항원

항원은 항체(antibody)나 T세포 수용체(T-cell receptor; TCR)에 특이적으로 부착하는 물질을 말한다. 체내에 유입되면 면역활성을 유도하여 이에 대응하는 항원-특이적인 면역반응을 유발한다. 항원은 대부분 외부환경으로부터 들어온 병원균이나 바이러스 유래 단백질, 다당류, 화학물질, 인공 합성물과 같은 비자가(non-self) 물질이지만, 자기 자신의 체내에서 만들어진 정상적인 단백질 복합체, 핵산, 또는 암세포 등과 같은 자가(self) 물질이 될 수도 있다.

목차

성상 및 유래에 따른 항원 분류 면역원(immunogen)

면역원이란 항원 중 림프구 활성이나 항체형성과 같은 면역활성을 일으킬 수 있는 고분자 물질로, 주로 병원성 세균의 세포벽 성분이나 독소 등이 대표적이다¹⁾.

초항원(superantigen)

일반적인 항원이 유도하는 면역반응보다 더욱 강한 면역활성을 유발하는 단백성 물질로, T세포를 비특이적으로 증식시키고 다클론성 T세포의 활성을 촉진한다.

면역관용원(tolerogen)

면역계를 활성시키는 면역원과는 다르게 면역반응을 일으키지 않고 면역관용(immune tolerance)을 유발하는 항원이다. 일반적으로 동일 개체 내에서 발생하는 자가항원(self antigen)은 면역관용원으로 면역관용을 유발하는 것이 정상적이지만, 투여된 방식이나 구조의 변형에 의해서 면역원이 될 수도 있다.

알러지 유발 항원(allergen)

알러지 반응을 일으키는 항원으로 비만세포의 활성화를 유발한다. 주로 꽃가루, 동물의 털, 음식 등이 알러지 유발 항원으로 알려져 있고, 이를 섭취하거나 피부에 접촉시킬 시 알러지 반응이 나타난다.

면역성에 따른 항원 분류 T세포-의존항원(T-dependent antigen)

T세포 의존적 항원은 항체생성에 있어 B세포를 직접적으로 자극시키지 못 하고 항원제시세포(antigen presenting cell)에 의해 활성화된 T세포가 반드시 필요한 항원으로써, 주로 단백질 항원이 이에 해당한다. 최초 감염에 의해 T세포 의존적 항원이 체내에 노출 시 일차항체반응에서는 친화력(affinity)은 낮지만 결합력(avidity)는 높은 IgM을 주로 유도하며 기억 B세포가 생성된다. 반면 반복된 감염에 의해 같은 항원이 체내에 노출되면 친화력 성숙에 의해 친화력이 증가된 IgG (특정 상황에서는 IgA 또는 IgE)가 생성되며 빠르고 강한 항체반응성을 나타낸다.

T세포-비의존항원(T-independent antigen)

활성화된 T세포의 도움 없이 B세포 표면에 존재하는 B세포수용체에 항원이 결합하여 직접적으로 항체 생성을 유도하는 항원으로 세균유래 다당류(bacterial polysaccharide), 핵산, 지질 등과 같은 비단백질성 항원이 이에 해당한다. T-비의존적항원에 의해서는 친화력성숙이 일어나지 않으며, 기억 B세포에 의한 빠르고 강한 이차항체반응은 잘 일어나지 않으며, 다당류와 같은 일부 항원에만 국한되어 일어난다.

T세포는 사이토카인(cytokine)의 분비로 다른 면역세포의 활성화를 돕거나 직접 세포 내 미생물을 제거하는 역할을 한다. 하지만 T세포가 항원이 존재하는 곳에 항상 존재하기 어렵기 때문에 체내에는 항원을 포획하고 가공 후 제시하여 T세포의 면역활성을 유도하는 일을 하는 항원제시세포가 존재한다. 항원제시세포는 항원을 T세포에 제시할 때 주조직적합복합체(major histocompatibility complex; MHC)를 이용하며, MHC에는 class I MHC와 class II MHC가 있다. 항원제시세포가 세포 내 또는 세포 외에 존재하는 항원을 가공하고 제시하는 경로는 다음과 같다.

