 하루에 얼마나 많은 세포가 죽어 갈까? 하루에 약 10억개(500-700억개라고 말하기도) 이상의 세포가 죽어간다고 알려져 있다. 그렇다면 우리가 흔히 실험하는 TUNNEL 염색을 하면 정상 조직에서 사멸세포의 수가 많이 보여야 되지 않을까? 하지만 정상조직 에서 사멸세포를 염색해 보면 쉽게 찾아지지 않는다.
그렇다면 과연 그렇게 죽어가는 수많은 세포는 어떻게 된 것인가?
세포사멸은 발생과정과 조직을 유지하는 과정에서 아주 중요한 역할을 한다. 이 과정에서 발생하는 수많은 사멸세포들 이 만약 그대로 방치된다면 당연히 개체에 해를 끼치게 된다. 따라서 우리 몸은 이들 사멸세포를 효과적으로 처리하는 시스템을 갖추고 있다. 더욱이 이 시스템은 세포가 괴사되어 해로운 내용물이 나오기 전에, 즉 세포막이 터지기 전에 사멸세포를 재빨리 인식하여 빠르고 효율적으로 제거할 수 있 다. 이런 효율적인 시스템 덕분에 정상 조직에서 사멸세포를 염색하여 찾기가 대단히 힘든 것이다. 우리 몸에는 필요에 의해 분자나 세포를 먹어치우는 기능을 하는 탐식과정이란 것이 있다. 이를 전문적으로 수행하는 세포들을 탐식세포라고 하고 대식세포와 수지상세포 등이 있다. 하지만 때로는 비전문적인 세포들(상피세포, 혈관내피 세포 및 섬유아세포)도 능률면에서 전문 탐식세포에 비해 떨 어지지만 탐식작용을 하기도 한다.
그렇다면 이런 세포들의 사멸세포탐식 기능은 어떤 기전으로 이루어질까?
어떤 과정을 거치게 되고 어떤 인자들이 작용을 하며 탐식과정에서 이들 인자들을 조절하는 기전은 어떻게 작동할 것인가?
또한 이런 기능의 이상이 오면 인체의 질병에 어떤 영향을 주며 이를 조절하는 치료적 전략들이 어떤 것들이 있는가?
등을 간단히 리뷰해 본다.
사멸세포의 탐식과정
사멸세포의 탐식과정은 다음과 같은 몇 단계로 나눌 수 있 다-
1)Find-me - ATP/UTP, lysoPC, CX3CL1
2)Eat-me - phosphatidylserine(PS)
3)Engulfment
4)Processing.
각 단계는 정교하게 짜인 분자들의 작용에 의해 사멸세포만 을 선택적으로 인식하여 제거하도록 엄격히 조절된다. 죽어가는 세포는 자신의 존재를 탐식세포에게 알려주기 위해 “find-me”신호를 보낸다. 현재까지 알려진 신호로는 ATP/UTP, lysophosphatidylserine (lysoPC), CX3CL1 등이 있다. 탐식세포는 이 물질들을 인식하는 각각의 수용체인 P2Y2, G2A, 그 리 고 CX3CR1이 있어 화학주성 (chemotaxis) 반응으로 사멸세포 쪽으로 이동하게 된다. 일단 탐식세포가 사멸세포 쪽으로 다가가게 되면 그 다음단계로는 탐식세포가 사멸세포를 주변의 살아 있는 세포들로부터 명확히 가려낼 수 있어야한다. 따라서 탐식세포와 사멸세포는 서로를 특이적으로 인식할 수 있는 신호체계를 추고 있다.
즉 사멸세포는 “eat-me”신호를, 탐식세포는 이를 인식하는 특이적 수용체를 갖추고 있다. 사멸세포는 자신의 세포막에 나를 탐식해 주시오라고 알려주는 깃발을 꽂아 놓고 있는 셈이다. 이런 깃발 중 가장 잘 알려진 것은 phosphatidylserine (PS)이다. PS는 세포막의 이중막 중 안쪽 막에 주로 존재하는 인지질이지만 세포가 사멸과정을 거치는 동안 바깥 막 쪽으로 이동하여 정상세포에서는 잘 발견되지 않는 사멸세포의 특이적 마커로서 작용하게 된다. 이에 따라 탐식세포는 당연히 PS를 직접적 또는 간접적으로 인식하는 체계를 가지고 있을 것으로 기대해 볼 수 있다. PS를 직접 인식하는 세포막 수용체로서는 Stabilin-1, -2, Tim-4 그리고 Bai1이 알려져 있고 PS를 인식하지만 세포막에 존재하지 않는 soluble factor로는 MFG-E8, Gas6 등이 알려져 있다.
