물질대사(metabolism)에 의한 T 세포의 기능 조절 및 이의 활용
1. 개요
T 세포 활성화는 병원체로부터 숙주를 보호하고 다른 면역 세포의 작용을 조정하기 위해 세포 대사의 극적인 변화를 만들어 낸다. 휴지기 T 세포는 주로 ATP 생성 과정을 필요로 하는 반면, 증식하고 있는 effector T 세포는 성장 촉진 경로를 통해 높은 대사 플럭스(metabolic flux)를 필요로 한다. 면역 세포 기능 및 대사를 제어하는 ？？경로는 밀접하게 연결되어 있으며, 세포 및 시스템 수준에서 세포 대사의 변화는 특정 T 세포 기능을 향상시키거나 억제하는 것으로 나타나고 있다. 이러한 결과로, 세포 대사는 T 세포 기능 및 운명결정에 주요한 조절 인자로 인식되고 있다. 세포에 가장 필요한 조건 중 하나는 세포 기능을 지원하기에 필수적이며 충분하고 적절한 영양소에 접근할 수 있는 능력이다. 다양한 자극이 세포가 성장, 증식 또는 죽도록 신호를 보냄에 따라, 그들의 대사 요구 사항이 변하게 되고, 세포 대사를 통하여 이러한 요구에 부합하는 시스템이 존재하게 된다. 면역 세포는 일반적으로 영양소가 풍부한 혈액에서 상당한 시간을 소비하지만 이들 세포가 영양소를 흡수하고 이용하는 방식은 근본적으로 중요하다. 우리는 영양소 흡수 및 이용의 조절이 면역 세포 수 및 기능의 제어에 매우 중요하다는 것을 알고 있다. 또한, 면역 세포 기능 및 대사를 제어하는 ？？경로 사이에는 밀접한 관련이 있다. 세포대사와 그 방식에 대한 연구는 오래전 부터 이루어져 왔다. 거의 1세기 이전부터 Otto Warburg는 암세포가 최대 에너지 생성을 위해 미토콘드리아 산화경로에 의존하기 보다는 비효율적인 당화과정을 통해 충분한 산소가 공급됨에도 불구하고 젖산을 생산한다는 사실을 발견하였다. 또한 Warburg는 백혈구 대사를 연구한 최초의 인물로 활성화된 백혈구에서도 위와 같은 현상이 일어남을 발견하였다. 휴지기 백혈구는 주로 호기성 산화대사를 사용하는 반면, 자극이 주어지면 당분해와 같은 일차대사 프로그램으로 이동시키게 된다. 이들 세포가 산소의 존재 하에서도 당분해를 사용함에 따라 이 대사프로그램을 “호기성 당분해(aerobic glycolysis)’로 명명하고 있다(1). 암세포와 활성화된 림프구 대사의 유사성은 우연의 일치가 아니며 왜 세포가 효율적인 산화적 인산화보다 호기성 당분해를 선택하는지에 대한 활발한 연구가 시작되었다. 대사는 세포 기능적 요구와 일치해야 하고 암세포 및 활성화된 림프구는 빠르게 증식하고 성장하는 신호가 된다. 따라서 당분해는 생합성에 사용될 수 있는 수많은 중간체를 생성하기 때문에 산화대사에서 당분해로의 전환은 이러한 대사 요구에 부합한다고 할 수 있다. 증가된 당분해 이외에도, 일부 포도당은 미토콘드리아 및 TCA 사이클의 일부를 통해 지질합성을 위한 시트레이트를 생성하기 위해 전이된다. 증가된 당분해 이외에, 일부 포도당은 미토콘드리아 및 TCA 사이클의 일부를 통해 지질 합성을 위한 시트레이트를 생성하기 위해 전이된다. 시트르산 분자가 제거되어 지질 막을 생성함에 따라 TCA 플럭스를 계속 유지하기 위해, 글루타민 산화는 TCA 사이클에 대해 α- 케토글루타레이트 및 다양한 거대 분자의 생합성을 위한 대사 중간체를 제공할 수 있는 경로를 따르게 된다. 따라서, 호기성 당분 해가 증가된 당분 해를 특징으로 하지만, 당화 및 미토콘드리아 대사의 관여도 필수적이다. T 세포 대사가 어떻게 조절되는지, 그리고 대사 변화가 세포 기능에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 분자적 세부 사항이 이제 명백 해지고 있다. 휴지기 T 세포는 지질 및 아미노산과 함께 포도당 유래 피루베이트를 산화시키고 활성화시에는 글루타민 산화와 함께 해당 분해가 증가한다. 그러나 지질 산화는 급격히 감소하고 산화보다는 지질 합성이 선호된다. 면역 반응이 끝나면 대부분의 세포가 죽고 메모리 cells이되기 위해 살아남은 세포는 지질 산화 및 효율적인 에너지 생성을 위한 증가된 용량으로 되돌아 간다. 휴지기 세포에서 기초 산화 대사의 유지 및 활성화된 T 세포에서 글루타민 및 당 흡수 및 호기성 당분해로의 전이는 전사/전사 후로 제어되는 복잡한 과정을 거친다.
