van Driel IR, Baxter AG, Laurie KL, Zwar TD, La Gruta NL, Judd LM, Scarff KL, Silveira PA, Gleeson PA.
Autoimmun Rev. 2002 Oct;1(5):290-7.
오래전 발표된 논문이지만, AIG의 기전을 설명할 때 자주 인용되는 논문으로 읽어 보도록 하겠습니다.
1. Autoimmune gastritis and specificity of path ogenic T cells
실험적 자가면역성 위염(Experimental autoimmune gastritis, EAG) 은 유전적으로 감수성이 있는 생쥐 계통(genetically susceptible strains of mice) 에서 여러 가지 조작을 통해 유도될 수 있다. 그 대표적인 방법으로는 신생아 흉선절제술(neonatal thymectomy, NTx) [1–3] 와 정제된 위 H⁺/K⁺ ATPase로의 면역화(immunisation with purified gastric H⁺/K⁺ ATPase) [4] 가 있다. 특히 NTx 는 실험적으로 자가면역성 위염을 유도하기 위한 가장 유용한 방법(method of choice) 으로 여러 가지 중요한 장점을 가진다. 첫째, 이 방법은 표적 항원(target antigen) 자체가 아닌 면역체계(immune system) 를 변형시킨다는 점에서 의미가 있다. 둘째, 외부 염증 유발제(adjuvant) 의 투여 없이도 자가면역 반응(autoimmunity)이 자연적으로 시작된다는 점이다. 셋째, 자가반응성 T 세포(autoreactive T cells) 가 내인성 위 자가항원(endogenous gastric antigens) 에 의해 활성화된다는 점에서 생리적 모델에 가깝다. BALB/c 생쥐에서 NTx를 시행하면 일시적인 림프구감소증(lymphopenia) 이 발생하고, 그 후 말초 T 세포 풀(peripheral T cell pool) 의 보상적 증식(compensatory proliferation)이 일어난다. 이 과정은 결과적으로 제한된 T 세포 레퍼토리(limited T cell repertoire) 를 형성하게 되며 [5],
그 결과 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 이 발생한다.
자가면역성 위염(autoimmune gastritis)은 Th1형 염증반응(Th1-inflammatory response) 의 전형적인 특징을 보인다. 질환의 초기 병변(early lesion) 은 CD4⁺ T 세포와 대식세포(macrophage) 가 위 점막(gastric mucosa)으로 침윤(influx) 하는 것으로 특징지어진다 [3]. 림프구가 위 점막으로 이동(homing)하기 위해서는 α4β7 인테그린(α4β7 integrin) 과 MAdCAM-1 (mucosal addressin cell adhesion molecule-1) 간의 상호작용이 필수적이다 [6]. 또한 인터페론 감마(IFN-γ) 는 질병의 병인(pathogenesis) 초기 단계에서 매우 중요한 역할을 하며 [7], 이 IFN-γ의 주요 생산세포는 NK 세포나 대식세포가 아닌, T 세포인 것으로 밝혀졌다 [8]. T 세포 아형(subset)에 대한 체세포이식(adoptive transfer) 및 체내 고갈(in vivo depletion) 연구 결과, 위 점막 병변의 발생은 CD8⁺ T 세포가 아닌 CD4⁺ T 세포에 의해 매개(mediated) 됨이 입증되었다 [3].
현재까지의 연구 결과는 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 이 위의 H⁺/K⁺ ATPase에 대한 병원성 CD4⁺ T 세포 반응(pathogenic CD4⁺ T-cell response) 에 의해 유발된다는 점을 매우 명확히 보여준다. H⁺/K⁺ ATPase는 벽세포(parietal cell) 의 세포막에 풍부하게 존재하는 이종이합체막단백질(heterodimeric membrane protein) 이다. 특히, H⁺/K⁺ ATPase의 β-소단위(H⁺/K⁺ ATPase β-subunit, H/Kβ) 에 대한 T 세포 반응이 자가면역성 위염의 발병 개시(initiation) 에 필수적이다. 흉선에서 H/Kβ를 발현하도록 만든 형질전환 생쥐(transgenic mice) 는,
신생아기 흉선절제술(neonatal thymectomy) [9],
생쥐 위 H⁺/K⁺ ATPase로 면역화(immunisation) [10],
성체 흉선절제술(adult thymectomy)과 사이클로포스파마이드 병용치료(cyclophosphamide treatment) [11]
등의 조작 후에도 자가면역성 위염을 발병하지 않았다.
반면, 흉선에서 H⁺/K⁺ ATPase α-소단위(H/Kα) 를 발현시킨 경우에는 자가면역 반응의 발생을 막지 못했다 [10].
그럼에도 불구하고, 자가면역성 위염이 완전히 발달한 생쥐(fully developed gastritis) 에서는 H/Kα 특이적 T 세포(H/Kα-specific T cells) 가 검출되었으며 [12], 이들에 대한 면역반응이 질병의 진행(disease progression) 에 기여할 수 있는 것으로 간주되고 있다.
H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 의 주요 위염유발 항원결정기(dominant gastritogenic epitope) 는 H-2 대립유전자를 가진 생쥐에서 아미노산 253–277번 잔기 구간(H/Kβ₂₅₃–₂₇₇) 으로 규명되었다 [13]. 이 H/Kβ₂₅₃–₂₇₇ 특이적 T세포수용체(TCR)를 발현하는 형질전환 생쥐(TCR transgenic mice) 가 제작되었으며, 그 중 약 20%의 개체에서 자발적으로(automatically) 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 이 발생하였다. 이 결과는 H/Kβ₂₅₃–₂₇₇ 특이적 T 세포가 생체 내(in vivo) 에서 병원성(pathogenic) 잠재력을 지닌다는 사실을 명확히 입증한 것이다 [14].
2. Immunopathology of autoimmune disease is due to a block in cell development pathways of the gastric mucosa.
자가면역성 위염(autoimmune gastritis)이 발생한 인간과 동물의 위 점막 병변은, 단순히 자가면역 반응의 표적세포인 벽세포(parietal cell)의 소실(depletion) 만으로 설명될 수 없을 만큼 복잡하다. 생쥐 모델과 인간 질환의 초기 단계에서 공통적으로 관찰되는 소견은, 위 점막의 비후(hypertrophy) 와 함께 또 다른 주요 세포 유형인 주세포(zymogenic cell, 혹은 chief cell) 의 감소이다. 최근 우리는 생쥐 자가면역성 위염 모델에서 병변의 세포생리학적 특성(cellular physiology) 을 분석하여, 이러한 조직 표현형(phenotype) 의 세포학적 기반(cellular basis)을 규명하고자 하였다 [15]. 그림 1(Fig. 1) 은 정상적인 위 점막의 세포 발달 경로(normal developmental pathways) 를 보여준다.
Fig. 1. Disruption of developmental pathways of the gastric mucosa in autoimmune gastritis. The developmental pathways of the normal gastric mucosa (upper panel) and the gastric mucosa of NTx mice with autoimmune gastritis (lower panel). In the lower panel, an expansion of the cell population compared with normal gastric mucosa is indicated by large blue boxes, whereas a reduction in cell population is indicated by the small red boxes. Blocks in the developmental pathway are indicated by crosses.
위선(gastric unit)의 세포들은 지속적으로 교체(turnover)되며, 성숙한 상피세포(mature epithelial cells) 는 미분화 줄기세포(undifferentiated stem cell) 로부터 일련의 정의된 세포 중간 단계(well-defined cellular intermediates) 를 거쳐 분화한다. 우리가 발견한 바에 따르면, 자가면역성 위염에서는 이러한 정상적인 점막 발달 경로가 붕괴(disrupted) 되어 있었다(Fig. 1). 위선의 세포 과다(hypercellularity) 는 주로 미성숙 세포(immature cell) 의 세포분열 속도의 현저한 증가(increased rate of cell division) 와 그로 인한 세포의 축적(accumulation) 에 의해 나타나는 것으로 보였다. 또한, 점액 분비 피트세포(mucus-secreting pit cell) 및 그 전구세포의 수도 다소 증가하였다. 반면, 벽세포(parietal cell) 와 펩시노겐을 생성하는 주세포(zyomogenic cell) 로의 분화 경로는 심각하게 손상(severely compromised)되어 있었다 [15]. 이러한 관찰 결과는, 주세포 자체에 대한 면역반응이 없음에도 불구하고
이 세포의 결핍이 나타나는 이유를 잘 설명해 준다.
비슷하지만 완전히 동일하지는 않은 조직 표현형(phenotype) 들이, 위 점막(gastric mucosa) 에서 특정 유전자들이 비활성화(inactivated) 되거나 비정상적으로 발현(aberrantly expressed) 된 여러 생쥐 모델에서도 관찰된 바 있다(이에 대한 논의는 [15] 참고). 따라서, 위 점막을 구성하는 세포들과 분자들 사이에는 매우 복잡한 상호작용(complex interplay) 이 존재하며, 이 균형이 방해(interference)받게 되면 정상적인 세포 항상성 기전(cellular homeostatic mechanisms) 에 이상이 발생(aberrations) 하게 된다.
