Re: 세포장례식(efferocytosis) 실패와 자가면역 질환.. 2018년

[문형철]

매일 2-3천억개의 세포 장례식이 잘 치러져야

우리 몸은 건강하다.

자가포식과

세포장례식 현상이 잘 유도될 때 질병은

병든세포(죽어서 제거되어야 할 세포)는 잘 제거되고

치유의 길로 간다

Int Immunol

. 2018 Aug 24;30(12):551–558. doi: 10.1093/intimm/dxy055

Efferocytosis and autoimmune disease

Mahiru Kawano 1,✉, Shigekazu Nagata 1,✉

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PMCID: PMC6234909  PMID: 30165442

Abstract

An enormous number of cells in the body die by apoptosis during development and under homeostasis. Apoptotic cells are swiftly engulfed by macrophages and digested into units. This removal of apoptotic cells is called ‘efferocytosis’. For efferocytosis, macrophages recognize phosphatidylserine (PtdSer) exposed on the cell surface as an ‘eat me’ signal. In healthy cells, PtdSer is exclusively localized to the inner leaflet of the plasma membrane by the action of flippases. When cells undergo apoptosis, caspase cleaves flippases to inactivate them, while it cleaves pro-scramblases to active scramblases, which quickly translocate PtdSer to the cell surface. The PtdSer is then recognized by PtdSer-binding proteins or by PtdSer receptors on macrophages, which subsequently engulf the apoptotic cells. When efferocytosis fails, apoptotic cells can rupture, releasing cellular materials that can evoke an autoimmune response. Thus, a defect in the PtdSer-exposing or PtdSer-recognizing processes triggers autoimmunity, leading to a systemic lupus erythematosus-type autoimmune disease.

초록

신체 내의 수많은 세포는

발달 과정과 항상성 유지 중에 아포토시스(apoptosis)를 통해 사멸합니다.

아폽토시스 세포는

대식세포에 의해 신속하게 포식되어 단위로 분해됩니다.

이러한 아폽토시스 세포의 제거를

‘세포장례식'이라고 합니다.

세포장례식에서 대식세포는

세포 표면에 노출된 포스파티딜세린(PtdSer)을 '먹어라’ 신호로 인식합니다.

건강한 세포에서는

플리파아제의 작용에 의해 PtdSer이 세포막의 안쪽 층에만 국한되어 있습니다.

세포가 아포토시스 과정을 거칠 때,

카스파제가 플리파제를 분해하여 비활성화시키고,

프로-스캄블라제를 분해하여 활성 스캄블라제로 전환합니다.

리피드 스크램블레이스는 세포막 인지질의 비대칭적인 분포를 조절하는 데 중요한 역할을 하는 효소.

이 효소는 평소에는 비활성 상태인 프로스크램블레이스 형태로 존재하다가,

세포 내 칼슘 이온 농도가 증가하면 활성 스크램블레이스로 전환.

활성화된 스크램블레이스는 인지질을 세포막의 양쪽 면으로 무작위로 이동시켜서 막의 유동성을 증가시키고,

세포 신호 전달이나 세포 사멸과 같은 다양한 생리적 과정에 관여

활성 스캄블라제는

PtdSer를 신속히 세포 표면으로 이동시킵니다.

PtdSer는

대식세포의 PtdSer 결합 단백질이나 PtdSer 수용체에 의해 인식되어,

이후 아포토시스 세포를 포식합니다.

세포장례식이 실패하면

세포 사멸 세포가 파열되어 자가 면역 반응을 유발할 수 있는 세포 물질이 방출될 수 있습니다.

따라서

PtdSer 노출 또는 PtdSer 인식 과정에 결함이 있으면

자가 면역이 유발되어 전신성 홍반성 루푸스형 자가 면역 질환이 발생합니다.

Keywords: apoptosis, macrophages, phosphatidylserine, scramblase, SLE

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Efferocytosis in homeostasis and autoimmunity

Introduction: phosphatidylserine as an ‘eat me’ signal for efferocytosis

Many excess cells are generated and die during animal development (1). Most cells in the body have a finite lifespan, and billions of senescent cells die every day to maintain homeostasis (2). This cell death occurs through apoptosis, in which a cascade of cysteine proteases called caspases is activated, eventually leading to the cleavage of >500 cellular substrates (3). Although a large number of cells undergo apoptosis, it is not easy to detect the dying cells in situ, because apoptotic cells are swiftly cleared by a process called ‘efferocytosis’, in which they are engulfed by macrophages (4). Macrophages do not engulf living cells, indicating that the apoptotic cells must express an ‘eat me’ signal(s) (5). Among numerous molecules proposed to be the ‘eat me’ signal, the strongest candidate is phosphatidylserine (PtdSer) (2, 6–8). Here we describe how PtdSer is exposed on the surface of apoptotic cells, and how it is recognized by macrophages for engulfment of dead cells. We then discuss the possibility that a failure in this process activates autoimmunity.

동물 발달 과정에서 많은 과잉 세포가 생성되고 죽습니다 (1).

신체 내 대부분의 세포는

유한한 수명을 가지고 있으며,

매일 수십억 개의 노화 세포가 죽어 항상성을 유지합니다 (2).

이 세포 사멸은 아포토시스 과정을 통해 발생하며,

시스테인 프로테아제인 카스파제가 활성화되어

최종적으로 500개 이상의 세포 내 기질을 분해합니다 (3).

cysteine proteases called caspases

많은 수의 세포가 세포 사멸을 겪지만,

세포 사멸 세포는 ‘세포장례식'이라는 과정을 통해

대식세포에 의해 빠르게 제거되기 때문에

그 자리에서 죽어가는 세포를 감지하기는 쉽지 않습니다 (4).

대식세포는 살아있는 세포를 포획하지 않으므로,

세포 사멸 세포는 '먹어라’ 신호를 발산해야 합니다 (5).

‘eat me’ 신호로 제안된 수많은 분자 중 가장 강력한 후보는

포스파티딜세린(PtdSer)입니다(2, 6–8).

본 연구에서는

PtdSer가 아포토시스 세포 표면에 노출되는 메커니즘과 대식세포가 이를 인식하여

죽은 세포를 포식하는 과정을 설명합니다.

이어 이 과정의 장애가

자가면역 반응을 활성화할 가능성을 논의합니다.

Phospholipid flippases and scramblases

PtdSer is a glycerophospholipid. All glycerophospholipids have two fatty acids and a phosphoric acid attached to a glycerol via an ester bond. A serine, choline or ethanolamine is joined to the phosphate to produce PtdSer, phosphatidylcholine (PtdCon) or phosphatidylethanolamine (PtdEtn), respectively. Phospholipids have amphiphilic characteristics (a hydrophobic tail consisting of fatty acids, and a hydrophilic head region containing phosphoric acid) and form the bilayer structure of the plasma membrane. Interestingly, these glycerophospholipids are asymmetrically distributed between the inner and outer leaflets of the plasma membrane, probably to maintain the membrane integrity and/or for signal transduction (9). PtdSer and PtdEtn are confined to the inner leaflet, whereas PtdCon is distributed at a ratio of 6:4 between the outer and inner leaflets. This asymmetrical distribution of PtdSer and PtdEtn is maintained by flippases that translocate them from the outer to inner leaflet in an ATP-dependent manner (9, 10). We recently reported that two ubiquitously expressed members of the P4-type ATPase family (ATP11A and ATP11C) serve as flippases at the plasma membrane (11, 12).