2. T cell metabolism
2.1. Thymocyte metabolism
림프구 발달은 정밀하게 조절되며 흉선으로부터 naive T 세포가 출현하기 전에 다수의 증식 및 선택 이벤트를 수반한다. 골수에서 도착하면, 이중 음성 (DN) 흉선 세포는 항원 수용체를 생성한다. T 세포 수용체 (TCR) β 사슬이 성공적으로 재 배열되면, DN 세포는 β- selection을 통해 통해 전이된다. 이 특정 선택 이벤트는 포도당 수송체(glucose transporter) Glut1은 이 단계에서 특이 적으로 유도되며, 해당 분해 증가에 기여한다 (2). 이어서, 세포가 보다 정지성 CD4 + CD8 + 이중 양성 (DP) 또는 CD4 + CD8- 및 CD4-CD8 + 단일 양성 (SP) 세포로 성숙함에 따라 Glut1이 하향 조절이 이루어 진다.
2.2. Resting T cells
흉선에서 나올 때, 성숙된 휴식기 T 세포는 기저 에너지 생성 및 대체 생합성을 연료화하는 낮은 대사 요건을 가진다. 분화하지 않은 휴지기 T 세포는 활성화 전에 면역 감시상에서 2차 림프 조직을 통해 지속적으로 이동하고 있다. 따라서, 세포 골격 재 배열은 지속적으로 일어나고 있다. 이 과정은 ATP를 필요로 하며 휴지기 T 세포는 생합성보다 에너지 생산을 선호하는 대사 균형을 갖는다. 이러한 요구를 수용하기 위해, 휴지기 T 세포는 주로 TCA 사이클을 통한 지방산 β- 산화 및 피루베이트 및 글루타민 산화와 같은 공정에 의존한다. 그러나 휴지기 상태인 T 세포도 기저 에너지 생성 대사를 유지하기 위해 세포 외분비 신호를 필요로 한다. 정상적인 미세 환경의 변화로 T세포는 Glut1과 다른 영양소 수송 체를 내재화하고 분해하며 이 과정에서 IL-7 수용체 (IL-7R)와 TCR이 모두 중요합니다.