3. Promiscuous thymic expression of gastric autoantigens
H⁺/K⁺ ATPase α-소단위(H/Kα) 의 흉선 내 발현(thymic expression) 은 RT–PCR 분석을 통해 확인되었다 [10]. 반면, H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 전사체(transcript)는 전체 흉선 RNA에서는 검출되지 않았으나 [10], 독일 암연구센터(German Cancer Research Centre) 의 B. Kyewski 박사는 최근 흉선 수질 상피세포(thymic medullary epithelial cells) 에서 H/Kβ 발현을 추가로 확인하였다(개인 통신, personal communication).
Kyewski와 연구진은 흉선 수질 상피세포가 다양한 조직 특이적 항원(tissue-specific antigens) 을 발현하는 독특한 세포 유형(unique cell type)임을 보고한 바 있다 [16]. 이는 특히, 자가면역 조절인자(AutoImmune REgulator, AIRE) 유전자가 이 세포에서만(exclusively) 발현된다는 점을 고려할 때 매우 흥미로운 발견이다. 또한 AIRE 유전자 변이(mutations) 는 여러 자가면역질환(autoimmune diseases) 과 관련되어 있음이 알려져 있다 [17].
한편, 흉선 내에서의 H/Kα 발현 수준은 H/Kβ보다 훨씬 높으며, 이에 반해 말초(periphery) 에서 발견되는 H/Kα 특이적 T 세포(H/Kα-specific T cells) 의 병원성(pathogenicity) 은 H/Kβ 특이적 T 세포(H/Kβ-specific T cells) 보다 상당히 낮다. 그러나 아직까지는, 위 자가항원의 흉선 내 비특이적(promiscuous) 발현이 생물학적으로 의미 있는 현상인지, 그리고 이것이 말초에서의 H/Kα-특이적 T 세포와 H/Kβ-특이적 T 세포 간 병원성의 차이를 설명할 수 있는지 여부는 아직 확립되지 않았다.
4. Autoimmune gastritis has played a pivotal role in defining the characteristics of CD4+CD25+ regulatory T cells
최근 들어 면역조절성 또는 억제성 T 세포(immunoregulatory or suppressor T cells) 에 대한 관심이 다시 높아지고 있다. 이는 주로 이러한 세포들을 더 신뢰성 있게 식별하고 분리할 수 있는 표지자(markers) 들이 확립되었기 때문이다. 대표적인 예로 IL-2 수용체 α-사슬(IL-2 receptor α chain, CD25) 이 있다 [18]. 신생아 흉선절제(neonatal thymectomy, NTx) 로 유도된 자가면역질환 모델에 대한 연구를 통해, 생쥐에서 대부분의 CD4⁺CD25⁺ T 세포가 면역조절 T 세포(immunoregulatory T cells) 로 작용함이 밝혀졌다 [18]. 체세포이식(adoptive transfer) 실험에서는 다음이 명확히 입증되었다.
CD4⁺CD25⁻ T 세포는 자가면역성 위염(gastritis) 이나 췌도염(insulitis) 과 같은 자가면역질환을 유발할 수 있으며,
반대로 CD4⁺CD25⁺ T 세포는 이러한 병원성 T 세포들의 활성을 억제(suppress) 할 수 있다 [19].
CD4⁺CD25⁺ T 세포는 흉선(thymus) 에서 발생하지만 [20], 이들의 발생 경로(developmental pathway) 와 선택 과정(selection events) 은 아직 완전히 규명되지 않았다. CD4⁺CD25⁺ T 세포의 억제 기능(suppressive activity) 은 다음의 실험적 근거에 의해 확립되었다. In vitro(시험관 내) 실험에서 이들은 CD4⁺ 또는 CD8⁺ T 세포의 반응을 억제할 수 있으며, 이 억제 기능은 CD4⁺CD25⁺ T 세포의 TCR이 자극(stimulation) 을 받아야만 발현된다. 흥미롭게도, 억제하는 세포(suppressor cell) 와 억제받는 세포(target cell) 가 반드시 같은 항원을 인식할 필요는 없다 [19].
CD4⁺CD25⁺ T 세포가 면역억제를 매개하는 기전(mechanism of suppression) 은 아직 명확히 규명되지 않았다. 초기의 in vitro(시험관 내) 연구에서는, T 세포와 항원제시세포(APC) 간의 세포 간 접촉(cell contact) 이 억제 작용에 필요하며, CD4⁺CD25⁺ T 세포가 IL-2의 생산을 억제함으로써 작용한다는 사실이 보고되었다. 최근 연구에 따르면, CD4⁺CD25⁺ T 세포는 CTLA-4 (cytotoxic T-lymphocyte–associated antigen 4) 를 지속적으로 발현(constitutively express) 하는데, 이는 이 세포들의 특징적 표지(unique characteristic) 이며, CTLA-4 신호전달(signaling via CTLA-4) 이 그들의 기능에 필수적인 역할을 한다. 실제로 항-CTLA-4 항체(anti-CTLA-4 antibody) 는 CD4⁺CD25⁺ T 세포의 억제 능력을 차단하여, 대장염(colitis) 을 억제하지 못하게 하거나 [21], 정상 어린 생쥐(young normal mice) 에서 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 을 유도하는 것으로 나타났다 [22]. 최근 제시된 몇몇 모델에서는, 염증 상태(inflammatory conditions), 예를 들어 병원체 감염이나 보조제(adjuvant) 자극 시에 CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cell) 의 억제 기능이 저해(suppressed) 된다고 제안한다 [23]. 이는 아마도 세포막 수용체(cell surface receptor) Tnfrsf18 (GITR) 의 결합(engagement)에 의해 매개되는 것으로 보인다 [24]. 또한 여러 연구들은, 조절 T 세포의 생성(generation) 혹은 생존(survival) 에는 말초조직(peripheral tissues) 내의 자가항원(autoantigen) 이 필요하다고 제시하였다. 예를 들어, 갑상선을 제거(thyroidectomy) 하면, 갑상선 자가면역 반응(thyroid autoimmunity) 을 억제하던 조절 T 세포가 소실(loss of Tregs) 되는 것으로 나타났다 [25]. 그러나 해당 연구에서 사용된 조절세포의 공급원(source)은 분리되지 않은(unfractionated) CD4⁺ T 세포였기 때문에, 이 결과는 말초 관용(peripheral tolerance)의 결핍으로 인해 병원성(anti-thyroid) CD4⁺ T 세포가 포함되어 있었을 가능성 등 다른 해석도 가능하다.
또한, 세 개의 독립된 연구 중 두 연구(two of three independent studies) 에서는, 내인성 난소 항원(endogenous ovarian antigens) 이 조절 T 세포(regulatory T cells) 의 지속(persistence) 에 필요하다는 사실이 보고되었다 [26]. 반면, 또 다른 연구에서는 MHC class II가 결여된(periphery devoid of MHC class II) 환경에서도 조절 T 세포가 말초(periphery) 에서 유지(maintained) 될 수 있음을 보여주었다 [27].
이처럼 이 분야는 여전히 논쟁적(controversial) 이며, CD4⁺CD25⁺ T 세포의 항원 특이성(antigen specificity) 과 그들의 말초 생존(peripheral survival) 에 필요한 인자들을 명확히 규명하기 위해서는 추가 연구가 필요하다. 자가면역성 위염(autoimmune gastritis)을 억제하는 CD4⁺CD25⁺ T 세포의 항원 특이성을 규명하기 위한 하나의 잠재적으로 유용한 접근법은, 유전적으로 조작된 생쥐 모델(genetically manipulated mouse lines) 에서
‘조절 활성(regulatory activity)’을 분석하는 것이다. 특히, 연구진이 새롭게 제작한 형질전환(transgenic) 생쥐 계통 중에는 성숙한 위 상피세포(mature gastric epithelial cells) 가 결여되어 있어, 이 생쥐의 위(stomach)에서는 다양한 위 항원(gastric antigens) 이 결핍되어 있다 [28]. 이러한 모델은 조절 T 세포의 항원 특이성과 기능을 탐구하는 데 매우 유용한 도구가 될 것으로 기대된다.