세포질 내 항원의 가공과 제시

세포 안에서 합성되거나 세포질 내부로 유입된 외래 단백질(주로 바이러스 유래 단백질)은 항원으로 인식되어 유비퀴틴화(ubiquitination) 과정을 거쳐 단백질분해효소에 의해 펩타이드(peptide)로 분해된다. 이렇게 세포질 내에서 생성된 펩타이드는 항원가공연관운반자(transporter associated with antigen processing, TAP)에 의해 소포체 내로 운반된 후 class I MHC와 복합체를 이루게 된다. 최종적으로 생성된 펩티드-class I MHC 복합체는 골지체를 통해 세포표면으로 이동하여 세포표면에 발현하게 되고, class I MHC에 의해 제시된 항원은 CD8⁺ T 세포(cytotoxic T cell)에 의해 인식된다²⁾.

세포질 외 항원의 가공과 제시

세포 밖으로 부터 세포내이입소포에 둘러싸여 유입된 외래 단백질은 엔도좀(endosome)이라는 소포로 둘러 싸게 된다. 단백질항원이 들어있는 엔도좀은 분해효소가 있는 용해소체(lysosome)와 융합하여 포식용해소체(endolysosome)가 되고 단백질의 가수분해를 통해 펩티드를 생성하게 된다. 이때 엔도좀으로 class II MHC가 운반되고, class II MHC의 항원결합부위를 막고 있는 class II-연관 불변사슬펩티드(class II-associated invariant chain peptide; CLIP)가 HLA-DM에 의해 제거되면 가공된 엔도좀 내 펩티드와 class II MHC가 복합체를 형성한다. 펩티드-class II MHC 복합체는 세포표면으로 이동하여, CD4⁺ T 세포(helper T cell)에 항원을 제시하게 된다³⁾.

항원은 가공되어 제시될 뿐만 아니라 B세포에서 합성되는 항체와 직접적인 결합을 한다. 대부분의 항원은 단백질이나 다당류과 같은 고분자물질이기 때문에 항체의 항원결합부위보다 크다. 따라서 항체는 거대항원의 특정 부위에만 결합할 수 있는데, 이 부위를 항원결정기(epitope)라고 한다. 일반적으로 병원성세균 유래 탄수화물과 단백질에는 다수의 항원결정기를 지니고 있으며, 이렇게 다수의 항원결정기 또는 동일한 항원결정기가 반복되어 있는 항원은 다가항원이라 부른다⁴⁾.

단백질의 경우 1차 구조에서 뿐만 아니라 3차 구조와 같은 입체구조에서도 항원결정기를 지닐 수 있으며 종류로는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 우선 연속된 몇 개의 아미노산에 의해 형성된 항원결정기를 선형 항원결정기라고 한다. 선형 항원결정기가 단백질 외부에 존재할 경우에는 항체가 쉽게 접근할 수 있지만, 일반적으로 단백질은 꼬여있는 구조이기 때문에 단백질의 형태가 변성되어야 선형 항원결정기가 드러나게 되어 항체의 결합이 쉬워진다. 다음으로 선형 항원결정기는 반대되는 형태로 인접한 아미노산의 연속으로 형성된 것이 아니라, 접힘구조를 이루었을 때 비연속적으로 배열된 아미노산이 공간적으로 가까워지면서 형성되는 비연속성 항원결정기가 있다. 비연속성 항원결정기는 단백질의 구조가 변성되면 소멸된다.

항원과 항체의 결합은 정전기적 결합, 수소결합, 반데르발스 힘과 소수성 결합과 같은 비공유적이고 가역적인 결합이다. 이러한 결합력은 친화력이라고도 하며 항원결정기와 항체의 구조에 따라 달라진다.

항체(antibody), 병원균, 바이러스, 독소, T세포, 사이토카인(cytokine), 유비퀴틴화(ubiquitination), 포식용해소체(endolysosome), B세포

한승현/서울대학교 

윤상선/연세대학교

1. Abbas, A.K. 2017. Cellular and Molecular Immunology 9^th Edition. Elsevier.
2. Hansen, T.H. and Bouvier, M. 2009. MHC class I antigen presentation: learning from viral evasion strategies. Nat. Rev. Immunol. 9, 503-513.
3. Roche, P.A. and Furuta, K. 2015. The ins and outs of MHC class II-mediated antigen processing and presentation. Nat. Rev. Immunol. 15, 203-216.
4. Wang, X.Y., Wang, B., and Wen, Y.M. 2019. From therapeutic antibodies to immune complex vaccines. NPJ Vaccines 17, 2.