2.3. IL-7
IL-7은 T 세포 성장 및 생존에 매우 중요하다. 초기 thymocytes, 휴지기 말초 비분화 T 세포 및 memory T 세포 생존에 중요한 인자이다. 실제로, 이 경로의 결함은 인간 및 마우스에서 심각한 복합 면역 결핍의 원인이 된다. IL-7R 신호 전달은 JAK3의 활성화 및 전사조절인자 STAT5의 활성화 및 PI3K의 활성화를 지연한다. IL-7은 naive T 세포 생존에 필수적이며, Bcl-2의 유도 경로를 따른다. IL-7R 은 quiescent T 세포의 요구를 충족시키기 위해 글루코스 및 아미노산 대사를 조절한다. 일반적으로 정상적인 미세 환경 신호를 받지 못하는 T 세포는 세포 크기와 대사가 감소하여 세포 위축(cellular atrophy)를 ？？겪고 결국 세포사멸(apoptosis) 이 유발된다. IL-7은 T 세포 구역의 stromal세포에 의해 발현되고 위축을 예방하고 휴지 T 세포(resting T cells) 대사를 유지하는데 중요한 역할을 한다. Naive T 세포의 배양에서 IL-7의 공급은 세포 크기, 포도당 흡수 및 당분 해를 부분적으로 유지할 수 있게 해준다. 포도당 제한이 Bcl-2 유도에도 불구하고 IL-7에 의해 매개되는 세포 생존을 억제하기 때문에 이러한 변화는 IL-7의 생존 효과와 밀접한 관련이 있다. IL-7R은 PI3K/Akt/mTOR 경로를 통해 포도당 섭취를 조절하여 Glut1의 세포 표면 트래피킹을 촉진 할 수있다. 생체 내 성숙된 T 세포에서 IL-7R의 결실은 세포 위축 및 당분해를 유지할 수 없기 때문에 IL-7R에 의한 이러한 당분 해 조절기능은 T 세포 대사에 매우 중요하다. 휴지기 T 세포는 포도당을 대사하는 것 외에도 아미노산을 산화시키며, 최근의 연구에 따르면 CD8 + T 세포의 IL-7 유도 성장은 아미노산에 의존적이며 아미노산 운반체는 IL-7 신호 전달의 특정 표적임을 암시하고 있다 (4).
2.4. T cell activation
자극된 T 세포는 빠르게 성장, 분열 및 고유기능을 발휘해야 한다. 결과적으로, 지질 세포막, 핵산 및 단백질을 포함하는 세포 내 성분의 생합성을 지원하기 위해, 활성화시 T 세포의 대사가 급격하게 증가된다. T 세포는 이러한 요구를 충족시키고 지질 산화를 줄이면서 포도당과 글루타민 대사를 동시에 증가시켜 세포 성장을 위한 충분한 중간 대사물을 유지한다. 오토 워버그 (Otto Warburg)에 의해 처음 확인된 말초 혈액 백혈구에 대한 연구에 따르면, 유사 분열 자극 시 당분해 및 젖산 생성이 크게 증가하는 것으로 나타났다(5). 많은 연구를 통해 immunization은 Glut1 발현의 급격한 증가를 가져오며, 이는 빠르게 생체 내 T 세포 자극 동안 포도당 흡수 및 대사를 증가시킨다. 이러한 대사 변화는T 세포 기능 유지에 크게 기여하고 필수적이다. Glut1 과발현을 통한 T 세포에서 과도하게 증가된 당 흡수는 사이토카인 생성 및 증식을 증가시킬 수 있으며, 궁극적으로 림프구 증식성 질환을 유발할 수 있다.
3. 대사의 전사조절 기전
발암성 전사인자 c-Myc는 암 발병에 밀접한 관련이 있고 세포주기 및 대사 와 관련한 많은 유전자의 전사를 조절한다. c-Myc에 의해 조절되는 유전자에는 포도당 및 글루타민 대사 및 미토콘드리아 생합성에 관련된 것들이 있다. T 세포에서, c-Myc는 활성화시 유도되고 T 세포 성장 및 세포 주기로의 진입을 촉진한다고 알려져 있다. 최근에 T 세포 대사에서 c-Myc의 역할은 T 세포 자극 시 대사 유전자 발현의 변화와 상관 관계가 있는 것으로 밝혀졌다 (6). 따라서 T 세포에서 c-Myc은 당분해의 전체 프로그램 발현을 유도하는 것 외에도 매우 광범위하게 나타나고 있으며 암과 관련한 면역억제의 표적으로 많은 연구가 진행 중에 있다.