5. Generation and analysis of gastric autoanti gen-deficient mice to define the roles of the H/K ATPase subunits in disease initiation and progression
자가항원 결핍 생쥐(autoantigen-deficient mice) 는 면역학적 관용(immunological tolerance) 의 기전을 규명하는 데 매우 유용한 모델로 사용되어 왔다. 이에 따라 연구진은 위 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 유전자에 결손(null mutation) 을 가진 생쥐를 제작하였다. 이 H/Kβ 결핍(H/Kβ-deficient, H/Kβ⁰/⁰) 생쥐는 H/Kβ 유전자의 제1 엑손(first exon) 내 세 번째 코돈(third codon) 이후에 돌연변이를 가지고 있으며 [29], 그 결과 T 세포 항원결정기(T-cell epitope) 로 작용할 수 있는 어떤 펩타이드도 합성하지 못한다. 이 생쥐들은 건강하며, 정상적인 성장속도(normal growth rate) 와 번식능(reproductive capacity) 을 보인다. 그러나 H/Kβ가 위산 분비(gastric acid production)에 필수적인 단백질이므로, 이 생쥐들의 위 내 환경은 중성 pH를 나타낸다. 최근의 미발표 자료(unpublished data)에 따르면, 신생아기 흉선절제술(neonatal thymectomy) 후 H/Kβ 결핍 생쥐에서는 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 이 전혀 발생하지 않았으며 (0/14), 반면 H/Kβ를 발현하는 생쥐(H/Kβ-expressing mice) 에서는 그 발생률이 61% 에 달하였다 (S. Barrett, K. Scarff, P.A. Gleeson, and I.R. van Driel, 미발표 자료). 이 결과는 H/Kβ가 자가면역성 위염의 발병 개시(initiation) 에 핵심적인 역할을 함을 명확히 입증한다.
또한 최근에는 H⁺/K⁺ ATPase α-소단위(H/Kα) 가 결핍된 생쥐 역시 확립되었다 [30]. 예상대로, 이 생쥐의 벽세포(parietal cell) 는 H/Kβ 단백질을 발현하고 있다. 이 모델을 통해 향후 H/Kα가 질병의 발병(initiation) 및 진행(progression) 에서 수행하는 역할을 직접적으로 검증할 수 있을 것이다.
6. Use of autoantigen-deficient mice to define the mechanisms of tolerance to the gastric autoantigens in normal mice. Thymic vs. peripheral tolerance
진정한 장기 특이적 자가항원(bona fide organ-specific autoantigen) 에 대한 T 세포 관용(T-cell tolerance) 의 기전은 여전히 대부분 밝혀지지 않았다. 특히, 갑상선염(thyroiditis), 당뇨병(diabetes), 위염(gastritis) 등과 같은 위-내분비(gastric–endocrine) 관련 자가면역질환의 발생에 중요한 자가항원들에 대해서는 더욱 그렇다.
정상 BALB/c 생쥐의 말초(periphery) 에도 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 특이적 T 세포(H/Kβ-specific T cells) 가 존재함이 확인되었다 [10,13]. 그러나 정상 생쥐의 이러한 H/Kβ 특이적 T 세포들은 친화도(affinity) 가 낮은 것으로 나타났으며 [13,31], 이는 정상 개체의 항-H/Kβ T 세포 레퍼토리(anti-H/Kβ repertoire) 가 부분적 관용(partial tolerance) 을 거쳤음을 시사한다. 이러한 점을 확인하기 위해, 연구진은 H/Kβ를 발현하는 생쥐(H/Kβ-expressing mice) 의 T 세포가 완전한 H/Kβ 반응성 레퍼토리(full H/Kβ-reactive repertoire) 를 대표하는지, 혹은 항원 특이적 관용유도(antigen-specific tolerance induction) 를 받은 후 잔존하는 일부 T 세포들(residual T-cell population) 인지를 규명하고자, H/Kβ 결핍 생쥐(H/Kβ-deficient mice) 와 H/Kβ 발현 생쥐(BALB/c wild-type mice) 의 T 세포 반응을 비교하였다 [32].
이 연구의 결론은, 생쥐의 야생형 Atp4b 유전자(wild-type Atp4b gene) 가 발현하는 내인성 H/Kβ(endogenous H/Kβ) 가 병원성 잠재력을 가진 H/Kβ 특이적 T 세포의 발달을 제한(limit) 하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것이다. 특히, H⁺/K⁺ ATPase의 주요 위염유발 항원결정기(major gastritogenic epitope) 인 H/Kβ₂₅₃–₂₇₇ 펩타이드에 대한 면역반응은, H/Kβ 결핍 생쥐에서 야생형 생쥐보다 약 2.5배 높게 증가되어 있었다.
더욱 중요한 점은, 이러한 H/Kβ 특이적 반응의 증가가 자가면역성과 직접적으로 연관되어 있음이 밝혀졌다는 것이다. 즉, H/Kβ 결핍 생쥐의 비분리 비장세포(unfractionated splenocytes) 는 H/Kβ 발현 생쥐의 세포와 달리, 누드 BALB/c 생쥐(nude BALB/c mice) 로의 체세포이식(adoptive transfer) 후 직접적으로 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 을 유도하였다 [32].
또한, H/Kβ 결핍 생쥐에서 관찰된 이러한 증강된 H/Kβ 반응(enhanced H/Kβ responses) 은 CD4⁺CD25⁻ T 세포의 내재적 특성(intrinsic property) 에 기인한 것으로 밝혀졌으며, CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cells) 의 기능 변화 때문은 아니었다.
따라서, 이러한 일련의 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다. 정상적이고 건강한 생쥐의 H/Kβ 특이적 T 세포는, 이미 부분적 관용 유도(partial tolerance induction) 를 거친 T 세포 레퍼토리의 잔존물(residue) 을 대표한다는 것이다.
내인성 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 단백질은 이 위 자가항원(gastric autoantigen) 에 특이적인 T 세포 레퍼토리(T-cell repertoire) 를 어떻게 형성할까? 야생형 생쥐(wild-type mice)와 H/Kβ 결핍 생쥐(H/Kβ-deficient mice) 모두가 H/Kβ의 단일 면역우성 항원결정기(single immunodominant determinant) 에 반응한다는 점을 고려할 때, 가능한 설명 중 하나는, 내인성 관용(tolerance) 이 H/Kβ₂₅₃–₂₇₇ 펩타이드에 대한 고친화도(high-avidity) T 세포의 제거(removal) 를 통해 유도된다는 것이다.
H/Kβ에 대한 관용은 흉선(thymus) 내에서 일어날 수 있으며, 이는 흉선 수질(thymic medulla) 에서의 H/Kβ 발현(expression) 의 결과일 가능성이 있다. 또는, 고친화도 H/Kβ 특이적 T 세포에 대한 관용이 말초(periphery) 에서 유도될 수도 있는데, 이 경우는 위의 국소 림프절(local draining lymph node of the stomach) 에 존재하는 미성숙 수지상세포(immature dendritic cells) 가 정상적인 벽세포(parietal cell) 의 세포 회전(turnover) 과정에서 방출된 위 H/Kβ 항원결정기(epitope) 를 제시함으로써 일어날 수 있다. 미성숙 수지상세포에 의한 항원제시는 면역활성화 신호(activation signals) 가 아니라 관용 유도 신호(tolerogenic signals) 를 전달할 수 있음이 알려져 있다 [33]. 연구진이 제시한 작동 가설(working model) 은 다음과 같다.
정상 생쥐의 흉선 또는 말초(periphery) 에서는 내인성 H⁺/K⁺ ATPase 소단위(endogenous H/K-ATPase subunits) 의 존재로 인해 고친화도 H⁺/K⁺ ATPase 소단위 특이적(high-avidity subunit-specific) T 세포들이 관용 상태(tolerised) 에 들어가며, 이에 따라 남아 있는 저친화도(low-avidity) H⁺/K⁺ ATPase 특이적 T 세포들은 CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cells) 에 의해 면역학적으로 제어(regulated) 된다는 것이다.
7. Identification of four distinct genetic regions which confer susceptibility to mouse autoim mune gastritis.
자가면역성 위염(autoimmune gastritis)을 유발하는 유전적 요인(genes) 을 보다 깊이 이해하기 위해, 연구진은 신생아기 흉선절제(neonatal thymectomy, NTx) 로 유도된 위염 모델을 이용하여 (BALB/cCrSlc × C57BL/6) F₂ 교잡생쥐(intercross mice) 를 대상으로 유전연관 분석(genetic linkage study) 을 수행하였다. 그 결과, 실험적 자가면역성 위염(experimental autoimmune gastritis) 과 연관된 두 개의 유전자 영역이 염색체 4번의 원위부(distal chromosome 4) 에서 확인되었으며, 이들은 각각 Gasa1 및 Gasa2 로 명명되었다 [34]. Gasa1은 NOD 생쥐의 제1형 당뇨병(type 1 diabetes) 감수성 유전자 중 하나인 Idd11 [35]과 동일한 염색체 구간에 위치하였으며, Gasa2는 더 말단(텔로머 쪽, telomeric)에 위치하며, 역시 NOD 생쥐의 당뇨병 감수성 유전자 Idd9 [36]과 같은 염색체 구간에 존재하였다. χ²(chi-squared) 분석을 통한 세분화(partitioned χ² analysis) 결과, Gasa1의 위염 연관성은 공우성(codominant) 을 보이는 BALB/cCrSlc 대립유전자(allele) 에 의해 결정되며, 반면 Gasa2의 BALB/cCrSlc 대립유전자는 열성(recessive) 형태로 작용함이 밝혀졌다.
