병원체 관련 분자 패턴

병원체 관련 분자 패턴이란 세균이나 진균의 세포벽 성분들 또는 세균, 진균, 기생충, 바이러스 병원체의 표면 구조물이나 특이적 핵산 구조와 같이 진화적으로 보존되어 있는 특유의 분자구조 패턴을 말한다. 선천면역계를 구성하는 여러 종류의 식세포들은 이 PAMP를 인식하는 세포수용체인 양식인지수용체(pattern recognition receptor; PRR)를 발현하며 이를 통해 병원체 포식기능을 활성화하거나 적정한 방어환경을 조성하는 등 다양한 면역반응을 유도한다.  

그람 음성 세포벽 (출처: )

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동물은 물론, 식물을 포함한 다세포 생물은 외래 미생물의 침입으로부터 자신을 방어하기 위한 면역계를 진화시켜 왔다. 특히 동물의 물리적 장벽을 형성하는 피부와 점막조직이 무너져 병원체가 침입한다면 이들에 즉각적으로 대응하는 선천면역의 주요 방어능은 포식작용이다. 진화상으로 매우 오랜 역사를 갖고 있는 이 방어기전은 무척추동물에도 존재하며 조직 내에 상주하고 있는 대식세포, 수지상세포, 그리고 병원체의 침입 장소로 이동한 호중구 및 혈액을 순환하는 단핵구 등이 이 포식작용을 수행하는 주요 구성원들이다.

포식작용을 유도하는 대부분의 PAMP들은 만난(mannan), 베타 글루칸(β-glucan), 지질다당체(lipopolysaccharide; LPS), 펩티도글리칸 등이지만 그 중에서도 그람음성 세균의 세포벽 구성성분인 지질다당체는 내생독소(endotoxin)로서도 잘 알려져 있다. 그람양성 세균의 편모단백질(flagellin), 리포테이코산(lipoteichoic acid), 세포벽에 특히 많은 펩티도글리칸 등이 전형적인 PAMP로 확인되었다. 숙주와 다른 세균 DNA의 CpG-비메틸화, 그리고 바이러스에서는 단일가닥 또는 이중가닥 RNA 등 핵산 관련 구조도 종종 PAMP로 작용한다.

선천면역계의 포식세포들이 발현하는 PRR은 최소 4~5가지 부류로 나뉘는데 그 중 첫 번째는 여러 종류의 톨-유사수용체(Toll-like receptor; TLR)들이다. 1996년 TLR이 초파리의 선천면역반응 활성화에 관여한다는 사실이 밝혀진 이후로 현재까지 사람에게서는 10종류 그리고 마우스에서는 13종류의 TLR이 확인되었다. 두 번째 부류의 PRR은 C형 렉틴 수용체(C-type lectin receptor; CLR)로서 진균, 미코박테리아, 바이러스, 기생충의 표면 탄수화물 분자 혹은 일부 알레르기 항원의 탄수화물 성분을 인식한다. 세 번째 PRR 부류는 레티노산 유도성 유전자1-유사 수용체(retinoic acid-inducible gene-1-like receptor; RLR)로서 세포 내부의 세포질에 존재하는 수용성 수용체로서 특정 바이러스들의 RNA 구조를 인식한다. 네 번째 PRR 부류는 노드 유사 수용체(Nod-like receptor; NLR)인데 이들 역시 세포질에 존재하는 수용성 단백질로서 PAMP와 함께 세포손상이나 위험에 관계된 물질(damage-associated molecular pattern; DAMP)들을 인식하여 선천면역반응을 활성화시키지만 경우에 따라 과도한 염증반응을 일으켜 조직손상이나 면역학적 질병에 기여할 수도 있다. 끝으로 AIM2-유사 수용체(AIM2-like receptor; ALR)은 세포질 내에 위치한 수용체로서 세포질 내에 노출된 세균이나 바이러스의 dsDNA 가닥을 인지한다. 이로 인해 염증반응을 촉진나거나 인터페론 생성을 유도하는 것으로 밝혀졌다.

침투한 세균을 삼키는 포식세포 (출처: GettyImages-578457753)

일단 병원체의 PAMP가 다양한 선천면역세포들의 PRR에 인식되면 여러 경로의 신호전달이 진행되고 선천면역반응을 보다 강화하는 유전자들의 발현이 시작되는데 대표적으로 항미생물펩티드, 제1형 인터페론, 케모카인을 포함한 사이토카인, 그리고 항미생물 및 염증매개체를 합성하는 효소 유전자들이다. 디펜신, 카셀리시딘 등의 항미생물펩티드는 대식세포나 호중구 등이 포식된 병원체를 파괴하는데 사용되며 인터페론 알파 및 베타를 포함하는 제1형 인터페론도 선천면역세포들의 활성을 돕고 바이러스에 감염된 세포나 이웃세포들의 물질대사를 차단하여 바이러스 증식을 억제한다. 한편 PAMP-PRR 상호작용으로 유도되는 사이토카인에는 IL-1, 6, 10, 12, 18과 TNF-α, GM-CSF 등이 있으며 조혈작용을 촉진하거나 혈관투과성을 높이고, 또 급성기반응과 열발생을 유도하는 등 면역방어에 유리한 환경을 조성한다. 특히 PAMP를 인식한 대식세포, 수지상세포, 혈관내피세포 등은 IL-8을 발현 분비하여 호중구, 호염구, 미성숙 수지상세포, T세포 등을 병원체 감염부위로 끌어 모으는 중요한 임무를 수행한다.

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정용석/경희대학교

윤상선/연세대학교