Soluble factor들이 사멸세포의 탐식작용을 매개하기 위해서는 이 물질을 인식하는 수용체가 탐식세포의 막에 존재해야 한다. 탐식세포는 αvβ3/5 integrin과 Mer kinase를 통해서 사멸세포의 PS와 결합한 MFG-E8, Gas6 를 각각 인식하여 탐식작용을 매개한다. 이 각각의 PS 인식 분자들은 PS를 인식하는 서로 다른 도메인을 가지고 있으며 PS와 결합하는 구조와 친화력의 차이에 대해서는 부분적으로 알려져 있다. 또한 PS를 인식하는 단백질이 왜 여러 개가 존재해야 하는지에 대한 이유도 분명하지 않다. 하지만 상황에 따라 또는 조직에 따라 서로 다른 수용체가 작용할 수 있을 것이며 때로는 몇 개의 수용체가 협력하여 작용할 수도 있을 것이다. 최근에 stabilin-2와 αvβ3/5 integrin이 협력 하여 탐식작용을 더 효율적으로 매개한다는 사실이 밝혀졌다.
탐식세포가 사멸세포를 특이적으로 인식을 한 다음 단계는 engulfment이다. 세포가 세포를 잡아먹는 것인 만큼 탐식세포는 사멸세포를 둘러싸는 phagocytic cup이란 커다란 구조물을 만들어야 한다. 이를 위해 탐식세포는 세포내골격 구조의 큰 변화를 유도해야 하고 이런 변화를 유도하는 신호들은 PS와 직접 혹은 간접적으로 결합한 수용체로부터 시작하는 신호전달기전에서 나온다. 특히 세포내골격체의 형성에 중요한 small GTPase들의 역할을 조절하는 기전들이 중요하다. 지금까지 Rac1은 탐식작용을 잘하게 하는 기능을 하고 RhoA는 탐식기능을 억제하는 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 하지만 이들의 작용을 단순히 그 결과만 가지고 설명하기에는 phagocytic cup형성, phagosome형성, phagolysosome형성 등의 과정이 너무나 복잡하다. 이런 길고 복잡한 과정을 설명하기 위해서는 관련 인자들의 spatio-temporal dynamics를 연구할 수 있는 연구법이 개발되어야 한다. 분자들의 상호작용과 위치 그리고 활성을 실시간으로 이미징 할 수 있는 기법이 그 예가 될 것이다.
애기선충에서의 연구로부터 최근 포유동물세포에 이르기 까지의 일련의 연구결과에 기초하면 Rac중심의 신호전달체계는 2가지로 나눌 수 있다. 첫 번째 체계는 ced-1, ced-6 그리고 ced-7 (포유동물 세포의 상동체로서 각 각 MEGF10, engulfment adaptor protein GULP 그리고 ATP-binding cassette transporter protein (ABCA1)로 구성되어 있다. 두 번째 체계는 ced-2, ced-5, ced-10 그리 고 ced-12 이다. 각각 CrkII, Dock180, Rac1, ELMO가 포 유류의 해당되는 단백질이다. 하지만 아직 이 두 경로에서도 밝혀지지 않은 기전들이 많으며 두 경로간의 교차 조절기전에 대한 연구도 더 필요하다. 또한 여러 PS수용체로부터 시작하는 복잡하고 다양한 경로를 이 두 가지 경로로만 설명하기에는 아직 부족한 점이 많다.
사멸세포의 탐식과 질병
1) 염증 및 면역질환
사멸세포가 처리되지 않은 채로 남게 되면 결국 세포막은 깨어지고 세포내용물들이 유출되어 염증반응을 일으키고 세포내 항원과 DNA에 대한 면역 반응을 일으킨다. 이런 반응은 자가면역을 유도하여 전신성 루프스 홍반증(SLE)이나 류마티스성 관절염 등의 질환의 원인으로 작용할 수 있다.