또한 염색체 6, 9, 15, 17번에서도 연관 경향(trend towards linkage)이 관찰되었기에, 주요 질병 유전자의 영향을 최소화하기 위해 Gasa1 이형접합체(heterozygote) 및 Gasa2의 C57BL/6 동형접합체(homozygote)와 이형접합체를 대상으로 별도의 연관 분석(linkage analysis)을 수행하였다.
이보다 민감도를 높인 분석 결과, 염색체 6번의 D6Mit149 근처에 위치한 세 번째 자가면역성 위염 감수성 유전자(Gasa3) 의 존재가 확인되었다 [37].
또한 Gasa2와 H-2 복합체(MHC complex) 간의 상호작용(epistatic interaction) 이 확인되어, 이를 독립적으로 검증하기 위해 동계생쥐(congenic mice) 를 이용한 추가 연구가 진행되었다. BALB/c (H-2ᵈ), BALB.B (H-2ᵇ), 그리고 F₁ 교잡 (H-2ᵈ/ᵇ) 생쥐에서의 실험적 자가면역성 위염 발생률을 비교한 결과, 이형접합(H-2ᵈ/ᵇ) 생쥐에서 질병 발생률이 두 배(two-fold) 높게 나타났다. 이로써 H-2 연관 감수성 유전자(Gasa4) 의 존재가 입증되었다 [37].
흥미롭게도, NOD 생쥐의 제1형 당뇨병 유전자 중 일부가 염색체 6번에 위치한다고 알려져 있으나 [38,39], 동계 분석(congenic dissection) 결과, 당뇨병 감수성에 기여하는 세 구간 중 어느 것도 위염 연관 피크(linkage peak for gastritis) 와 일치하지 않는 것으로 나타났다 [40].
반면, H-2 구간(H-2 region) 은 NOD 생쥐에서 제1형 당뇨병과 가장 강력히 연관된 주요 영역으로 확인되었다 [41]. 이전 연구들에서도 당뇨병 관련 유전자와 다른 자가면역질환 관련 유전자들이 염색체상에서 군집(cluster) 하는 경향이 보고된 바 있으나 [42], 이번 연구에서 확인된 4개의 자가면역성 위염 감수성 유전자(Gasa1–Gasa4) 중 3개가 제1형 당뇨병 감수성 유전자와 동일한 위치(colocalisation) 에 존재한다는 사실은, 두 자가면역질환 간의 유전적 일치(concordance) 가 지금까지 보고된 어떤 질환쌍보다 가장 강력함을 의미한다. 이러한 결과는 임상적으로도 중요한 의미를 가진다. 실제로 제1형 당뇨병 환자의 약 20% 에서 항벽세포 자가항체(anti-parietal cell autoantibodies) 가 검출되며, 그 중 약 25%는 무산증(achlorhydria) 을 동반한다(reviewed in [43]). 따라서, 생쥐와 인간 모두에서, 일부 유전자들이 당뇨병(diabetes) 과 위염(gastritis) 양쪽 모두의 감수성(susceptibility) 에 기여하는 것으로 보인다. 제1형 당뇨병의 유전적 구조(genetics of diabetes) 가 매우 복잡한 반면, 자가면역성 위염의 유전적 배경(genetics of gastritis) 은 상대적으로 단순하기 때문에, BALB/c 생쥐의 NTx 모델은 인간 자가면역성 위염뿐 아니라 제1형 당뇨병의 병인(aetiology) 을 분자유전학적으로 해부(dissecting)하는 데 매우 강력한 도구가 될 것으로 기대된다.
8. Summary
자가면역성 위염(autoimmune gastritis)은 이제 분자적, 세포적, 그리고 유전적 수준(molecular, cellular, and genetic levels) 에서 명확히 정의된 질환으로 자리 잡았다. 위 점막(gastric mucosa) 에 변화를 가한 형질전환 생쥐(transgenic mouse lines) 와 H⁺/K⁺ ATPase 결핍 생쥐(lines deficient in the H⁺/K⁺ ATPase) 의 이용은, 진정한 위 자가항원(bona fide gastric autoantigens) 에 대한 면역 관용(tolerance) 을 정밀하게 분석(dissect)할 수 있는 강력한 연구 도구를 제공한다. 이를 통해, 자가면역성 위염에 대한 보호(protection) 에 관여하는 CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cells) 의 항원 특이성(specificity) 을 규명할 수 있을 것이다.
또한, 위염(gastritis) 과 당뇨병(diabetes) 모두의 질병 감수성(susceptibility) 에 공통된 유전자가 관여할 가능성이 제기되면서, 이는 여러 장기 특이적 자가면역질환(organ-specific autoimmune diseases) 의 유전적 구조(genetic architecture) 를 해부하고 이해하기 위한 새로운 연구의 길을 열어주고 있다.
핵심 요약 (Take-home messages)
● 위 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(gastric H⁺/K⁺ ATPase β-subunit) 에 대한 CD4⁺ T 세포 반응은 생쥐 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 의 발병 개시(initiation) 에 필수적이다.
● 자가면역성 위염에서 관찰되는 벽세포(parietal cell) 와 주세포(zymogenic cell) 의 결핍(deficit)은 위 점막(gastric mucosa) 내 세포 발달 경로(cell developmental pathways) 의 차단(block) 에 의해 발생한다.
● 위 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위 결핍 생쥐(deficient mice) 에서는 자가면역성 위염이 발생하지 않는다.
● 그러나 이러한 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위 결핍 생쥐는 β-소단위 특이적 T 세포(β-subunit-specific T cells) 의 레퍼토리(repertoire) 가 확장(enhanced) 되어 있다.
● 생쥐 자가면역성 위염의 질병 감수성(susceptibility) 을 결정하는 4개의 독립된 유전 영역(four distinct genetic regions) 이 확인되었다.
<Abstract>
Over the past 10 years experimental autoimmune gastritis has been established as a highly defined model of organ-specific autoimmunity. Autoimmune gastritis represents one of the few autoimmune diseases in which the causative autoantigens, namely the gastric H/K ATPase alpha- and beta-subunits, are defined. Furthermore, it has been clearly established that a CD4+ T cell response to the H/K ATPase beta-subunit, in particular, is essential for the initiation of autoimmune gastritis. The immunopathology of autoimmune gastritis is due to a disruption of the normal developmental pathways of the mucosa, rather than a direct depletion of the end-stage parietal and zymogenic cells. CD4+CD25+ regulatory T cells were first described in experimental autoimmune gastritis and there has been a recent explosion of interest in the potential role of these immunoregulatory T cells in protection against a variety of autoimmune diseases. The availability of H/K ATPase deficient mice has begun to provide considerable insight into the basis for tolerance to the gastric autoantigens. Experimental autoimmune gastritis has also provided valuable insight into our understanding of the genetics of disease susceptibility and four distinct genetic regions have been identified which confer susceptibility to this organ-specific disease. The highlights of these recent advances are the subject of this review.
지난 10여 년간의 연구를 통해 실험적 자가면역성 위염(experimental autoimmune gastritis, EAG) 은 장기 특이적 자가면역질환(organ-specific autoimmunity) 의 매우 명확하게 규정된 모델로 확립되었다. 자가면역성 위염은 원인 자가항원(causative autoantigens) 이 명확히 밝혀진 몇 안 되는 자가면역질환 중 하나로, 그 항원은 위의 H⁺/K⁺ ATPase의 α- 및 β-소단위(alpha- and beta-subunits) 임이 확인되어 있다. 특히, H⁺/K⁺ ATPase β-소단위에 대한 CD4⁺ T 세포 반응이 자가면역성 위염의 발병 개시(initiation) 에 필수적임이 명확히 규명되었다. 자가면역성 위염의 면역병리(immunopathology)는 최종 분화된 벽세포(parietal cell) 와 주세포(zymogenic cell) 의 단순한 파괴(direct depletion)가 아니라, 점막의 정상적인 발달 경로(normal developmental pathways) 가 면역 반응에 의해 교란(disruption) 되는 데 기인한다. 또한 CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cells, Tregs) 는 최초로 이 EAG 모델에서 기술되었으며, 최근 들어 이러한 면역조절 T 세포(immunoregulatory T cells) 가 다양한 자가면역질환에서 보호적 역할(protective role) 을 수행할 수 있다는 점이 큰 관심을 받고 있다. 더불어, H⁺/K⁺ ATPase 결핍 생쥐(H/K ATPase–deficient mice) 의 이용은 위 자가항원에 대한 면역관용(tolerance) 의 기전을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하였다. 실험적 자가면역성 위염 연구는 또한 질병 감수성(disease susceptibility) 의 유전학적 기반(genetic basis) 을 이해하는 데에도 귀중한 통찰을 주었으며, 이 장기 특이적 자가면역질환의 감수성을 결정하는 4개의 독립된 유전 영역(distinct genetic regions) 이 확인되었다. 본 종설(review)은 이러한 최근 연구의 주요 성과(highlights of recent advances) 를 중심으로 논의한다.
van Driel IR, Baxter AG, Laurie KL, Zwar TD, La Gruta NL, Judd LM, Scarff KL, Silveira PA, Gleeson PA.