The middle of the ATP11A or ATP11C molecule contains two or three recognition sites for caspase 3, the most downstream caspase in the cascade, and these flippases are cleaved during apoptosis (11, 12) (Fig. 1). This cleavage inactivates the flippase activity, but it is not sufficient to expose PtdSer. This is because once the asymmetrical distribution of phospholipids is established, it is difficult and takes days to spontaneously break it, because the polar head group has to travel through the hydrophobic lipid layer to reach the outer leaflet (13). Therefore, to quickly expose PtdSer on the cell surface, phospholipid scramblases bidirectionally and non-specifically translocate phospholipids between the two leaflets of the plasma membrane (9).

인산지질 플리파제와 스크램블라제

PtdSer는

글리세로인산지질입니다.

모든 글리세로인산지질은

에스터 결합을 통해 글리세롤에

두 개의 지방산과 인산이 결합되어 있습니다.

인산에 세린, 콜린 또는 에탄올아민이 결합되어

각각 PtdSer, 인산콜린(PtdCon), 인산에탄올아민(PtdEtn)이 생성됩니다.

인산지질은

친수성 머리와 소수성 꼬리(지방산으로 구성)를 가진 양친매성 특성을 가지고 있으며,

세포막의 이중층 구조를 형성합니다.

흥미롭게도 이 글리세로인산지질은

세포막의 내측과 외측 층 사이에 비대칭적으로 분포되어 있으며,

이는 세포막의 안정성을 유지하거나

신호 전달을 위해 필요할 수 있습니다(9).

PtdSer와 PtdEtn은 내막에 국한되어 있으며,

PtdCon은 외막과 내막 사이에 6:4의 비율로 분포합니다.

PtdSer와 PtdEtn의 이 비대칭적 분포는

ATP 의존적 방식으로 외층에서 내층으로 이동시키는

플리파제(flippase)에 의해 유지됩니다(9, 10).

우리는 최근 P4형 ATPase 가족의 두 가지 보편적으로 발현되는

구성원(ATP11A와 ATP11C)이 세포막에서 플리파제로 기능한다는 것을

보고했습니다(11, 12).

ATP11A 또는 ATP11C 분자의 중간 부분에는

캐스파제 3(캐스파제 캐스케이드의 가장 하류 단계)의 두 개 또는 세 개의 인식 부위가 존재하며,

이 플립파제는 아포토시스 동안 분해됩니다(11, 12) (그림 1).

이 분해는 플립파제 활성을 비활성화하지만,

PtdSer를 노출시키기에는 충분하지 않습니다.

이는 불균형한 인산지질 분포가 일단 형성되면,

극성 머리 그룹이 친수성 지질 층을 통과하여 외막 층에 도달해야 하기 때문에

자연적으로 깨지기 어렵고 수일이 소요되기 때문입니다(13).

따라서

세포 표면에 PtdSer를 빠르게 노출시키기 위해,

인산지질 스크램블레이스는 세포막의 두 층 사이에서 인산지질을 양방향으로

비특이적으로 이동시킵니다 (9).

Fig. 1.

세포막은 인산지질의 비대칭 분포를 가진 지질 이중층입니다:

• 외막(외측): 주로 인산콜린(파란 머리, 짧은 파란 꼬리)과 스핑고마이린(파란 머리, 긴 파란 꼬리)을 포함합니다.
• 내막(내측): 주로 인산세린(주황색 머리, 짧은 주황색 꼬리)과 인산에탄올아민(주황색 머리, 긴 주황색 꼬리)을 포함합니다.

두 가지 상태를 자세히 살펴보겠습니다:

1. 살아있는 세포:

• Flippase (ATP11C): 이 단백질은 살아있는 세포에서 활성 상태입니다(“활성”과 녹색 화살표로 표시됨). ATP를 사용하여 PtdSer(및 포스파티딜에탄올아민)를 외층에서 내층으로 이동시킵니다. 이 작용은 세포막의 비대칭성을 유지하는 데 필수적이며, PtdSer가 주로 내측에 머물도록 합니다.
• Scramblase (Xkr8): 이 단백질은 살아있는 세포에서 비활성 상태입니다(비활성 표시). 지질을 적극적으로 이동시키지 않기 때문에 PtdSer는 내막에 제한됩니다.

2. 아포토시스 세포:

• Caspase 3: 아포토시스 세포의 변화를 주도하는 핵심 사건은 Caspase 3(번개 표시가 있는 노란색 상자)의 활성화입니다. Caspase 3는 아포토시스에서 중심적인 역할을 하는 프로테아제입니다.
• Flippase (ATP11C): 아포토시스 세포에서 Caspase 3는 Flippase (ATP11C)를 절단하고 비활성화합니다 (비활성 상태와 끊어진 녹색 화살표로 표시됨). Flippase가 비활성화되면 PtdSer는 더 이상 내측 층으로 적극적으로 펌핑될 수 없습니다.
• Scramblase (Xkr8): 동시에, Caspase 3는 Scramblase (Xkr8)를 분해하고 활성화합니다 (활성 상태와 실선 빨간색 화살표로 표시됨). 활성화된 Scramblase는 ATP 없이 인산지질을 막을 가로지르며 비특이적으로 “섞어” 이동시킵니다. 이는 농도 차이에 따라 내막에서 외막으로, 외막에서 내막으로 양방향으로 이동하는 것을 의미합니다.
• PtdSer 노출: 비활성 플립레이스와 활성 스크램블레이스의 결합된 효과로 인해 포스파티딜세린(PtdSer)이 사멸 세포막의 외막에 노출됩니다(위쪽 주황색 화살표로 표시됨).

PtdSer 노출의 의미: 사멸 중인 세포 표면에 PtdSer가 노출되는 것은 중요한 ‘먹어라’ 신호입니다. 이 신호는 대식세포(예: 대식세포)에 의해 인식되어 죽어가는 세포를 삼키고 제거함으로써 염증을 방지하고 조직의 균형을 유지합니다.

Figure - PMC

Flippase- and scramblase-mediated regulation of apoptotic PtdSer exposure.

ATP11A and ATP11C are ubiquitously expressed P4-type ATPases that contain 10 transmembrane regions. In living cells, these proteins actively translocate PtdSer from the outer to the inner leaflets, maintaining the asymmetrical distribution of PtdSer. When cells undergo apoptosis, caspase 3 cleaves ATP11A and ATP11C, and irreversibly inactivates them. Simultaneously, caspase 3 cleaves Xkr8 and activates it. Active Xkr8 seems to provide a path for phospholipids to translocate the hydrophobic layers, causing the rapid and irreversible PtdSer exposure in apoptotic cells. Blue, PtdCon and sphingomyelin; red, PtdSer and PtdEtn.

플립레이스와 스크램블레이스에 의한 아포토시스 PtdSer 노출 조절.

ATP11A와 ATP11C는 10개의 막을 관통하는 영역을 가진 P4형 ATP아제이며,

살아있는 세포에서 PtdSer를 외막에서 내막으로 적극적으로 이동시켜

PtdSer의 비대칭 분포를 유지합니다.

