Veterinary Immunology 수의 면역학 02.선천성 면역: 항원 인지 PAMP, DAMP, PRR

• 외부로 부터의 침입의 신호는 외부(Pathogen associated molecular pattern, PAMP)나 내부(Damage associated molecular pattern, DAMP)로 인지된다. 외부로부터의 신호는 침입자에 의해 생성되는 것들을 말하는데, 침입하는 미생물의 특이적인 표면 분자나 핵산을 인지한다.
• 내부적인 신호는 손상되거나, 죽은 세포로 부터 나온다. 즉, 감염된 숙주세포의 변성을 인식하는데, 이를 DAMPs, 혹은 alarmins으로 부른다.
• PAMP와 DAMP 둘 다 pattern-recognition receptor, PRR에 의해 인식된다., PRR은 세포의 표면이나 세포 내부에 존재한다.
• PRR은 여러가지 세포에게서 발견되는데, 이러한 'sentinel cell'에서 가장 주요하게 여겨지는 세포로는 macrophage(탐식세포), dendritic cell(수지상세포), mast cell(비만세포)이 있다.
• 대부분의 PRR은 Toll-like receptor, TLR으로 구성되어 있다.
• PAMP가 TLR과 결합하면 sentinel cell이 다양한 물질을 분비하게 만든다. 이러한 단백질 물질을 '사이토카인 cytokine'이라고 부르며 이는 염증 반응을 일으키는 시발점이 된다.
• 이러한 cytokine은 혈류량을 증가시키고, neutrophil과 같은 세포를 끌어당기며, 혈관투과성을 높여 항균물질과 방어세포들이 유주할 수 있도록 한다.

세균이나 바이러스와 같은 감염성의 요소들은 체내에서 빠르게 증식하는 것이 특징이다. 그렇기 때문에 신체는 감염 인자들을 빠르게 인식하여 방어하는 기전을 구축해야만 했고, 지금의 면역 체계에 이르게 되었다. 선천성 면역의 가장 주요한 부분은 염증작용(inflammation)이라고 할 수 있다.
염증작용은 방어세포와 항균물질을 상처 받은 조직에 집중적으로 보내주는 역할을 한다. 이러한 방어세포들은 백혈구 (white blood cell, WBC, leukocyte) 라고 부르는데, 이들은 혈류중에 고르게 분포하다가 염증반응에 의해서 염증이 일어난 조직으로 이동하게 된다.

How Invaders are recognized

선천성 면역 반응은 신체가 공격을 받았다고 인지하는 순간 시작된다. 이러한 '인지'는 두가지 방법으로 이루어진다. 침입한 미생물을 인지하는 외부로부터의 신호가 오는 경우와, 죽거나 죽어가는 세포로 부터 나오는 물질을 인지하는 내부로부터의 신호가 오는 경우이다. 외부로 부터 오는 신호는 pathogen-associated molecular patterns, PAMPs 라고 부른다. 내부로 부터 오는 신호는 damage-associated molecular patterns, DAMPs라고 부른다. DAMPs나 PAMPs는 sentinel cell에 발현해있는 pattern recognition receptors, PRRs에 의해 인식된다. 이렇게 PAMP와 DAMP와 PRR에 인식되면, 염증반응이 시작된다.

Pathogen-associated molecular patterns
미생물은 빠르게 번식할 뿐만 아니라 그 종류가 매우 다양하고 변이또한 자주 일어나는 편이다. 그렇기 때문에 선천성 면역체계는 이러한 모든 특징을 인식하지 못한다. 그렇기 때문에 신체는 자신에 신체에는 존재하지 않지만 미생물에는 보편적으로 존재하는 부분을 인지하도록 진화했다. 이렇게 보편적인 구조물은 변이가 쉽게 일어나지 않기 때문이다.
예를들면 gram-positive 세균은 펩티도글리칸(peptidoglycan)층이 두껍게 존재한다. 그람음성의 경우 lipopolysaccharides(LPS)층이 얇은 펩티도글리칸층을 갑싸고 있다. 항산성 세균의 경우에는 glycolipid에 의해 쌓여 있다. 바이러스의 경우 숙주세포 안에서 증식하며, 바이러스의 핵산이 주요한 PAMP로 작용한다.
다양한 PRR이 체내에 존재하며 가능한한 모든 PAMPs를 인식할 수 있도록 진화했다. 대부분의 수용체들은 세포막, 세포질내, 세포질내 vesicle 안에 존재한다. PRR에는 toll-like receptor(TLR), retinoic acid -inducible gene(RIG)-1-like recpetors(RLRs), nucleotide-binding oligomerization domain(NOD)-like receptors(NLRs), C-type lectin receptors(CLRs)등이 있다.