Autoimmun Rev. 2002 Oct;1(5):290-7.
오래전 발표된 논문이지만, AIG의 기전을 설명할 때 자주 인용되는 논문으로 읽어 보도록 하겠습니다.
1. Autoimmune gastritis and specificity of path ogenic T cells
실험적 자가면역성 위염(Experimental autoimmune gastritis, EAG) 은 유전적으로 감수성이 있는 생쥐 계통(genetically susceptible strains of mice) 에서 여러 가지 조작을 통해 유도될 수 있다. 그 대표적인 방법으로는 신생아 흉선절제술(neonatal thymectomy, NTx) [1–3] 와 정제된 위 H⁺/K⁺ ATPase로의 면역화(immunisation with purified gastric H⁺/K⁺ ATPase) [4] 가 있다. 특히 NTx 는 실험적으로 자가면역성 위염을 유도하기 위한 가장 유용한 방법(method of choice) 으로 여러 가지 중요한 장점을 가진다. 첫째, 이 방법은 표적 항원(target antigen) 자체가 아닌 면역체계(immune system) 를 변형시킨다는 점에서 의미가 있다. 둘째, 외부 염증 유발제(adjuvant) 의 투여 없이도 자가면역 반응(autoimmunity)이 자연적으로 시작된다는 점이다. 셋째, 자가반응성 T 세포(autoreactive T cells) 가 내인성 위 자가항원(endogenous gastric antigens) 에 의해 활성화된다는 점에서 생리적 모델에 가깝다. BALB/c 생쥐에서 NTx를 시행하면 일시적인 림프구감소증(lymphopenia) 이 발생하고, 그 후 말초 T 세포 풀(peripheral T cell pool) 의 보상적 증식(compensatory proliferation)이 일어난다. 이 과정은 결과적으로 제한된 T 세포 레퍼토리(limited T cell repertoire) 를 형성하게 되며 [5],
그 결과 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 이 발생한다.
자가면역성 위염(autoimmune gastritis)은 Th1형 염증반응(Th1-inflammatory response) 의 전형적인 특징을 보인다. 질환의 초기 병변(early lesion) 은 CD4⁺ T 세포와 대식세포(macrophage) 가 위 점막(gastric mucosa)으로 침윤(influx) 하는 것으로 특징지어진다 [3]. 림프구가 위 점막으로 이동(homing)하기 위해서는 α4β7 인테그린(α4β7 integrin) 과 MAdCAM-1 (mucosal addressin cell adhesion molecule-1) 간의 상호작용이 필수적이다 [6]. 또한 인터페론 감마(IFN-γ) 는 질병의 병인(pathogenesis) 초기 단계에서 매우 중요한 역할을 하며 [7], 이 IFN-γ의 주요 생산세포는 NK 세포나 대식세포가 아닌, T 세포인 것으로 밝혀졌다 [8]. T 세포 아형(subset)에 대한 체세포이식(adoptive transfer) 및 체내 고갈(in vivo depletion) 연구 결과, 위 점막 병변의 발생은 CD8⁺ T 세포가 아닌 CD4⁺ T 세포에 의해 매개(mediated) 됨이 입증되었다 [3].
현재까지의 연구 결과는 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 이 위의 H⁺/K⁺ ATPase에 대한 병원성 CD4⁺ T 세포 반응(pathogenic CD4⁺ T-cell response) 에 의해 유발된다는 점을 매우 명확히 보여준다. H⁺/K⁺ ATPase는 벽세포(parietal cell) 의 세포막에 풍부하게 존재하는 이종이합체막단백질(heterodimeric membrane protein) 이다. 특히, H⁺/K⁺ ATPase의 β-소단위(H⁺/K⁺ ATPase β-subunit, H/Kβ) 에 대한 T 세포 반응이 자가면역성 위염의 발병 개시(initiation) 에 필수적이다. 흉선에서 H/Kβ를 발현하도록 만든 형질전환 생쥐(transgenic mice) 는,
신생아기 흉선절제술(neonatal thymectomy) [9],
생쥐 위 H⁺/K⁺ ATPase로 면역화(immunisation) [10],
성체 흉선절제술(adult thymectomy)과 사이클로포스파마이드 병용치료(cyclophosphamide treatment) [11]
등의 조작 후에도 자가면역성 위염을 발병하지 않았다.
반면, 흉선에서 H⁺/K⁺ ATPase α-소단위(H/Kα) 를 발현시킨 경우에는 자가면역 반응의 발생을 막지 못했다 [10].
그럼에도 불구하고, 자가면역성 위염이 완전히 발달한 생쥐(fully developed gastritis) 에서는 H/Kα 특이적 T 세포(H/Kα-specific T cells) 가 검출되었으며 [12], 이들에 대한 면역반응이 질병의 진행(disease progression) 에 기여할 수 있는 것으로 간주되고 있다.
H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 의 주요 위염유발 항원결정기(dominant gastritogenic epitope) 는 H-2 대립유전자를 가진 생쥐에서 아미노산 253–277번 잔기 구간(H/Kβ₂₅₃–₂₇₇) 으로 규명되었다 [13]. 이 H/Kβ₂₅₃–₂₇₇ 특이적 T세포수용체(TCR)를 발현하는 형질전환 생쥐(TCR transgenic mice) 가 제작되었으며, 그 중 약 20%의 개체에서 자발적으로(automatically) 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 이 발생하였다. 이 결과는 H/Kβ₂₅₃–₂₇₇ 특이적 T 세포가 생체 내(in vivo) 에서 병원성(pathogenic) 잠재력을 지닌다는 사실을 명확히 입증한 것이다 [14].
2. Immunopathology of autoimmune disease is due to a block in cell development pathways of the gastric mucosa.
자가면역성 위염(autoimmune gastritis)이 발생한 인간과 동물의 위 점막 병변은, 단순히 자가면역 반응의 표적세포인 벽세포(parietal cell)의 소실(depletion) 만으로 설명될 수 없을 만큼 복잡하다. 생쥐 모델과 인간 질환의 초기 단계에서 공통적으로 관찰되는 소견은, 위 점막의 비후(hypertrophy) 와 함께 또 다른 주요 세포 유형인 주세포(zymogenic cell, 혹은 chief cell) 의 감소이다. 최근 우리는 생쥐 자가면역성 위염 모델에서 병변의 세포생리학적 특성(cellular physiology) 을 분석하여, 이러한 조직 표현형(phenotype) 의 세포학적 기반(cellular basis)을 규명하고자 하였다 [15]. 그림 1(Fig. 1) 은 정상적인 위 점막의 세포 발달 경로(normal developmental pathways) 를 보여준다.
Fig. 1. Disruption of developmental pathways of the gastric mucosa in autoimmune gastritis. The developmental pathways of the normal gastric mucosa (upper panel) and the gastric mucosa of NTx mice with autoimmune gastritis (lower panel). In the lower panel, an expansion of the cell population compared with normal gastric mucosa is indicated by large blue boxes, whereas a reduction in cell population is indicated by the small red boxes. Blocks in the developmental pathway are indicated by crosses.
위선(gastric unit)의 세포들은 지속적으로 교체(turnover)되며, 성숙한 상피세포(mature epithelial cells) 는 미분화 줄기세포(undifferentiated stem cell) 로부터 일련의 정의된 세포 중간 단계(well-defined cellular intermediates) 를 거쳐 분화한다. 우리가 발견한 바에 따르면, 자가면역성 위염에서는 이러한 정상적인 점막 발달 경로가 붕괴(disrupted) 되어 있었다(Fig. 1). 위선의 세포 과다(hypercellularity) 는 주로 미성숙 세포(immature cell) 의 세포분열 속도의 현저한 증가(increased rate of cell division) 와 그로 인한 세포의 축적(accumulation) 에 의해 나타나는 것으로 보였다. 또한, 점액 분비 피트세포(mucus-secreting pit cell) 및 그 전구세포의 수도 다소 증가하였다. 반면, 벽세포(parietal cell) 와 펩시노겐을 생성하는 주세포(zyomogenic cell) 로의 분화 경로는 심각하게 손상(severely compromised)되어 있었다 [15]. 이러한 관찰 결과는, 주세포 자체에 대한 면역반응이 없음에도 불구하고
이 세포의 결핍이 나타나는 이유를 잘 설명해 준다.
비슷하지만 완전히 동일하지는 않은 조직 표현형(phenotype) 들이, 위 점막(gastric mucosa) 에서 특정 유전자들이 비활성화(inactivated) 되거나 비정상적으로 발현(aberrantly expressed) 된 여러 생쥐 모델에서도 관찰된 바 있다(이에 대한 논의는 [15] 참고). 따라서, 위 점막을 구성하는 세포들과 분자들 사이에는 매우 복잡한 상호작용(complex interplay) 이 존재하며, 이 균형이 방해(interference)받게 되면 정상적인 세포 항상성 기전(cellular homeostatic mechanisms) 에 이상이 발생(aberrations) 하게 된다.