세포가 아포토시스 과정을 거칠 때,

카스파제 3은 ATP11A와 ATP11C를 절단하여 영구적으로 비활성화합니다.

동시에 카스파제 3은

Xkr8을 절단하고 활성화합니다.

활성화된 Xkr8은 인산지질이 친수성 층으로 이동하는 경로를 제공하여

사멸 세포에서 PtdSer의 급속하고 영구적인 노출을 유발합니다.

파란색, PtdCon 및 스핑고마이신; 빨간색, PtdSer 및 PtdEtn.

There are two types of scramblases: Ca2+-dependent and caspase-dependent (14, 15). The scramblase responsible for the apoptotic PtdSer exposure is a caspase-dependent scramblase of the XK-related (XKR) family. Three members of the Xkr protein family (Xkr4, Xkr8 and Xkr9) have been identified as caspase-dependent phospholipid scramblases (14, 16). These are membrane proteins carrying 10 transmembrane segments, and contain a caspase-recognition site at their C-terminus. Whereas Xkr8 is ubiquitously expressed, Xkr4 and Xkr9 are expressed tissue-specifically, mainly in the nervous system and intestines, respectively. Xkr8 forms a complex with basigin (BSG) or neuroplastin (NPTN), which functions as a chaperone to translocate Xkr8 from the endoplasmic reticulum to the plasma membrane (17). To gain scramblase activity, Xkr8 is cleaved by caspase 3 (Fig. 1) and the Xkr8–BSG or Xkr8–NPTN complex then forms a higher-order complex that is active.

PtdSer exposed by the activated scramblase alone does not function as an ‘eat me’ signal (18). Either the exposed PtdSer under these conditions returns quickly to the inner leaflet because of flippase activity or it has a reduced ability to bind the PtdSer receptor on macrophages. However, as mentioned above, the ATP11A and ATP11C flippases are inactivated by caspase during apoptosis. In this case, once PtdSer is exposed to the cell surface by the Xkr8 scramblase, it cannot be returned to the inner leaflet, and serves as the ‘eat me’ signal. PtdSer is exposed not only on apoptotic cells, but also on activated platelets and lymphocytes (10). In addition, some tumor cells constitutively expose PtdSer (19). These PtdSer-exposing live cells are not engulfed by macrophages, probably because the flippase is still active in them.

스캄블레이스는 두 가지 유형으로 나뉩니다:

Ca2+ 의존형과 카스파제 의존형 (14, 15).

아포토시스성 PtdSer 노출을 유발하는 스캄블레이스는

XK 관련 (XKR) 가족에 속하는 카스파제 의존형 스캄블레이스입니다.

Xkr 단백질 가족의 세 가지 구성원(Xkr4, Xkr8 및 Xkr9)이

caspase 의존성 인산지질 스크램블라스로 확인되었습니다(14, 16).

이들은

10개의 막을 관통하는 세그먼트를 가진 막 단백질로,

C-말단에 caspase 인식 부위를 포함합니다.

Xkr8은 광범위하게 발현되지만,

Xkr4와 Xkr9는 조직 특이적으로 발현되며

각각 주로 신경계와 장에서 주로 발현됩니다.

Xkr8은 바지긴(BSG) 또는 신경플라스틴(NPTN)과 복합체를 형성하며,

이는 Xkr8을 내소체에서 세포막으로 이동시키는

분자 샤페론 역할을 합니다(17).

스크램블레이스 활성을 획득하기 위해 Xkr8은

카스파제 3에 의해 절단되며(그림 1),

Xkr8–BSG 또는 Xkr8–NPTN 복합체는

활성 상태의 고차 복합체를 형성합니다.

활성화된 스크램블레이즈에 의해 노출된 PtdSer는

단독으로 ‘먹어라’ 신호로 기능하지 않습니다(18).

이러한 조건 하에서 노출된 PtdSer는

플리파제 활성으로 인해 내막으로 빠르게 돌아가거나,

대식세포의 PtdSer 수용체와의 결합 능력이 감소합니다.

그러나 위에서 언급된 대로,

ATP11A 및 ATP11C 플리파제는

아포토시스 동안 카스파제에 의해 비활성화됩니다.

이 경우

Xkr8 스크램블레이즈에 의해 세포 표면에 노출된 PtdSer는

내막으로 돌아갈 수 없으며 ‘먹어라’ 신호로 기능합니다.

PtdSer는

아포토시스 세포뿐만 아니라 활성화된 혈소판과 림프구에서도 노출됩니다(10).

또한 일부 종양 세포는 PtdSer를 지속적으로 노출합니다(19).

이러한 PtdSer를 노출한 살아있는 세포는

플리파제가 여전히 활성 상태이기 때문에 대식세포에 포식되지 않습니다.

PtdSer-binding proteins and signal transducers for efferocytosis

Macrophages express soluble PtdSer-binding proteins or membrane-bound PtdSer receptors. In addition, there are serum PtdSer-binding proteins. Macrophages use these PtdSer-binding molecules to trap apoptotic cells and to execute the efferocytosis.

Protein S (ProS) and growth-arrest-specific 6 (Gas6) are serum proteins that share 40% identity in their amino acid sequences and have similar structural motifs (20). They specifically bind PtdSer at a Gla (gamma-carboxy glutamic acid) domain with similar affinities (21). Milk fat globule EGF factor 8 (MFG-E8) was originally discovered on the surface of milk fat globules in mammary glands and was later found to be secreted from certain macrophages and immature dendritic cells (22). MFG-E8 binds PtdSer at a Factor VIII homologous region with an affinity 5–10 times that of ProS/Gas6 (23). T-cell immunoglobulin and mucin domain-containing molecule 4 (Tim4) and its homologue Tim1 are type I transmembrane proteins expressed by resident macrophages and injured kidney, respectively (24, 25). These molecules bind PtdSer at an immunoglobulin (Ig) domain (24) with the same affinity as MFG-E8 does. Thus, there are at least three classes of proteins (Gas6/ProS; Tim1/Tim4; and MFG-E8) that use different motifs to bind PtdSer.

세포장례식을 위한 PtdSer 결합 단백질 및 신호 전달 물질

대식세포는

용해성 PtdSer 결합 단백질 또는 막 결합 PtdSer 수용체를 발현합니다.

또한, 혈청 PtdSer 결합 단백질도 있습니다.

대식세포는

이러한 PtdSer 결합 분자를 사용하여 세포 사멸을 일으킨 세포를 포획하고

세포장례식을 실행합니다.

단백질 S (ProS)와 성장 정지 특이적 6 (Gas6)은

아미노산 서열이 40% 동일하고

유사한 구조 모티프를 가진 혈청 단백질입니다 (20).

이들은 유사한 친화력으로

Gla (감마-카르복시 글루타민산) 도메인에서

PtdSer에 특이적으로 결합합니다 (21).

유방선 유지방 글로불 EGF 인자 8(MFG-E8)은

유방선의 유지방 글로불 표면에서 처음 발견되었으며,

이후 특정 대식세포와 미성숙 ден드리틱 세포에서 분비되는 것으로 밝혀졌습니다(22).