실제로 PS를 인식하여 사멸세포를 제거하는 기능이 결손이 된 유전자 적중 마우스에서 자가 면역질환이 유도된다고 보고된 바가 있다.
2) 종양과 사멸세포 제거
탐식세포가 사멸세포를 탐식할 때 ‘eat-me’ 신호를 인식하여 탐식을 결정하지만 정상세포의 경우도 때로는 PS를 세포막 바깥으로 노출할 때가 있으며 또 다른 이유로 필요치 않은 탐식작용이 일어나는 원하지 않는 사고를 예방하기 위해서도 정상세포는 탐식작용으로부터 스스로를 보호할 장치가 필요하다. 이를 위해 정상세포는 소위 ‘don’t eat-me’ 신호를 가지고 있다. 이 중에서 가장 대표 적인 것이 CD47이다. 이 단백질은 모든 세포의 막에 존재하 여 탐식세포의 Sirp-alpha과 결합하여 탐식세포가 정상세포를 탐식하는 것을 억제한다.
최근 연구 결과에 의하면 많은 암세포들은 정상세포보다 많은 양의 CD47을 발현하고 있으며 그 결과 암세포들은 탐식으로부터 자유로워짐으로서 더욱 암의 성장에 도움을 준다고 한다. 이런 결과에 바탕을 두어 실제로 CD47의 단클론 항체를 이용하여 CD47을 억제 했을 때 현저히 암의 성장을 저해하는 효과들이 보고되었으 며 이를 기초로 임상시험을 진행 중이다.
3) 동맥경화증
탐식세포가 동맥경화증에 중요한 역할을 한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 탐식세포들은 여러 가지 scavenger receptor들을 가지고 있으며 이들이 LDL 등과 같은 물질들을 탐식하여 ‘foam cell’을 되고 결국에는 세포사멸의 과정을 겪게 된다. 동맥경화가 진행됨에 따라 사멸세포 수가 atherogenic plaque에서 증가하게 되고 이는 plaque 의 크기의 증가를 야기하여 혈관의 내경을 좁히게 되어 허혈, 심근경색 등을 유발할 수 있으며, plaque의 터짐으로 혈전증을 유발하게 된다. 따라서 사멸세포의 탐식작용을 조절하는 여러 인자들을 조절함으로써 동맥경화의 위험성을 낮추고자 하는 노력이 진행되고 있다.
4) 퇴행성 신경질환
세포사멸은 파킨슨씨병, 알츠하이머, 헌팅턴병 그리고 노화된 뇌에서 그 수가 현저히 증가되어 있다. 뇌에서는 microglia가 사멸세포의 탐식을 담당하는 일차적인 세포이다. 뇌에서 사멸세포의 탐식을 매개하는 기전으로는 MFG-E8의 탐식작용에 대해 비교적 잘 알려져 있다. 즉 이 인자는 microglia의 사멸뇌세포의 탐식을 현저히 증가시키는 작용이 있다. 또한 이 인자는 알츠하이머 환자에서 유의하게 그 수치가 떨어져 있다고 한다.
Abstract
Phagocytosis is an essential mechanism for clearance of pathogens, dying cells, and other unwanted debris in order to maintain tissue health in the body. Macrophages execute this process in the peripheral immune system but in the brain microglia act as resident macrophages to accomplish this function. In the peripheral immune system, macrophages secrete Milk Fat Globule Factor-E8 (MFG-E8) that recognizes phosphatidylserine “eat me” signals expressed on the surface of apoptotic cells. MFG-E8 then acts as a tether to attach the apoptotic cell to the macrophage and trigger a signaling cascade that stimulates the phagocyte development, allowing the macrophage to engulf the dying cell.
When this process becomes disrupted, inflammation and autoimmunity can result. MFG-E8 resides in the brain as well as in the periphery, and microglia express MFG-E8. However, the function of MFG-E8 in the brain has not been elucidated. We measured MFG-E8 production in the BV-2 microglial cell line and the role of this protein in the recognition and engulfment of apoptotic SY5Y neuroblastoma cells. BV-2 cells produced and released MFG-E8, which apoptotic SY5Y cells and the chemokine fractalkine further stimulated. Furthermore, MFG-E8 increased phagocytosis of apoptotic SY5Y cells, and a dominant negative form of MFG-E8 inhibited phagocytosis by BV-2 cells. Finally, brain MFG-E8 levels were altered in a mouse model of Alzheimer’s disease. Our data suggest that MFG-E8 acts in the brain via microglia to aid in clearance of apoptotic neurons, and we hypothesize that a dysregulation of this process may be involved in neurodegenerative disease.