3. Promiscuous thymic expression of gastric autoantigens
H⁺/K⁺ ATPase α-소단위(H/Kα) 의 흉선 내 발현(thymic expression) 은 RT–PCR 분석을 통해 확인되었다 [10]. 반면, H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 전사체(transcript)는 전체 흉선 RNA에서는 검출되지 않았으나 [10], 독일 암연구센터(German Cancer Research Centre) 의 B. Kyewski 박사는 최근 흉선 수질 상피세포(thymic medullary epithelial cells) 에서 H/Kβ 발현을 추가로 확인하였다(개인 통신, personal communication).
Kyewski와 연구진은 흉선 수질 상피세포가 다양한 조직 특이적 항원(tissue-specific antigens) 을 발현하는 독특한 세포 유형(unique cell type)임을 보고한 바 있다 [16]. 이는 특히, 자가면역 조절인자(AutoImmune REgulator, AIRE) 유전자가 이 세포에서만(exclusively) 발현된다는 점을 고려할 때 매우 흥미로운 발견이다. 또한 AIRE 유전자 변이(mutations) 는 여러 자가면역질환(autoimmune diseases) 과 관련되어 있음이 알려져 있다 [17].
한편, 흉선 내에서의 H/Kα 발현 수준은 H/Kβ보다 훨씬 높으며, 이에 반해 말초(periphery) 에서 발견되는 H/Kα 특이적 T 세포(H/Kα-specific T cells) 의 병원성(pathogenicity) 은 H/Kβ 특이적 T 세포(H/Kβ-specific T cells) 보다 상당히 낮다. 그러나 아직까지는, 위 자가항원의 흉선 내 비특이적(promiscuous) 발현이 생물학적으로 의미 있는 현상인지, 그리고 이것이 말초에서의 H/Kα-특이적 T 세포와 H/Kβ-특이적 T 세포 간 병원성의 차이를 설명할 수 있는지 여부는 아직 확립되지 않았다.
4. Autoimmune gastritis has played a pivotal role in defining the characteristics of CD4+CD25+ regulatory T cells
최근 들어 면역조절성 또는 억제성 T 세포(immunoregulatory or suppressor T cells) 에 대한 관심이 다시 높아지고 있다. 이는 주로 이러한 세포들을 더 신뢰성 있게 식별하고 분리할 수 있는 표지자(markers) 들이 확립되었기 때문이다. 대표적인 예로 IL-2 수용체 α-사슬(IL-2 receptor α chain, CD25) 이 있다 [18]. 신생아 흉선절제(neonatal thymectomy, NTx) 로 유도된 자가면역질환 모델에 대한 연구를 통해, 생쥐에서 대부분의 CD4⁺CD25⁺ T 세포가 면역조절 T 세포(immunoregulatory T cells) 로 작용함이 밝혀졌다 [18]. 체세포이식(adoptive transfer) 실험에서는 다음이 명확히 입증되었다.
CD4⁺CD25⁻ T 세포는 자가면역성 위염(gastritis) 이나 췌도염(insulitis) 과 같은 자가면역질환을 유발할 수 있으며,
반대로 CD4⁺CD25⁺ T 세포는 이러한 병원성 T 세포들의 활성을 억제(suppress) 할 수 있다 [19].
CD4⁺CD25⁺ T 세포는 흉선(thymus) 에서 발생하지만 [20], 이들의 발생 경로(developmental pathway) 와 선택 과정(selection events) 은 아직 완전히 규명되지 않았다. CD4⁺CD25⁺ T 세포의 억제 기능(suppressive activity) 은 다음의 실험적 근거에 의해 확립되었다. In vitro(시험관 내) 실험에서 이들은 CD4⁺ 또는 CD8⁺ T 세포의 반응을 억제할 수 있으며, 이 억제 기능은 CD4⁺CD25⁺ T 세포의 TCR이 자극(stimulation) 을 받아야만 발현된다. 흥미롭게도, 억제하는 세포(suppressor cell) 와 억제받는 세포(target cell) 가 반드시 같은 항원을 인식할 필요는 없다 [19].
CD4⁺CD25⁺ T 세포가 면역억제를 매개하는 기전(mechanism of suppression) 은 아직 명확히 규명되지 않았다. 초기의 in vitro(시험관 내) 연구에서는, T 세포와 항원제시세포(APC) 간의 세포 간 접촉(cell contact) 이 억제 작용에 필요하며, CD4⁺CD25⁺ T 세포가 IL-2의 생산을 억제함으로써 작용한다는 사실이 보고되었다. 최근 연구에 따르면, CD4⁺CD25⁺ T 세포는 CTLA-4 (cytotoxic T-lymphocyte–associated antigen 4) 를 지속적으로 발현(constitutively express) 하는데, 이는 이 세포들의 특징적 표지(unique characteristic) 이며, CTLA-4 신호전달(signaling via CTLA-4) 이 그들의 기능에 필수적인 역할을 한다. 실제로 항-CTLA-4 항체(anti-CTLA-4 antibody) 는 CD4⁺CD25⁺ T 세포의 억제 능력을 차단하여, 대장염(colitis) 을 억제하지 못하게 하거나 [21], 정상 어린 생쥐(young normal mice) 에서 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 을 유도하는 것으로 나타났다 [22]. 최근 제시된 몇몇 모델에서는, 염증 상태(inflammatory conditions), 예를 들어 병원체 감염이나 보조제(adjuvant) 자극 시에 CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cell) 의 억제 기능이 저해(suppressed) 된다고 제안한다 [23]. 이는 아마도 세포막 수용체(cell surface receptor) Tnfrsf18 (GITR) 의 결합(engagement)에 의해 매개되는 것으로 보인다 [24]. 또한 여러 연구들은, 조절 T 세포의 생성(generation) 혹은 생존(survival) 에는 말초조직(peripheral tissues) 내의 자가항원(autoantigen) 이 필요하다고 제시하였다. 예를 들어, 갑상선을 제거(thyroidectomy) 하면, 갑상선 자가면역 반응(thyroid autoimmunity) 을 억제하던 조절 T 세포가 소실(loss of Tregs) 되는 것으로 나타났다 [25]. 그러나 해당 연구에서 사용된 조절세포의 공급원(source)은 분리되지 않은(unfractionated) CD4⁺ T 세포였기 때문에, 이 결과는 말초 관용(peripheral tolerance)의 결핍으로 인해 병원성(anti-thyroid) CD4⁺ T 세포가 포함되어 있었을 가능성 등 다른 해석도 가능하다.
또한, 세 개의 독립된 연구 중 두 연구(two of three independent studies) 에서는, 내인성 난소 항원(endogenous ovarian antigens) 이 조절 T 세포(regulatory T cells) 의 지속(persistence) 에 필요하다는 사실이 보고되었다 [26]. 반면, 또 다른 연구에서는 MHC class II가 결여된(periphery devoid of MHC class II) 환경에서도 조절 T 세포가 말초(periphery) 에서 유지(maintained) 될 수 있음을 보여주었다 [27].
이처럼 이 분야는 여전히 논쟁적(controversial) 이며, CD4⁺CD25⁺ T 세포의 항원 특이성(antigen specificity) 과 그들의 말초 생존(peripheral survival) 에 필요한 인자들을 명확히 규명하기 위해서는 추가 연구가 필요하다. 자가면역성 위염(autoimmune gastritis)을 억제하는 CD4⁺CD25⁺ T 세포의 항원 특이성을 규명하기 위한 하나의 잠재적으로 유용한 접근법은, 유전적으로 조작된 생쥐 모델(genetically manipulated mouse lines) 에서
‘조절 활성(regulatory activity)’을 분석하는 것이다. 특히, 연구진이 새롭게 제작한 형질전환(transgenic) 생쥐 계통 중에는 성숙한 위 상피세포(mature gastric epithelial cells) 가 결여되어 있어, 이 생쥐의 위(stomach)에서는 다양한 위 항원(gastric antigens) 이 결핍되어 있다 [28]. 이러한 모델은 조절 T 세포의 항원 특이성과 기능을 탐구하는 데 매우 유용한 도구가 될 것으로 기대된다.