MFG-E8은

Factor VIII 유사 영역에서 PtdSer에 결합하며,

ProS/Gas6보다 5~10배 높은 친화성을 보입니다(23).

T 세포 면역글로불린 및 뮤신 도메인 함유 분자 4(Tim4)와 그 동형체 Tim1은

각각 거주성 대식세포와 손상된 신장에서 발현되는

유형 I 막 관통 단백질입니다(24, 25).

이 분자들은 MFG-E8과 동일한 친화력으로 면역글로불린(Ig) 도메인에서 PtdSer에 결합합니다(24).

따라서

PtdSer에 결합하기 위해 서로 다른 모티프를 사용하는 적어도

세 가지 단백질 클래스(Gas6/ProS; Tim1/Tim4; 및 MFG-E8)가 존재합니다.

The soluble proteins such as ProS/Gas6 and MFG-E8 cannot support efferocytosis by themselves. Even Tim4, a type I membrane protein, cannot support efferocytosis, because its cytoplasmic region is apparently too short (40 amino acids) to mediate the signals for efferocytosis (26). ProS and Ga6 preferentially bind to one of the TAM (Tyro3, Axl and MerTK) receptors (27–29), which have tyrosine kinase activity, whereas MFG-E8 binds to the αvβ3/5-integrin complex to transduce the signal (23). Macrophages express at least one of the TAM receptors (Axl or MerTK; or both in most cases) as well as the αvβ3-integrins. Thus, ProS/Gas6 and MFG-E8 can act as a bridge between PtdSer-exposing apoptotic cells and macrophages.

Tim4 is expressed on the resident macrophages in various tissues, including Kupffer cells, skin macrophages and marginal zone macrophages in the spleen (27, 30). Since Tim4’s affinity for PtdSer is 4–8 times that of ProS/Gas6, it seems likely that apoptotic cells are first recruited to macrophages (‘tethering’) via Tim4 and then passed to the Gas6/ProS–TAM system for engulfment (‘tickling’), at least in resident macrophages (Fig. 2). Tingible-body macrophages reside in the germinal centers of the spleen and lymph nodes, and have a strong capacity to engulf apoptotic cells, particularly activated B cells undergoing apoptosis. These macrophages express MerTK, MFG-E8, Tim4 (30–32) and probably integrin-αvβ3. However, how these molecules collaborate to elicit efferocytosis is still unclear.

ProS/Gas6 및 MFG-E8과 같은 용해성 단백질은

자체적으로 세포장례식을 지원할 수 없습니다.

제 1형 막 단백질인 Tim4조차도

세포장례식을 지원할 수 없습니다.

그 이유는 세포장례식 신호를 매개하기에는

세포질 영역이 너무 짧기 때문입니다 (40 아미노산) (26).

ProS와 Ga6는

티로신 키나아제 활성을 가진 TAM 수용체(Tyro3, Axl 및 MerTK) 중 하나에 선택적으로 결합하며(27–29),

반면 MFG-E8은 αvβ3/5-integrin 복합체에 결합하여 신호를 전달합니다(23).

대식세포는

TAM 수용체(Axl 또는 MerTK; 대부분의 경우 둘 다) 중 적어도 하나와 αvβ3-integrin을 발현합니다.

따라서

ProS/Gas6와 MFG-E8은 PtdSer를 노출하는

사멸 세포와 대식세포 사이의 다리 역할을 할 수 있습니다.

Tim4는

쿠프퍼 세포, 피부 대식세포 및 비장 주변 구역 대식세포를 포함한

다양한 조직의 거주성 대식세포에 발현됩니다(27, 30).

Tim4의 PtdSer에 대한 친화력은

ProS/Gas6의 4~8배로,

사멸 세포가 먼저 Tim4를 통해 대식세포로 모집되거나 결합(‘tethering’)된 후

Gas6/ProS–TAM 시스템으로 전달되어 포식(‘tickling’)되는 과정이

발생할 가능성이 높습니다.

이는 특히 거주성 대식세포에서 관찰됩니다(Fig. 2).

Tingible-body 대식세포는

비장과 림프절의 생식 센터에 존재하며,

세포 사멸을 겪고 있는 활성화된 B 세포를 비롯한 세포 사멸 세포를 포획하는

강력한 능력을 가지고 있습니다.

이 대식세포는

MerTK, MFG-E8, Tim4 (30–32) 및 아마도 integrin-αvβ3를 발현합니다.

그러나

이러한 분자들이 어떻게 협력하여 세포장례식을 유도하는지는

아직 명확하지 않습니다.

Fig. 2.

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Tethering and tickling processes in efferocytosis. In a set of resident macrophages, PtdSer-exposing apoptotic cells at first bind to Tim4 on the macrophages (the ‘tethering’ process). Captured apoptotic cells then bind to a TAM tyrosine kinase receptor (e.g. MerTK) with the help of ProS or Gas6. This induces phosphorylation of the TAM receptor and promotes efferocytosis by activating Rac1 (the ‘tickling’ process). In other types of macrophages and immature dendritic cells such as tingible-body macrophages and skin Langerhans cells, a secreted protein MFG-E8 functions as a bridge between PtdSer on apoptotic cells and integrins on macrophages for efferocytosis.

세포장례식에서 Tethering and tickling processes

일련의 상주 대식세포에서,

PtdSer를 노출한 세포 사멸 세포는

먼저 대식세포의 Tim4에 결합합니다(‘테더링’ 과정).

그런 다음 포획된 세포 사멸 세포는

ProS 또는 Gas6의 도움으로

TAM 티로신 키나아제 수용체(예: MerTK)에 결합합니다.

이는 TAM 수용체의 인산화를 유도하고 Rac1을 활성화하여

세포장례식을 촉진합니다(‘간지럼’ 과정).

다른 유형의 대식세포와 팅기블 바디 대식세포 및 피부 랑게르한스 세포와 같은 미성숙 수지상 세포에서는,

분비 단백질 MFG-E8이 세포장례식을 위해

세포 사멸 세포의 PtdSer와 대식세포의 인테그린 사이의 다리 역할을 합니다.

Signal transduction for efferocytosis

As found in the phagocytosis of bacteria, actin on macrophages polymerizes during efferocytosis, forming actin patches that establish phagocytic cups (33). Apoptotic cells then sink into the macrophage via the phagocytic cups and are transported to lysosomes (34). These processes are accompanied by the activation and inactivation of Rho family proteins such as Rac1 (Fig. 2). Classical experiments in Caenorhabditis elegans showed that Rac1 and several of its associated molecules have roles in efferocytosis and these molecules were genetically characterized (35, 36). These include CED7 (ABC transporter), CED2 (Crk), CED5 (DOCK2) and CED10 (Rac1). However, how these molecules are activated by apoptotic cells during efferocytosis is not well understood. TAM-family receptor kinases and integrin-αvβ3, which are essential signal transducers for efferocytosis, activate a variety of signaling pathways (Src, Akt, NF-κB, JAK, Fak and others) (37, 38). However, how the activation of these molecules is integrated to form the phagocytic cup for efferocytosis remains a challenging research topic.