활성화된 T 세포의 증가된 당대사는 다수의 전사 조절(transcriptional regulation)을 필요로 한다. 포도당 및 글루타민 대사에서 c-Myc의 중요한 역할에도 불구하고, TCA주기 및 전자 수송과 같은 미토콘드리아 경로는c-Myc 결핍에 의해 크게 영향을 받지 않았다. 지질 대사의 변화도 마찬가지로 c-Myc에 전적으로 의존하지 않는다. 따라서, TCA 사이클 및 전자 수송 뿐 만 아니라 지질 합성에 필요한 유전자의 미토콘드리아 생합성 및 발현증가를 유도하기 위해 추가적인 전사조절에 대한 연구가 활발히 연구 중에 있다. T 세포 대사의 이러한 측면을 조절하기 위해 몇몇 핵 호르몬 수용체를 포함한 다수의 추가 전사 매개체가 최근에 확인되었다. 에스트로겐 관련 수용체 (ERRα, β 및 γ; NR3B1, 2 및 3)는 해당(glycolytic) 및 미토콘드리아 대사 경로를 조절하는 핵 수용체로 알려져 있다. 이들 수용체(orphan receptor)는 에스트로겐 수용체와 유사하며, PGC1α/β 및 Sirt1과 같은 전사 인자와의 상호 작용을 통해 전사활성을 보인다 (7). ERRβ의 발현은 면역계에서 잘 알려지지 않지만, ERRα는 림프구 및 대식세포에서 발현된다고 알려져 있다. ERRα는 근육 및 지방을 포함한 대사 조직에서 가장 잘 설명되며, 미토콘드리아 생합성, 지방산 대사 및 산화 적 인산화에 관여하는 표적 유전자의 발현을 촉진한다고 알려져 있다. 기능적으로, ERRα 결핍 동물은 전신 영양 결함을 보이며 대사 스트레스 조건에 잘 반응하지 않는다. ERRα 발현은 다수의 암과 밀접한 관련이 있으며 질병의 악화와 양의 관련이 있다). ERRγ는 ERRα와 반대의 기능을 보이며 T 세포에서 발현이 보고되었다(8). 최근 면역 기능에서 ERRα 및 ERRγ의 기능이 보고되고 있다. IFN-γ 신호 전달이 ERRα와 관련된 PGC1β- 의존적 상향 조절을 유도하여 미토콘드리아 유래 ROS 생성을 촉진할 수 있음을 대식세포에서 확인하였다. 이러한 경로는 대식세포 면역 기능에서 중요하며, ERRα-/- 대식세포는 세포 내 병원체 Listeria monocytogenes를 효율적으로 제거하지 못하는 것으로 나타났다. 최근에 ERRα가 T 세포 활성화 및 분화에 중요한 대사 경로를 조절한다는 것이 확인되었다). T 세포에서 ERRα 결핍 또는 억제는 다양한 T 세포 대사 유전자 유도를 감소시켰다. 호기성 당분해를 통해 포도당을 효율적으로 사용할 수 있는 미토콘드리아 유전자는 ERRα 억제에 영향을 받고 있다. 이러한 효과가 ERRα의 억제에 직접적으로 영향을 미쳤는지는 확실하지 않지만, ERRα- 결핍 T 세포가 포도당을 세포 성장을 위한 연료로 사용하는 데 어려움을 보이고 있다. 면역학적으로, ERRα 결핍 또는 억제는 EAE 모델에서 염증성 사이토 카인 생성을 감소시키고 Teff의 생성을 감소시켰다.
LXRα 및 LXRβ는 핵 수용체 패밀리의 구성원으로 콜레스테롤 및 지질 항상성을 조절한다. 특히, LXR은 SREBP 전사 인자를 통해지질 합성 경로의 균형을 이루는 콜레스테롤 유출을 촉진하는 기능을 한다. T 세포에서, 항원 자극은 지질 및 콜레스테롤 합성을 위한 감소된 LXR 활성 및 증가된 SREBP-2 경로의 활성이 뒤 따른다. LXR의 약리학적 활성화는 immunization 또는 EAE에 반응하여 T 세포 증식 및 염증 기능을 감소시킬 수 있기 때문에 지질 및 콜레스테롤 항상성에서의 이러한 변화는 Teff 활성화 및 기능에 중요하다. LXRβ-/-동물은, 자극시 T 세포는 증가된 증식 및 사이토 카인 생성을 나타냈다 (9). 이러한 결과를 통해 LXRβ 및 콜레스테롤 및 지질 유출 대 합성의 조절이 T 세포 증식의 주요 조절제로서 작용한다는 것을 시사한다.