5. Generation and analysis of gastric autoanti gen-deficient mice to define the roles of the H/K ATPase subunits in disease initiation and progression
자가항원 결핍 생쥐(autoantigen-deficient mice) 는 면역학적 관용(immunological tolerance) 의 기전을 규명하는 데 매우 유용한 모델로 사용되어 왔다. 이에 따라 연구진은 위 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 유전자에 결손(null mutation) 을 가진 생쥐를 제작하였다. 이 H/Kβ 결핍(H/Kβ-deficient, H/Kβ⁰/⁰) 생쥐는 H/Kβ 유전자의 제1 엑손(first exon) 내 세 번째 코돈(third codon) 이후에 돌연변이를 가지고 있으며 [29], 그 결과 T 세포 항원결정기(T-cell epitope) 로 작용할 수 있는 어떤 펩타이드도 합성하지 못한다. 이 생쥐들은 건강하며, 정상적인 성장속도(normal growth rate) 와 번식능(reproductive capacity) 을 보인다. 그러나 H/Kβ가 위산 분비(gastric acid production)에 필수적인 단백질이므로, 이 생쥐들의 위 내 환경은 중성 pH를 나타낸다. 최근의 미발표 자료(unpublished data)에 따르면, 신생아기 흉선절제술(neonatal thymectomy) 후 H/Kβ 결핍 생쥐에서는 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 이 전혀 발생하지 않았으며 (0/14), 반면 H/Kβ를 발현하는 생쥐(H/Kβ-expressing mice) 에서는 그 발생률이 61% 에 달하였다 (S. Barrett, K. Scarff, P.A. Gleeson, and I.R. van Driel, 미발표 자료). 이 결과는 H/Kβ가 자가면역성 위염의 발병 개시(initiation) 에 핵심적인 역할을 함을 명확히 입증한다.
또한 최근에는 H⁺/K⁺ ATPase α-소단위(H/Kα) 가 결핍된 생쥐 역시 확립되었다 [30]. 예상대로, 이 생쥐의 벽세포(parietal cell) 는 H/Kβ 단백질을 발현하고 있다. 이 모델을 통해 향후 H/Kα가 질병의 발병(initiation) 및 진행(progression) 에서 수행하는 역할을 직접적으로 검증할 수 있을 것이다.
6. Use of autoantigen-deficient mice to define the mechanisms of tolerance to the gastric autoantigens in normal mice. Thymic vs. peripheral tolerance
진정한 장기 특이적 자가항원(bona fide organ-specific autoantigen) 에 대한 T 세포 관용(T-cell tolerance) 의 기전은 여전히 대부분 밝혀지지 않았다. 특히, 갑상선염(thyroiditis), 당뇨병(diabetes), 위염(gastritis) 등과 같은 위-내분비(gastric–endocrine) 관련 자가면역질환의 발생에 중요한 자가항원들에 대해서는 더욱 그렇다.
정상 BALB/c 생쥐의 말초(periphery) 에도 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 특이적 T 세포(H/Kβ-specific T cells) 가 존재함이 확인되었다 [10,13]. 그러나 정상 생쥐의 이러한 H/Kβ 특이적 T 세포들은 친화도(affinity) 가 낮은 것으로 나타났으며 [13,31], 이는 정상 개체의 항-H/Kβ T 세포 레퍼토리(anti-H/Kβ repertoire) 가 부분적 관용(partial tolerance) 을 거쳤음을 시사한다. 이러한 점을 확인하기 위해, 연구진은 H/Kβ를 발현하는 생쥐(H/Kβ-expressing mice) 의 T 세포가 완전한 H/Kβ 반응성 레퍼토리(full H/Kβ-reactive repertoire) 를 대표하는지, 혹은 항원 특이적 관용유도(antigen-specific tolerance induction) 를 받은 후 잔존하는 일부 T 세포들(residual T-cell population) 인지를 규명하고자, H/Kβ 결핍 생쥐(H/Kβ-deficient mice) 와 H/Kβ 발현 생쥐(BALB/c wild-type mice) 의 T 세포 반응을 비교하였다 [32].
이 연구의 결론은, 생쥐의 야생형 Atp4b 유전자(wild-type Atp4b gene) 가 발현하는 내인성 H/Kβ(endogenous H/Kβ) 가 병원성 잠재력을 가진 H/Kβ 특이적 T 세포의 발달을 제한(limit) 하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것이다. 특히, H⁺/K⁺ ATPase의 주요 위염유발 항원결정기(major gastritogenic epitope) 인 H/Kβ₂₅₃–₂₇₇ 펩타이드에 대한 면역반응은, H/Kβ 결핍 생쥐에서 야생형 생쥐보다 약 2.5배 높게 증가되어 있었다.
더욱 중요한 점은, 이러한 H/Kβ 특이적 반응의 증가가 자가면역성과 직접적으로 연관되어 있음이 밝혀졌다는 것이다. 즉, H/Kβ 결핍 생쥐의 비분리 비장세포(unfractionated splenocytes) 는 H/Kβ 발현 생쥐의 세포와 달리, 누드 BALB/c 생쥐(nude BALB/c mice) 로의 체세포이식(adoptive transfer) 후 직접적으로 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 을 유도하였다 [32].
또한, H/Kβ 결핍 생쥐에서 관찰된 이러한 증강된 H/Kβ 반응(enhanced H/Kβ responses) 은 CD4⁺CD25⁻ T 세포의 내재적 특성(intrinsic property) 에 기인한 것으로 밝혀졌으며, CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cells) 의 기능 변화 때문은 아니었다.
따라서, 이러한 일련의 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다. 정상적이고 건강한 생쥐의 H/Kβ 특이적 T 세포는, 이미 부분적 관용 유도(partial tolerance induction) 를 거친 T 세포 레퍼토리의 잔존물(residue) 을 대표한다는 것이다.
내인성 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(H/Kβ) 단백질은 이 위 자가항원(gastric autoantigen) 에 특이적인 T 세포 레퍼토리(T-cell repertoire) 를 어떻게 형성할까? 야생형 생쥐(wild-type mice)와 H/Kβ 결핍 생쥐(H/Kβ-deficient mice) 모두가 H/Kβ의 단일 면역우성 항원결정기(single immunodominant determinant) 에 반응한다는 점을 고려할 때, 가능한 설명 중 하나는, 내인성 관용(tolerance) 이 H/Kβ₂₅₃–₂₇₇ 펩타이드에 대한 고친화도(high-avidity) T 세포의 제거(removal) 를 통해 유도된다는 것이다.
H/Kβ에 대한 관용은 흉선(thymus) 내에서 일어날 수 있으며, 이는 흉선 수질(thymic medulla) 에서의 H/Kβ 발현(expression) 의 결과일 가능성이 있다. 또는, 고친화도 H/Kβ 특이적 T 세포에 대한 관용이 말초(periphery) 에서 유도될 수도 있는데, 이 경우는 위의 국소 림프절(local draining lymph node of the stomach) 에 존재하는 미성숙 수지상세포(immature dendritic cells) 가 정상적인 벽세포(parietal cell) 의 세포 회전(turnover) 과정에서 방출된 위 H/Kβ 항원결정기(epitope) 를 제시함으로써 일어날 수 있다. 미성숙 수지상세포에 의한 항원제시는 면역활성화 신호(activation signals) 가 아니라 관용 유도 신호(tolerogenic signals) 를 전달할 수 있음이 알려져 있다 [33]. 연구진이 제시한 작동 가설(working model) 은 다음과 같다.
정상 생쥐의 흉선 또는 말초(periphery) 에서는 내인성 H⁺/K⁺ ATPase 소단위(endogenous H/K-ATPase subunits) 의 존재로 인해 고친화도 H⁺/K⁺ ATPase 소단위 특이적(high-avidity subunit-specific) T 세포들이 관용 상태(tolerised) 에 들어가며, 이에 따라 남아 있는 저친화도(low-avidity) H⁺/K⁺ ATPase 특이적 T 세포들은 CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cells) 에 의해 면역학적으로 제어(regulated) 된다는 것이다.
7. Identification of four distinct genetic regions which confer susceptibility to mouse autoim mune gastritis.
자가면역성 위염(autoimmune gastritis)을 유발하는 유전적 요인(genes) 을 보다 깊이 이해하기 위해, 연구진은 신생아기 흉선절제(neonatal thymectomy, NTx) 로 유도된 위염 모델을 이용하여 (BALB/cCrSlc × C57BL/6) F₂ 교잡생쥐(intercross mice) 를 대상으로 유전연관 분석(genetic linkage study) 을 수행하였다. 그 결과, 실험적 자가면역성 위염(experimental autoimmune gastritis) 과 연관된 두 개의 유전자 영역이 염색체 4번의 원위부(distal chromosome 4) 에서 확인되었으며, 이들은 각각 Gasa1 및 Gasa2 로 명명되었다 [34]. Gasa1은 NOD 생쥐의 제1형 당뇨병(type 1 diabetes) 감수성 유전자 중 하나인 Idd11 [35]과 동일한 염색체 구간에 위치하였으며, Gasa2는 더 말단(텔로머 쪽, telomeric)에 위치하며, 역시 NOD 생쥐의 당뇨병 감수성 유전자 Idd9 [36]과 같은 염색체 구간에 존재하였다. χ²(chi-squared) 분석을 통한 세분화(partitioned χ² analysis) 결과, Gasa1의 위염 연관성은 공우성(codominant) 을 보이는 BALB/cCrSlc 대립유전자(allele) 에 의해 결정되며, 반면 Gasa2의 BALB/cCrSlc 대립유전자는 열성(recessive) 형태로 작용함이 밝혀졌다.