TAM receptor-mediated efferocytosis is known to stimulate the production of anti-inflammatory cytokines such as IL-10 and TGFβ by macrophages (5, 39). In addition, TAM receptors broadly inhibit toll-like receptor (TLR)-signaling cascades and the interferon receptor (IFNR)-signaling cascades (40), damping the inflammatory response. Thus, efferocytosis has been characterized as an anti-inflammatory process.

세포장례식을 위한 신호 전달

박테리아의 식균 작용에서 볼 수 있듯이,

대식세포의 액틴은 세포장례식 동안 중합하여 식세포 컵을 형성하는 액틴 패치를 형성합니다 (33).

그런 다음 세포 사멸 세포는 식세포 컵을 통해

대식세포로 침투하여 리소좀으로 운반됩니다 (34).

이러한 과정은

Rac1과 같은 Rho 가족 단백질의 활성화 및 비활성화와 함께 진행됩니다 (그림 2).

Caenorhabditis elegans에 대한 고전적인 실험을 통해

Rac1과 여러 관련 분자가 세포장례식에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌으며,

이러한 분자들은 유전적으로 특성화되었습니다 (35, 36).

여기에는 CED7 (ABC 수송체), CED2 (Crk), CED5 (DOCK2) 및 CED10 (Rac1)이 포함됩니다.

그러나 이러한 분자들이 세포장례식 동안 세포사멸 세포에 의해 어떻게 활성화되는지는 아직 명확하게 밝혀지지 않았습니다.

세포장례식에 필수적인 신호 전달 물질인

TAM 가족 수용체 키나아제 및 인테그린-αvβ3는 다양한 신호 전달 경로(Src, Akt, NF-κB, JAK, Fak 등)를

활성화합니다 (37, 38).

그러나

이러한 분자의 활성화가 어떻게 통합되어 세포장례식을 위한 식세포 컵을 형성하는지는

여전히 어려운 연구 주제입니다.

TAM 수용체 매개 세포장례식은

대식세포에 의해 IL-10 및 TGFβ와 같은 항염증성 사이토카인의 생성을 자극하는 것으로 알려져 있습니다 (5, 39).

또한, TAM 수용체는

톨-유사 수용체 (TLR) 신호 전달 계통과 인터페론 수용체 (IFNR) 신호 전달 계통을 광범위하게 억제하여 (40)

염증 반응을 약화시킵니다.

따라서

세포장례식은 항염증 과정으로 특징지을 수 있습니다.

Defective apoptotic-cell clearance in autoimmune disease

PtdSer is exposed on the surface of apoptotic cells when their plasma membrane is apparently intact. Therefore, when the PtdSer-exposing apoptotic cells are engulfed by phagocytes, intracellular materials are not released from the dead cells. On the other hand, when apoptotic cells are not promptly engulfed by macrophages, they undergo secondary necrosis, in which the plasma membrane ruptures, releasing intracellular components (41). The released cellular materials act as ‘damage-associated molecular patterns’ (DAMPs) to stimulate inflammatory and immunogenic reactions, which are likely to trigger an autoimmune response (Fig. 3).

자가면역질환에서 결함적인 세포사멸 세포의 제거

PtdSer는

세포막이 명백하게 손상되지 않은 상태에서 세포사멸 세포의 표면에 노출됩니다.

따라서

PtdSer가 노출된 세포사멸 세포가 식세포에 포식되면,

죽은 세포에서 세포 내 물질이 방출되지 않습니다.

반면, 사멸 세포가 대식세포에 의해 신속히 포식되지 않을 경우,

세포막이 파열되는 2차 괴사를 겪으며 세포 내 성분이 방출됩니다 (41).

방출된 세포 성분은 ‘손상 관련 분자 패턴’(DAMPs)로 작용하여

염증 및 면역 반응을 자극하며,

이는 자가면역 반응을 유발할 가능성이 있습니다 (그림 3).

Fig. 3.

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Defects in efferocytosis and immunogenic response.

Macrophages recognize PtdSer exposed on apoptotic cells, promptly engulf them (efferocytosis) and produce anti-inflammatory molecules (left) in normal conditions. Efferocytosis is thus anti-inflammatory. A deficiency of the Xkr8-scramblase causes delayed PtdSer exposure in apoptotic cells, leading to inefficient efferocytosis. A defect in the PtdSer-recognition system (Tim4, MFG-E8 and TAM receptor kinases) (right) also impairs efferocytosis. When the efferocytosis is impaired, dead cells undergo secondary necrosis and release DAMPs to stimulate inflammatory reactions.

세포장례식 및 면역원성 반응의 결함.

정상적인 조건에서 대식세포는

세포사멸 세포에 노출된 PtdSer를 인식하고,

이를 신속하게 포식(세포장례식)하고 항염증 분자를 생성합니다(왼쪽).

따라서

세포장례식은 항염증 작용을 합니다.

Xkr8-scramblase의 결핍은

세포 사멸 세포에서 PtdSer의 노출을 지연시켜

세포장례식을 비효율적으로 만듭니다.

PtdSer 인식 시스템 (Tim4, MFG-E8 및 TAM 수용체 키나아제)의 결함 (오른쪽)도

세포장례식을 방해합니다.

세포장례식이 방해되면 죽은 세포는

2차 괴사를 겪고

DAMPs를 방출하여 염증 반응을 자극합니다.

Systemic lupus erythematosus (SLE) is an autoimmune disease that affects multiple organs, such as the skin, kidney, lungs and nervous system (42). Patients with SLE carry auto-antibodies against cellular components such as nuclei [anti-nuclear antibodies (ANA)], DNA [anti-double-stranded DNA (dsDNA) or anti-single-stranded DNA (ssDNA) antibodies] and phospholipids (anti-phospholipid antibodies). SLE can be triggered by intrinsic or environmental stimuli (43). One of these intrinsic factors is excessive apoptosis, followed by the exposure of self-antigens released from cells that have undergone secondary necrosis (44, 45). Various lines of evidence indicate that apoptotic-cell clearance is defective in SLE patients (43). For example, monocyte-derived macrophages from SLE patients have a reduced capacity to carry out efferocytosis (46). In addition, apoptotic cells are reported to accumulate in the lymph-node germinal centers (47), bone marrow (48) and UV-irradiated epidermis of SLE patients (49).

전신성 홍반성 루푸스(SLE)는

피부, 신장, 폐, 신경계 등 다중 장기를 침범하는 자가면역 질환입니다(42).

SLE 환자는

세포 구성 요소인 핵[항핵 항체(ANA)], DNA[항이중가닥 DNA(dsDNA) 또는

항단일가닥 DNA(ssDNA) 항체] 및 인산지질(항인산지질 항체)에 대한

자가항체를 가지고 있습니다.

SLE는 내인성 또는 환경적 자극에 의해 유발될 수 있습니다(43).

이러한 내인성 요인 중 하나는 과도한 세포 사멸로,

그 후 2차 괴사를 겪은 세포에서 방출된 자가 항원이 노출됩니다 (44, 45).

다양한 증거에 따르면

SLE 환자에서는 세포 사멸 세포의 제거에 장애가 있는 것으로 보입니다 (43).

예를 들어,

SLE 환자의 단핵구 유래 대식세포는

세포장례식 (effector cell)을 수행하는 능력이 저하되어 있습니다 (46).