4. 전사 후 대사조절
T 세포 활성화시 증가된 당분해 및 대사적 재 프로그래밍은 자극(co-stimulation)에 의존적이다 (10). 특히, PI3K/Akt/mTOR 경로를 활성화시키기 위한 CD28 신호 전달이 중요하다. 이 경로는 세포 성장 및 증식에 필수적인 포도당 대사 및 호기성 당분 해를 촉진하는 많은 주요 역할을 한다. Akt와 mTORC1은 모두 Teff 성장과 기능을 지원하기 위해 호기성 해당 작용을 촉진할 수 있다. Akt 및 mTORC1이 다양한 메커니즘을 통해 유전자 전사에 영향을 줄 수 있지만, 이들 키나제는 번역 후 효과를 통해 당 대사를 촉진한다. Akt는 포도당 수송체 및 해당 작용 조절에 중요한 역할을 수행한다. 대사조직에서 Akt는 인슐린 신호 전달에 반응하여 세포 표면으로의 Glut4 이동을 촉진한다. T 세포는 전형적으로 Glut4를 발현하지 않고 대신에 Glut1을 주로 발현한다. Akt는 포도당 수송 체 Glut1의 세포막 표면으로의 트래피킹을 촉진하고 아미노산 수송 단백질의 세포 표면 트래피킹을 촉진할 수있다. Akt가 림프구에서 Glut1 트래피킹을 제어하는 ？？메커니즘은 확실하지 않으나TBC1D1 및 TBC1D4는 세포 표면으로의 Glut1 트래피킹을 변형시킬 수있는 Akt 기질로서 작용함이 알려져 있다. TBC1D1 및 TBC1D4는 Rab family에서 GTPase- 활성화 단백질이며, Rab 단백질은 Glut1을 포함한 단백질의 트래피킹에서 중요한 역할을 한다.
mTORC1의 활성화는 번역 후 과정을 촉진하여 호기성 해당 작용을 자극하고 세포 성장을 지원하는 경로를 조절한다. mTORC1 복합체의 주요 기능 중 하나는 단백질 번역 증가를 촉진하기 위해 4EBP 및 p70S6 키나제 (p70S6K)를 인산화하는 것이다. p70S6K 결핍이 PTEN- 결핍 세포에서 증가된 당분해를 막기 때문에 p70S6K의 활성화는 mTORC1 당분해 효과를 매개한다. SREBP2는 또한 지질 합성을 촉진하기 위해 mTORC1에 의해 활성화된다. mTORC1 복합체는 면역 억제제 라파마이신의 표적으로서 T 세포의 조절에 특히 중요하다. 실제로, 라파마이신 치료는 T 세포 활성화시 당분해 증가를 방지하고 T 세포 성장 및 증식을 차단한다고 알려져 있다.
AMP- activated protein kinase (AMPK)는 mTORC1과 반대로 작용한다고 알려져 있다. mTORC1이 세포 성장을 자극하기 위해 단백 동화 과정(anabolic pathways)을 촉진하는 반면, AMPK는 이화 경로(catabolic pathways)를 촉진하여 에너지 생성을 극대화하는 잘 알려진 에너지 조절 경로이다. AMPK 복합체는 AMP 대 ATP의 증가된 비율에 의해 활성화되며 인산화가 필요하다. liver kinase B1 (LKB1) 및 CaMKKII를 포함하여 몇몇 키나제가 AMPK를 활성화시킬 수 있다. LKB1은 생체 에너지 스트레스 조건에서 AMPK 활성화에 필수적이며, LKB1의 T 세포 특이 적 결핍은 흉선 세포 발달에 결정적이며 말초 T 세포 전반적인 감소를 유발한다. LKB1이 결여된 T 세포는 활성화시 및 대사 스트레스에 반응하여 세포 증식 및 생존에 결함을 나타냈다. LKB1- 결핍 T 세포는 당분해 속도가 증가하고 스트레스 하에서 지질 산화를 상향 조절하는 능력이 감소되고 당분 해 및 지질 대사 모두에서 변화를 나타냈다.