또한 염색체 6, 9, 15, 17번에서도 연관 경향(trend towards linkage)이 관찰되었기에, 주요 질병 유전자의 영향을 최소화하기 위해 Gasa1 이형접합체(heterozygote) 및 Gasa2의 C57BL/6 동형접합체(homozygote)와 이형접합체를 대상으로 별도의 연관 분석(linkage analysis)을 수행하였다.
이보다 민감도를 높인 분석 결과, 염색체 6번의 D6Mit149 근처에 위치한 세 번째 자가면역성 위염 감수성 유전자(Gasa3) 의 존재가 확인되었다 [37].
또한 Gasa2와 H-2 복합체(MHC complex) 간의 상호작용(epistatic interaction) 이 확인되어, 이를 독립적으로 검증하기 위해 동계생쥐(congenic mice) 를 이용한 추가 연구가 진행되었다. BALB/c (H-2ᵈ), BALB.B (H-2ᵇ), 그리고 F₁ 교잡 (H-2ᵈ/ᵇ) 생쥐에서의 실험적 자가면역성 위염 발생률을 비교한 결과, 이형접합(H-2ᵈ/ᵇ) 생쥐에서 질병 발생률이 두 배(two-fold) 높게 나타났다. 이로써 H-2 연관 감수성 유전자(Gasa4) 의 존재가 입증되었다 [37].
흥미롭게도, NOD 생쥐의 제1형 당뇨병 유전자 중 일부가 염색체 6번에 위치한다고 알려져 있으나 [38,39], 동계 분석(congenic dissection) 결과, 당뇨병 감수성에 기여하는 세 구간 중 어느 것도 위염 연관 피크(linkage peak for gastritis) 와 일치하지 않는 것으로 나타났다 [40].
반면, H-2 구간(H-2 region) 은 NOD 생쥐에서 제1형 당뇨병과 가장 강력히 연관된 주요 영역으로 확인되었다 [41]. 이전 연구들에서도 당뇨병 관련 유전자와 다른 자가면역질환 관련 유전자들이 염색체상에서 군집(cluster) 하는 경향이 보고된 바 있으나 [42], 이번 연구에서 확인된 4개의 자가면역성 위염 감수성 유전자(Gasa1–Gasa4) 중 3개가 제1형 당뇨병 감수성 유전자와 동일한 위치(colocalisation) 에 존재한다는 사실은, 두 자가면역질환 간의 유전적 일치(concordance) 가 지금까지 보고된 어떤 질환쌍보다 가장 강력함을 의미한다. 이러한 결과는 임상적으로도 중요한 의미를 가진다. 실제로 제1형 당뇨병 환자의 약 20% 에서 항벽세포 자가항체(anti-parietal cell autoantibodies) 가 검출되며, 그 중 약 25%는 무산증(achlorhydria) 을 동반한다(reviewed in [43]). 따라서, 생쥐와 인간 모두에서, 일부 유전자들이 당뇨병(diabetes) 과 위염(gastritis) 양쪽 모두의 감수성(susceptibility) 에 기여하는 것으로 보인다. 제1형 당뇨병의 유전적 구조(genetics of diabetes) 가 매우 복잡한 반면, 자가면역성 위염의 유전적 배경(genetics of gastritis) 은 상대적으로 단순하기 때문에, BALB/c 생쥐의 NTx 모델은 인간 자가면역성 위염뿐 아니라 제1형 당뇨병의 병인(aetiology) 을 분자유전학적으로 해부(dissecting)하는 데 매우 강력한 도구가 될 것으로 기대된다.
8. Summary
자가면역성 위염(autoimmune gastritis)은 이제 분자적, 세포적, 그리고 유전적 수준(molecular, cellular, and genetic levels) 에서 명확히 정의된 질환으로 자리 잡았다. 위 점막(gastric mucosa) 에 변화를 가한 형질전환 생쥐(transgenic mouse lines) 와 H⁺/K⁺ ATPase 결핍 생쥐(lines deficient in the H⁺/K⁺ ATPase) 의 이용은, 진정한 위 자가항원(bona fide gastric autoantigens) 에 대한 면역 관용(tolerance) 을 정밀하게 분석(dissect)할 수 있는 강력한 연구 도구를 제공한다. 이를 통해, 자가면역성 위염에 대한 보호(protection) 에 관여하는 CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cells) 의 항원 특이성(specificity) 을 규명할 수 있을 것이다.
또한, 위염(gastritis) 과 당뇨병(diabetes) 모두의 질병 감수성(susceptibility) 에 공통된 유전자가 관여할 가능성이 제기되면서, 이는 여러 장기 특이적 자가면역질환(organ-specific autoimmune diseases) 의 유전적 구조(genetic architecture) 를 해부하고 이해하기 위한 새로운 연구의 길을 열어주고 있다.
핵심 요약 (Take-home messages)
● 위 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위(gastric H⁺/K⁺ ATPase β-subunit) 에 대한 CD4⁺ T 세포 반응은 생쥐 자가면역성 위염(autoimmune gastritis) 의 발병 개시(initiation) 에 필수적이다.
● 자가면역성 위염에서 관찰되는 벽세포(parietal cell) 와 주세포(zymogenic cell) 의 결핍(deficit)은 위 점막(gastric mucosa) 내 세포 발달 경로(cell developmental pathways) 의 차단(block) 에 의해 발생한다.
● 위 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위 결핍 생쥐(deficient mice) 에서는 자가면역성 위염이 발생하지 않는다.
● 그러나 이러한 H⁺/K⁺ ATPase β-소단위 결핍 생쥐는 β-소단위 특이적 T 세포(β-subunit-specific T cells) 의 레퍼토리(repertoire) 가 확장(enhanced) 되어 있다.
● 생쥐 자가면역성 위염의 질병 감수성(susceptibility) 을 결정하는 4개의 독립된 유전 영역(four distinct genetic regions) 이 확인되었다.
<Abstract>
Over the past 10 years experimental autoimmune gastritis has been established as a highly defined model of organ-specific autoimmunity. Autoimmune gastritis represents one of the few autoimmune diseases in which the causative autoantigens, namely the gastric H/K ATPase alpha- and beta-subunits, are defined. Furthermore, it has been clearly established that a CD4+ T cell response to the H/K ATPase beta-subunit, in particular, is essential for the initiation of autoimmune gastritis. The immunopathology of autoimmune gastritis is due to a disruption of the normal developmental pathways of the mucosa, rather than a direct depletion of the end-stage parietal and zymogenic cells. CD4+CD25+ regulatory T cells were first described in experimental autoimmune gastritis and there has been a recent explosion of interest in the potential role of these immunoregulatory T cells in protection against a variety of autoimmune diseases. The availability of H/K ATPase deficient mice has begun to provide considerable insight into the basis for tolerance to the gastric autoantigens. Experimental autoimmune gastritis has also provided valuable insight into our understanding of the genetics of disease susceptibility and four distinct genetic regions have been identified which confer susceptibility to this organ-specific disease. The highlights of these recent advances are the subject of this review.
지난 10여 년간의 연구를 통해 실험적 자가면역성 위염(experimental autoimmune gastritis, EAG) 은 장기 특이적 자가면역질환(organ-specific autoimmunity) 의 매우 명확하게 규정된 모델로 확립되었다. 자가면역성 위염은 원인 자가항원(causative autoantigens) 이 명확히 밝혀진 몇 안 되는 자가면역질환 중 하나로, 그 항원은 위의 H⁺/K⁺ ATPase의 α- 및 β-소단위(alpha- and beta-subunits) 임이 확인되어 있다. 특히, H⁺/K⁺ ATPase β-소단위에 대한 CD4⁺ T 세포 반응이 자가면역성 위염의 발병 개시(initiation) 에 필수적임이 명확히 규명되었다. 자가면역성 위염의 면역병리(immunopathology)는 최종 분화된 벽세포(parietal cell) 와 주세포(zymogenic cell) 의 단순한 파괴(direct depletion)가 아니라, 점막의 정상적인 발달 경로(normal developmental pathways) 가 면역 반응에 의해 교란(disruption) 되는 데 기인한다. 또한 CD4⁺CD25⁺ 조절 T 세포(regulatory T cells, Tregs) 는 최초로 이 EAG 모델에서 기술되었으며, 최근 들어 이러한 면역조절 T 세포(immunoregulatory T cells) 가 다양한 자가면역질환에서 보호적 역할(protective role) 을 수행할 수 있다는 점이 큰 관심을 받고 있다. 더불어, H⁺/K⁺ ATPase 결핍 생쥐(H/K ATPase–deficient mice) 의 이용은 위 자가항원에 대한 면역관용(tolerance) 의 기전을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하였다. 실험적 자가면역성 위염 연구는 또한 질병 감수성(disease susceptibility) 의 유전학적 기반(genetic basis) 을 이해하는 데에도 귀중한 통찰을 주었으며, 이 장기 특이적 자가면역질환의 감수성을 결정하는 4개의 독립된 유전 영역(distinct genetic regions) 이 확인되었다. 본 종설(review)은 이러한 최근 연구의 주요 성과(highlights of recent advances) 를 중심으로 논의한다.