또한, 세포 사멸 세포는

SLE 환자의 림프절 생식 센터 (47), 골수 (48) 및 자외선에 노출된 표피 (49)에

축적되는 것으로 보고되었습니다.

Knocking out genes in mice that are essential for apoptotic-cell recognition causes defective efferocytosis and induces SLE-type autoimmune diseases. Abnormalities of molecules involved in efferocytosis have also been found in human SLE patients. Thus, SLE can now be discussed in molecular terms. As described above, MFG-E8 is a bridging molecule between apoptotic cells and macrophages. A lack or excess of MFG-E8 blocks efferocytosis in vitro (50). Accordingly, mice lacking MFG-E8 accumulate apoptotic B cells in the germinal centers and develop a lupus-like autoimmune disease (31). Administering recombinant MFG-E8 induces a similar autoimmune disease in mice (51), and a high level of MFG-E8 is found in the serum of human SLE patients (50, 52).

Similarly, Mertk-deficient mice, in which efferocytosis by macrophages is significantly delayed, develop high levels of auto-antibodies in the serum (53–55). A triple mutation in all TAM receptors (Tyro3, Axl and MerTK) exaggerates the autoimmune phenotype, with respect to the titer of auto-antibodies, number of activated lymphocytes and severity of arthritis (56). In addition, the extracellular region of TAM receptors can be shed by metalloproteinases and these soluble forms can inhibit efferocytosis by trapping ProS/Gas6 (57). A high level of the shed extracellular region of TAM receptors (soluble MerTK, Axl and Tyro3) is detected in the serum of human SLE patients (58, 59).

A similar story may apply to Tim4. T and B cells are hyper-activated in Tim4-deficient mice and these mice develop auto-antibodies to dsDNA (60). Dual targeting of both the Tim4 and Mfge8 genes augments the autoimmune phenotype (61). Tim4 and Tim1 can be cleaved by metalloproteinase and the shed soluble region can bind PtdSer (62), suggesting that the soluble form of Tim4 may also trigger SLE.

세포 사멸 세포를 인식하는 데 필수적인 유전자를

쥐에서 제거하면 세포장례식이 결함으로 인해

SLE 유형의 자가 면역 질환이 유발됩니다.

세포장례식에 관여하는 분자의 이상도

인간 SLE 환자에서 발견되었습니다.

따라서

SLE는 이제 분자적 측면에서 논의될 수 있게 되었습니다.

위에서 설명한 바와 같이,

MFG-E8은 세포 사멸 세포와 대식세포를 연결하는 다리 역할을 하는 분자입니다.

MFG-E8이 부족하거나 과다하면 시험관 내에서

세포장례식이 차단됩니다 (50).

이에 따라 MFG-E8이 결핍된 쥐는

생식 중심에 사멸한 B 세포가 축적되고

루푸스 유사 자가면역 질환을 발병합니다(31).

재조합 MFG-E8을 투여하면 쥐에서 유사한 자가면역 질환이 유발되며(51),

인간 SLE 환자의 혈청에서 MFG-E8 수치가 높게 관찰됩니다(50, 52).

마찬가지로, 대식세포에 의한 세포장례식이 현저히 지연되는 Mertk 결핍 마우스에서는 혈청에 높은 수준의 자가 항체가 발생합니다 (53-55). 모든 TAM 수용체 (Tyro3, Axl 및 MerTK)에 3중 돌연변이가 발생하면 자가 항체의 역가, 활성화된 림프구의 수 및 관절염의 중증도 측면에서 자가 면역 표현형이 과장됩니다 (56). 또한, TAM 수용체의 세포외 영역은 메탈로프로테이나제에 의해 분비될 수 있으며, 이러한 용해성 형태는 ProS/Gas6을 포획하여 세포장례식을 억제할 수 있습니다 (57). TAM 수용체의 분비된 세포외 영역 (용해성 MerTK, Axl 및 Tyro3)이 높은 수준으로 인간 SLE 환자의 혈청에서 검출됩니다 (58, 59).

Tim4에 대한 유사한 메커니즘이 적용될 수 있습니다. Tim4 결핍 마우스에서 T 및 B 세포가 과활성화되며, 이 마우스는 dsDNA에 대한 자가항체를 생성합니다(60). Tim4와 Mfge8 유전자의 이중 표적화는 자가면역 증상을 강화합니다(61). Tim4와 Tim1은 금속단백분해효소에 의해 분해될 수 있으며, 분비된 용해성 영역은 PtdSer에 결합할 수 있습니다(62), 이는 Tim4의 용해성 형태가 SLE를 유발할 수 있음을 시사합니다.

Lupus-like autoimmune disease in Xkr8-deficient mice

As discussed above, defects in the PtdSer-recognition or efferocytosis system can trigger autoimmunity. It is possible that a defect in the PtdSer-exposing system has a similar effect. In fact, we recently found that mice that are defective in exposing PtdSer on apoptotic cells develop an SLE-type autoimmune disease (63).

Among the three Xkr members (Xkr4, Xkr8 and Xkr9) with apoptotic scramblase activity, mouse hematopoietic cells express only Xkr8. Notably, the thymocytes, splenocytes and neutrophils from Xkr8−/− mice show significantly delayed apoptotic PtdSer exposure and retarded PtdSer-dependent efferocytosis (63). These results confirmed that the Xkr8-mediated PtdSer exposure in apoptotic cells is essential for efficient efferocytosis by primary hematopoietic cells. Accordingly, Xkr8-deficient mice carry an increased number of TUNEL-positive (i.e. apoptotic) cells in the thymus at a young age (5 weeks old), and this phenotype is further pronounced by inducing apoptosis of the thymocytes with dexamethasone. Neutrophils have a short lifespan in the periphery (<10 h) and senescent neutrophils travel to the bone marrow, spleen or liver to be cleared by macrophages. Senescent neutrophils accumulate in the spleen of Xkr8-deficient mice (63), indicating that the caspase pathway leading to PtdSer exposure is required for the clearance of senescent neutrophils.

Xkr8-deficient mice do not develop a lupus-like phenotype in the C57BL/6 background. However, Xkr8-null female mice in the MRL background produce a large quantity of ANA and anti-dsDNA antibodies, and develop glomerulonephritis with a substantial deposition of immune complexes at the glomeruli (63).

Xkr8 결핍 마우스에서의 루푸스 유사 자가면역 질환

위에서 설명한 바와 같이, PtdSer 인식 또는 세포장례식 시스템의 결함은 자가 면역을 유발할 수 있습니다. PtdSer 노출 시스템의 결함도 유사한 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 실제로, 최근에 우리는 세포 사멸 세포에서 PtdSer 노출에 결함이 있는 마우스가 SLE 유형의 자가 면역 질환을 발병한다는 사실을 발견했습니다 (63).