Toll-like receptors
PRRs의 가장 주요한 구성요소는 TLRs이다. Toll 이라고 하는 이름은 기이하다는 뜻인 독일어의 'toll'에서 유래됐다. 이는 초파리에게서 발견된 'Toll'이라는 단백질에서 따왔는데, 이 단백질이 결여되면 초파리는 제대로 된 발생을 할 수 없다. 제대로 발생 과정을 거치지 못한 초파리를 보고 연구진이 기이하다!(toll)이라고 외친데에서 이름이 유래됐으며, 포유류의 세포에 발현된 단백질이 초파리의 'Toll'단백질과 유사하여 Toll-like receptors라는 의름을 가지게 됐다.
TLR의 일부는 세포 표면에 존재하여 세균이나 진균처럼 세포외 침입자에 대해 인식한다. 다른 TLR들은 세포내에 존재하는데 이들은 세포내 침입자인 바이러스를 탐지한다. TLR은 매우 다양한 세포에서 발현한다. 가장 중요하게는 체표면이나 체표면 주변의 sentinel cell에서 발현한다. sentinel cell에는 macrophage, mast cell, dendritic cell, 장관과 호흡기의 epithelial cell이 포함된다.
TLR은 당단백 리셉터이다. 포유류는 10개 혹은 12개의 TLR을 가진다. PAMP가 TLR과 결합하면 세포로 신호가 전달된다. 그 결과 proinflammatory 물질들이 세포들에서 생성된다. 이러한 과정들은 다양한 단백질이 관여하는데, 예를들자면 세포외 전달은 세포내 전달과 다른 경로를 가진다. MyD88이라는 단백질은 TLR3을 제외하고 모든 TLR에 존재하는 단백질이다. 이 단백질에 염증유발 물질들이 결합하면, NF-kB(nuclear factor kappa-B), MAP kinase(MAPK), IRF3가 분비된다. NF-kB와 MAPK는 IL-1,6와 tumor necrosis factor-alpha인 TNF-a를 발현시키고, IRF3은 interferon-b를 발현시킨다. 이러한 sentinell cell에서 만들어지는 단백질을 cytokine(사이토카인)이라고 부르며, 이들은 신체의 면역반응을 조절하는 역할을 수행한다. 사이토카인은 불활화 상태로 생성되어 caspase-1이라는 효소에 의해 활성화된다.

caspase는 단백질 분해 효소로 염증 개시에 주요한 역할을 수행한다. Caspase-1이 각종 사이토카인들을 활성화 시키는 역할을 수행하는 가장 중요한 효소라고 할 수 있다. TLR은 염증 반응을 일으킬 뿐 만 아니라 획득성 면역의 '스위치를 켜는' 역할 또한 수행한다. 예를들면 TLR4의 활성화는 마크로파지와 수지상세포가 사이토카인을 만들게 한다.
TLR은 골수 줄기세포에 발현한다. 즉, 백혈구 전체가 TLR을 가지게 된다. 박테리아의 LPS가 TLR4에 결합하면 골수에선 leukocyte의 생성이 증가한다. 세포내 TLR이 바이러스의 핵산을 인지하는 경우, 항바이러스성 사이토카인을 만들어내는데, 이는 type-1-interferon 인터페론(IFNs)이라고 부른다.

Microvial pathogen-associated molecular patterns

PAMP는 침입자로부터 유래된 구조물로 당단백, 핵산등을 포함한다.

Bacterial lipopolysaccharieds	Bacterial peptidoglycans	Bacterial DNA	Viral nucleic acids
그람음성 세균에 많은 물질로 TLR4가 LPS에 간접적으로 결합한다. MD-2, LPS-binding protein, CD14가 결합한 뒤에 결합하게 되ㄴ다. LPS가 CD14/TLR4.MD-2 복합체와 결합하게 되면 마크로파지를 활성화 시키고, 사이토카인 생성을 촉진한다.	펩티도글리칸층은 그람양성, 그람음성 세균 모두에게 존재하는 세포벽 역할을 한다. 여러 PRR이 펩티도글리칸을 인지하는데, TLR, NOD, CD14등이 있다. Peptidoglycan recognition proteins PGRPs는 전염증 물질과 미생물 사멸 물질을 만들어 내도록 유도하는 PRR이다.	세균의 DNA는 진핵세포의 DNA와 다르기 때문에 이 또한 염증 반응을 일으키는 물질로 작용할 수 있다. 진핵세포의 DNA와 다르게 dinucleotide와 unmethylated cytosinequanosine(CpG)의 비율이 높다. (즉, C와 G가 반복적으로 나타난다)	바이러스의 핵산 또한 진핵세포의 핵산과는 다른 구성을 가지고 있어 이가 PAMP로 작용한다.

Damage associated molecular patterns

염증반응은 외부로 부터의 침입 뿐만 아니라 물리적인 외상이나 조직이 받은 영향에 의해서도 발생한다. 이는 세포내에서 발생할수도, 세포 손상 이후 세포외로 분출되어 인지될수도 있다. 가장 주요한 DAMP인 HMGB1(high mobility group box protein-1)은 원래 DNA와 결합하여 DNA가 바르게 folding 될 수 있게 한다. 하지만 HMGB1이 세포외로 나올 경우에는 염증을 유발하게 된다. 또 다른 중요한 DAMP중 하나는 heparan sulfate로 원래 세포막에 정상적으로 존재하는 물질이지만 조직 손상시에 체액으로 흘러나와 염증을 유발하게 된다.