3. 결론
유기체 전체의 대사 및 영양 상태는 면역 조절에 중요한 역할을 수행한다. 비만은 선진국에서 유행하고 있으며 당뇨병 및 심혈관 질환과 같은 생명을 위협하는 동반 질환과 밀접한 관련이 있다. 에너지 요구량을 초과하는 에너지 섭취는 체지방량의 상승에 대한 생물학적 반응을 일으켜 낮은 수준의 염증을 지속적으로 유발시킨다. 비만 환자의 체중감소는 TNF-α 및 IL-6과 같은 염증성 바이오 마커의 감소와 관련이 있으며 인슐린 감수성의 개선을 동반한다. 비만 쥐 모델에서 TNF-α의 소실은 인슐린 감수성 및 포도당 항상성의 개선을 보이는 반면 TNF-α의 외부 투여는 인슐린 저항성을 유발하였다. 다양한 염증 매개체 및 사이토카인이 비만 쥐 모델 및 사람의 비만 지방 및 다른 조직에서 과발현되며 TNF-α와 유사한 방식으로 인슐린 작용에 영향을 줄 수 있다. 지방 조직의 확장은 케모카인의 방출로 염증성 면역세포를 불러 들려 인슐린 저항성을 촉진하는 전 염증성 사이토카인의 생산 증가를 특징으로 한다. 이러한 변화는 아디포카인 (adipokines)의 지방 세포 분비 변화, 지방분해 증가, 순환 비에스테르 화 지방산 과잉을 초래하여 결국 전신성 인슐린 저항성을 유발한다. 대식세포 염증 반응 경로를 결핍시키고 지방 조직에 존재하는 대식세포가 실제로 비만 관련 인슐린 저항성에 기여할 수 있음을 입증되었다. M2 대식세포가 Treg세포와 같은 산화적 대사에 우선적으로 의존하는 반면, M1 대식세포는 Teff 세포와 유사한 대사성 대사 프로파일을 나타낸다는 것을 보여주었다. 최근에, 지방조직-특이적 림프구가 비만에서 보이는 염증 및 인슐린 저항성에 필요한 지방-거주 대 식세포에 대한 결정적이고 필수적인 전구체라는 연구가 주목받고 있다. 비만 유발 염증에서 지방 조직 관련 T 세포의 중요성이 입증되었고 지방 세포 특이적 CD4 + T 세포, CD8 + T 세포 및 Treg가 국소적으로 대식세포 모집 및 전신 인슐린 저항성에 영향을 미치며 이는 기존에 알려진 전통적인 T 세포와는 다른 특징을 보인다. Treg 세포 특이적 PPAR-γ의 조건부 결핍은 지방조직 특이적 Treg 수를 감소시켰지만 림프 조직에서 발견된 Treg 수는 변하지 않았다. 비만은Th17 세포의 확장에 의해 부분적으로 유발되는 만성적이고 낮은 수준의 염증 증상을 나타낸다. 임상 적으로 비만인은 높은 수준의 IL-17수치를 보인다. 또한, 비만은 EAE 및 대장염의 IL-17- 의존성 자가 면역 질환을 악화시킬 수 있다. IL-17은 지방 생성을 억제할 수 있다. 실제로, IL-17Rα-/-마우스는 과체중이고 고지방식이(11)에 의한 고도비만이 유발되지만 개선된 포도당 내성 및 인슐린 민감성을 나타낸다. 면역 체계가 감염을 예방하고 종양 감시를 수행하는 데 중요한 역할을 수행하며 이러한 역할에는 에너지를 많이 요구하므로 세밀하고 정교하게 조절되어야 한다. 최근 면역 세포 수, 기능 및 분화를 조절하는 다양한 경로가 대사를 조절하는 경로와 어떻게 연결되는지 많은 연구가 진행 중에 있다. 면역 대사 프로그램의 조절은 면역 억제 또는 염증 상태에서 면역 반응을 변화시킬 수 있으며 감염, 백신 반응, 종양 감시, 자가 면역 및 염증성 질환의 치료와 밀접한 관련이 있다. 또한, 유기체 전체의 대사 상태는 세포 수준에서 림프구 기능 및 림프구 대사에 영향을 줄 수 있는 복잡한 시스템이다.