세포사멸 스크램블라제 활성을 가진 세 가지 Xkr 멤버(Xkr4, Xkr8 및 Xkr9) 중, 마우스 조혈 세포는 Xkr8만을 발현합니다. 특히, Xkr8−/− 마우스의 흉선 세포, 비장 세포 및 호중구에서는 세포사멸에 따른 PtdSer 노출이 현저히 지연되고 PtdSer에 의존적인 세포장례식이 지연되는 것이 관찰되었습니다 (63). 이러한 결과는 세포 사멸 세포에서 Xkr8에 의해 매개되는 PtdSer 노출이 1차 조혈 세포에 의한 효율적인 세포장례식에 필수적이라는 것을 확인했습니다. 이에 따라, Xkr8 결핍 마우스는 어린 나이(5주령)에 흉선에서 TUNEL 양성(즉, 세포 사멸) 세포의 수가 증가하며, 이 표현형은 덱사메타손으로 흉선 세포의 세포 사멸을 유도하면 더욱 뚜렷해집니다. 중성구는 말초에서 짧은 수명(<10시간)을 가지며, 노화된 중성구는 골수, 비장 또는 간으로 이동하여 대식세포에 의해 제거됩니다. Xkr8 결핍 마우스의 비장에서는 노화된 중성구가 축적됩니다(63), 이는 PtdSer 노출로 이어지는 카스파제 경로가 노화된 중성구의 제거에 필수적임을 나타냅니다.

Xkr8 결핍 마우스는 C57BL/6 배지에서 루푸스 유사 형질을 발현하지 않습니다. 그러나 MRL 배지에서 Xkr8 결핍 암컷 마우스는 대량의 ANA 및 anti-dsDNA 항체를 생성하며, 신장 사구체에 면역 복합체 침착이 현저히 증가한 사구체신염을 발병합니다 (63).

Compensatory mechanisms that block autoimmune disease

As discussed above, when apoptotic cells are not swiftly engulfed, they undergo secondary necrosis and release DAMPs to activate the immune system. However, DAMPs released from the secondary necrotic cells alone are not sufficient for SLE development (44). The SLE phenotype in efferocytosis-defective murine models strongly depends on the mouse strain. Mice deficient in MFG-E8, Xkr8 or TAM receptors develop an autoimmune disease in a 129/B6 mixed or MRL background, but not in the C57BL/6 background (31, 63). There appear to be two mechanisms—the C1q-mediated clearance of dead cell components and the degradation of DAMP-type DNA by DNase—to prevent the development of autoimmunity (Fig. 4).

자가면역 질환을 차단하는 보상 메커니즘

위에서 설명한 바와 같이, 세포 사멸이 신속하게 진행되지 않으면, 세포는 2차 괴사를 겪고 DAMP를 방출하여 면역 체계를 활성화합니다. 그러나 2차 괴사 세포에서 방출된 DAMP만으로는 SLE가 발병하기에는 충분하지 않습니다 (44). 세포장례식 결함이 있는 쥐 모델에서 나타나는 SLE 표현형은 쥐의 품종에 따라 크게 달라집니다. MFG-E8, Xkr8 또는 TAM 수용체가 결핍된 마우스는 129/B6 혼합 또는 MRL 배지에서 자가면역 질환을 발병하지만, C57BL/6 배지에서는 발병하지 않습니다(31, 63). 자가면역 질환의 발병을 방지하는 두 가지 메커니즘이 존재하는 것으로 보입니다—C1q에 의한 사체 성분 제거와 DNase에 의한 DAMP형 DNA 분해(그림 4).

Fig. 4.

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Compensatory mechanisms for clearing dead cell components. Macrophages recognize PtdSer on apoptotic cells as an ‘eat me’ signal, and swiftly engulf them (efferocytosis). When apoptotic cells are not swiftly engulfed by efferocytosis, they can be engulfed by macrophages via the C1q receptor (C1qR) or Fc receptors (FcRs) at the late stage of apoptosis. Dead cells that escape from this engulfment then undergo necrosis and release various cellular contents through their ruptured plasma membrane. Chromosomal DNA released from the necrotic cells can be digested by DNase1 and DNase1L3, and the cellular remnants can be engulfed by phagocytes via scavenger receptors. If DNA is not efficiently cleaved by these DNases, DNA may aggregate the cellular debris to form strong antigens and/or stimulate macrophages or dendritic cells and trigger innate immunity via TLRs.

사멸 세포 성분을 제거하기 위한 보상 메커니즘.

대식세포는

세포 사멸 세포에 있는 PtdSer를 ‘먹어라’ 신호로 인식하고

신속하게 포식합니다 (세포장례식).

세포 사멸 세포가 세포장례식에 의해 신속하게 포식되지 않으면,

세포 사멸의 말기에 C1q 수용체 (C1qR) 또는 Fc 수용체 (FcRs)를 통해

대식세포에 의해 포식될 수 있습니다.

이 포식에서 탈출한 사체 세포는

괴사를 겪고 파열된 세포막을 통해 다양한 세포 내 성분을 방출합니다.

괴사 세포에서 방출된 염색체 DNA는 DNase1과 DNase1L3에 의해 분해될 수 있으며,

세포 잔여물은 scavenger 수용체를 통해 식세포에 의해 포식될 수 있습니다.

만약 DNA가 이러한 DNases에 의해 효율적으로 분해되지 않으면,

DNA는 세포 잔여물과 결합하여 강력한 항원을 형성하거나

대식세포 또는 ден드리틱 세포를 자극하여 TLRs를 통해

선천 면역 반응을 유발할 수 있습니다.

Although C1q, the first component of complement, was first reported to bind apoptotic cells and promote efferocytosis (64), recent reports indicate that it binds to cells at a late stage of apoptosis in a serum factor-dependent manner, suggesting that it is a back-up system for removing necrotic cells or DAMPs (65, 66). In addition, cellular components can be engulfed by phagocytes via scavenger receptors without inducing inflammation (67, 68). Patients with a C1q deficiency are rare, but they have the highest (>90%) preval‎ence of SLE (69). Furthermore, a C1q polymorphism that causes low serum C1q is associated with SLE (70). C1q-deficient mice carry excess apoptotic bodies in the glomerulus and develop a lupus-like phenotype (71). The disease severity in C1q−/− mice also largely depends on the genetic background: C1q−/− C57BL/6 mice exhibit no sign of autoimmune disease, whereas C1q deficiency in a 129 × C57BL/6 hybrid or MRL background induces an early onset and accelerated autoimmune disease (71, 72).

The recognition of nucleic acids is a mechanism for triggering an immune reaction (73). Many DNA sensors recognize not only pathological non-self DNA but also self DNA (74). Both chromosomal DNA and mitochondrial DNA can be released from cells that undergo secondary necrosis. Activated neutrophils also release DNA as ‘neutrophil extracellular traps’ (NETs) (75). Extracellular DNA is usually digested by the serum endonucleases DNase1 and DNase1-like 3 (DNase1L3, also called DNase γ). The DNase activities of these enzymes have similar biochemical characteristics except that DNase1 preferentially digests naked DNA, whereas DNase1L3 cleaves DNA that is associated with proteins (chromatin DNA or DNA in microparticles) (76, 77). Thus, when chromatin is released from dying necrotic cells, or released as microparticles from apoptotic cells, DNase1L3 is the major DNase that digests the DNA. DNase1 can cleave chromatin DNA only after the associated proteins have been degraded by proteases (77, 78).