죽어가는 뇌세포는 UDP나 CX3CL1과 같은 ‘find-me’ 신호를 보내어 microglia의 해당 수용체를 통해 chemotaxis를 유도하고 MFG-E8와 같은 탐식작용을 증가하는 물질의 합성을 증가시키기도 한다. 하지만 아직 뇌에서의 사멸세포탐식에 관한 연구는 더 많은 뇌특이적 인자들의 규명과 역할에 대한 규명을 필요로 한다.
사멸세포의 탐식은 단순히 죽어가는 세포를 제거하는 것이 아니라 염증반응의 억제, 대식세포의 기능 조절 및 자가 면역질환과의 관련성 등이 밝혀지면서 사멸세포의 탐식에 관여하는 여러 인자들이 많이 밝혀지고 있지만 이들 인자들 중에 인체질환에서 결정적인 역할을 하는 것이 규명된 것은 그리 흔하지 않다. MFG-E8이 동물실험에서 자가면역질환 과의 인과관계가 규명되어 있고 전신성홍반성낭창 환자에서 부적절한 유전자의 splicing이 보고된 바가 있는 정도이다. 그 외 ELMO, GULP, Mer kinase 등이 인체질환과 관련이 있음이 보고되어 있지만 탐식작용과의 관계하여 명확한 인과관계가 규명된 것은 아니다.
결론
사멸세포의 인식과 제거에 관련된 심층적인 연구가 많이 진행된 덕분에 중요한 수용체들과 인자들이 규명이 되었고 이들의 생리적 기능과 질병관의 연관성에 대한 연구들이 활발히 진행되어 지고 있다. 인체의 거의 모든 조직에서 세포의 사멸은 진행되고 있고 따라서 이들을 인식하여 제거하는 일은 매 순간 다양한 조직에서 일어나고 있다는 사실로 볼 때 사멸세포의 인식과 제거를 담당하는 기전들은 매우 복잡하고 다양할 것이라는 것은 쉽게 예측해 볼 수 있다. 하지만 모든 과학적 체계가 그러하듯이 이 과정에서도 앞서 언급한 바와 같이 몇 가지 뚜렷한 원칙은 있다. 그러므로 이러한 원칙에 기초하여 정상 생리적 과정을 잘 이해한다면 여러 질병에서 일어나는 병리적 현상들의 분자적 기전을 이해하고 이를 바탕으로 새로운 치료전략을 수립할 수 있을 것이다.
실제로 질병에서 관찰되는 제거되지 않은 사멸세포의 수적 증가가 이를 제거하는 시스템의 저하로 인한 것인지 아니면 사멸세포수의 절대적 증가로 인한 것인지 혹은 이 두 가지 모두 작동한 것인지, 또한 이런 것들이 질병의 발생과 진행과정에서 어떤 순서로 나타나는 것인지 혹은 동시에 나타나는 것인지 등등의 고려해야 할 것들이 많으며 이는 생각보다 훨씬 복잡한 양상을 보일 수 있을 것이다. 이러한 것들이 조직이나 각 질병의 상황에 따른 매우 다양한 형태를 보일 것이라는 것도 또한 어렵지 않게 예측해 볼 수 있다. 따라서 우리는 각 조직의 특성과 그 조직에서 일어나는 질병의 기전들을 잘 고려하여 사멸세포의 인식과 제거에 관여하는 기전을 개별적으로 이해해야 할 필요가 있으며 그에 따른 맞춤성격의 제어 전략을 수립해야 할 것이다. 앞서 언급한 바처럼 현재 가장 임상적으로 앞서가고 있는 분야는 암 분야이다. CD47 에 대한 단클론 항체는 암세포를 탐식하는 작용을 증가시켜 줌으로써 항암 효과를 보인다. 이처럼 사멸세포의 탐식과 관 련된 여러 질환에서 탐식작용을 증가시키는 치료 전략 또는 이를 개선한 복합적 전략이 가능할 것이다.