A loss-of-function mutation of DNase1 is associated with SLE in humans and mice (79, 80). In particular, the loss of DNase1 activity in the kidney appears to contribute to glomerulonephritis in the (NZB × NZW)F1 mouse (81). Similarly, loss-of-function mutations of the DNase1L3 gene cause SLE in humans and mice (77, 82). Notably, the mouse MRL strain, in which a deficiency of Xkr8, MerTK or C1q induces the SLE phenotype, carries a missense mutation in the gene encoding DNase1L3 that reduces its ability to digest chromatin DNA (83). These results suggest that a deficiency in DNase1 or DNase1L3 increases the susceptibility of humans and mice to SLE.

보체 시스템의 첫 번째 구성 요소인 C1q는 처음에는 세포 사멸을 유도하고 세포장례식을 촉진하는 것으로 보고되었지만 (64), 최근의 보고에 따르면 C1q는 혈청 인자에 의존하여 세포 사멸의 말기에 세포에 결합하여 괴사 세포 또는 DAMP를 제거하는 보조 시스템의 역할을 하는 것으로 보입니다 (65, 66). 또한 세포 성분은 염증을 유발하지 않고 scavenger 수용체를 통해 식세포에 의해 포식될 수 있습니다(67, 68). C1q 결핍 환자는 드물지만, SLE의 가장 높은 유병률(>90%)을 보입니다(69). 또한, 혈청 C1q 수치를 낮추는 C1q 다형체는 SLE와 연관되어 있습니다(70). C1q 결핍 마우스는 신장 사구체에 과도한 아포토시스 체를 가지고 있으며 루푸스 유사 증상을 나타냅니다(71). C1q−/− 마우스의 질병 중증도는 유전적 배경에 크게 의존합니다: C1q−/− C57BL/6 마우스는 자가면역 질환의 증상을 보이지 않지만, 129 × C57BL/6 하이브리드 또는 MRL 배경에서 C1q 결핍은 조기 발병 및 가속화된 자가면역 질환을 유발합니다(71, 72).

핵산 인식은 면역 반응을 유발하는 메커니즘입니다(73). 많은 DNA 센서는 병리적 비자신 DNA뿐만 아니라 자신 DNA도 인식합니다(74). 염색체 DNA와 미토콘드리아 DNA는 2차 괴사를 겪는 세포에서 방출될 수 있습니다. 활성화된 중성구는 ‘중성구 세포외 트랩’(NETs)로 DNA를 방출합니다(75). 세포외 DNA는 혈청 내핵산분해효소 DNase1과 DNase1 유사 3(DNase1L3, DNase γ로도 불림)에 의해 주로 분해됩니다. 이 효소들의 DNase 활성은 생화학적 특성이 유사하지만, DNase1은 노출된 DNA를 선호적으로 분해하는 반면, DNase1L3은 단백질과 결합된 DNA(크로마틴 DNA 또는 미세입자 내 DNA)를 절단합니다(76, 77). 따라서, 죽어가는 괴사 세포에서 염색질이 방출되거나, 사멸 세포에서 미세입자로 방출될 때, DNase1L3가 DNA를 분해하는 주요 DNase입니다. DNase1은 연관된 단백질이 프로테아제에 의해 분해된 후에만 염색질 DNA를 절단할 수 있습니다 (77, 78).

DNase1의 기능 상실 돌연변이는 인간과 쥐에서 SLE와 연관되어 있습니다(79, 80). 특히, 신장에서 DNase1 활성의 상실은 (NZB × NZW)F1 쥐에서 신장염에 기여하는 것으로 보입니다(81). 마찬가지로, DNase1L3 유전자의 기능 상실 돌연변이는 인간과 쥐에서 SLE를 유발합니다(77, 82). 특히, Xkr8, MerTK 또는 C1q의 결핍이 SLE 표현형을 유도하는 마우스 MRL 균주는 DNase1L3를 암호화하는 유전자에 미스센스 돌연변이를 가지고 있어 염색질 DNA를 분해하는 능력이 저하됩니다 (83). 이러한 결과는 DNase1 또는 DNase1L3의 결핍이 인간과 쥐의 SLE 발병 가능성을 높인다는 것을 시사합니다.

Conclusions

Every day in our body, billions of cells undergo apoptosis and are swiftly removed by macrophages. This prompt clearance of apoptotic cells is essential to prevent the release of immunogenic materials from dying cells and thus the development of an autoimmune response. Current human data suggest that the accumulation of apoptotic cells owing to inefficient clearance is a causative event for SLE (43). Murine models with defective efferocytosis, such as MFG-E8-, Tim4-, TAM- or Xkr8-deficient mice, exhibit lupus-like phenotypes, supporting this hypothesis (31, 53–55, 60, 61, 63). Backup systems (complement or scavenger receptor systems) also exist to remove necrotic cells.

In addition, we now know that the accumulation of apoptotic cells, followed by the release of DAMPs from the necrotic cells alone is not sufficient to induce autoimmunity. Two DNases (DNase1 and DNase1L3) help to prevent the SLE phenotype by digesting the DNA released from dead cells. It should be noted that another DNase (DNase II) is involved in the digestion of the DNA of dying cells in lysosomes. A deficiency of DNase II causes the production of type I interferons and TNFα, and induces severe anemia and polyarthritis in mice and humans (84–86), confirm‎ing that the clearance of dead cell components, DNA in particular, is essential to maintain homeostasis in humans.

결론

우리 몸에서는 매일 수십억 개의 세포가 아포토시스(apoptosis)를 겪고 대식세포에 의해 신속히 제거됩니다. 이 아포토시스 세포의 신속한 제거는 죽어가는 세포로부터 면역원성 물질의 방출을 방지하고 따라서 자가면역 반응의 발현을 막는 데 필수적입니다. 현재 인간 데이터는 아포토시스 세포의 축적이 효율적인 제거 부족으로 인해 SLE의 원인적 사건임을 시사합니다(43). MFG-E8, Tim4, TAM 또는 Xkr8 결핍 마우스와 같은 세포장례식 결함이 있는 쥐 모델은 루푸스 유사 표현형을 보이며, 이 가설을 뒷받침합니다 (31, 53–55, 60, 61, 63). 괴사 세포를 제거하기 위한 백업 시스템 (보체 또는 스캐빈저 수용체 시스템)도 존재합니다.

또한, 사멸 세포의 축적 후 사멸 세포에서 방출되는 DAMPs alone은 자가면역 반응을 유발하기에 충분하지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 두 가지 DNase(DNase1 및 DNase1L3)는 사멸 세포에서 방출된 DNA를 분해함으로써 SLE 표현형을 예방합니다. 주목할 점은 다른 DNase(DNase II)가 리소좀 내 사멸 중인 세포의 DNA 분해에 관여한다는 것입니다. DNase II 결핍은 유형 I 인터페론과 TNFα의 생산을 유발하며, 쥐와 인간에서 심각한 빈혈과 다발성 관절염을 유발합니다(84–86), 이는 인간에서 죽은 세포 성분, 특히 DNA의 제거가 항상성 유지에 필수적임을 확인합니다.

Funding

The work in our laboratory was supported in part by a Grant-in-Aid for Scientific Research (S) from the Japan Society for the Promotion of Science (15H05785); and a Grant-in-Aid from Core Research for Evolutional Science and Technology, the Japan Science and Technology Agency (JPMJCR14M4).

Acknowledgements

We thank Ms M. Fujii for secretarial assistance.

Conflicts of interest statement: The authors declared no conflicts of interest.

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